趙暉　金辰華　宣衛(wèi)紅　徐海生

摘要：亞麻纖維具有斷裂強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)變形小、彎曲性好、扭轉(zhuǎn)剛度大等特點(diǎn)，因此亞麻纖維水泥基復(fù)合材料是一種應(yīng)用前景廣闊的土木工程材料。從亞麻纖維物理化學(xué)性質(zhì)、亞麻纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料性能的影響、亞麻纖維水泥基復(fù)合材料性能改善方法3個(gè)方面系統(tǒng)闡述了亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題。提出未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：加強(qiáng)用亞麻纖維替代聚丙烯纖維制備水泥基復(fù)合材料；揭示潮濕情況下亞麻纖維水泥基復(fù)合材料性能演變規(guī)律；在三軸應(yīng)力、潮濕條件耦合作用下構(gòu)建亞麻纖維水泥基復(fù)合材料力學(xué)損傷模型；從增加亞麻纖維本體強(qiáng)度、改善亞麻纖維和水泥基材料界面黏結(jié)性角度來(lái)提高亞麻水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用性能。

關(guān)鍵詞：亞麻纖維；水泥基；復(fù)合材料；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0738

中圖分類號(hào)：S38；S563.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10080864（2024）04015311

水泥基材料具有原材料來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜、適用范圍廣、易澆注成型、耐久性好等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于如三峽工程大壩、珠港澳大橋、青藏鐵路、南水北調(diào)等大型土木工程建設(shè)。近幾十年來(lái)，隨著我國(guó)“一帶一路戰(zhàn)略”“南海戰(zhàn)略”和“城市化進(jìn)程”的不斷推進(jìn)，混凝土材料的消耗量不斷增長(zhǎng)。2018 年，我國(guó)混凝土使用量為22.96 億m3，比2017 年增長(zhǎng)了12.4%；2020 年，混凝土消費(fèi)量增加到25.5億m3；同一時(shí)期，美國(guó)、歐盟、日本、意大利等國(guó)混凝土使用量分別為14.3億、10.56億、7.8億、3.3億m3，全世界混凝土消耗總量為100億m3左右[1-3]。

眾所周知，現(xiàn)代的土木工程材料需滿足高強(qiáng)度、高體積穩(wěn)定性、高韌性、高耐久性的使用要求。水泥基材料是一種多孔、脆性的材料，其抗拉強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變小。在水泥基材料硬化過(guò)程中，因化學(xué)收縮、溫度收縮、塑性收縮、干縮和自收縮增加，材料表面會(huì)產(chǎn)生微裂紋。土木工程結(jié)構(gòu)的彎曲荷載達(dá)到破壞荷載15%～20%時(shí)，水泥基材料表面開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，隨時(shí)間推移細(xì)微裂紋不斷擴(kuò)展，最終發(fā)展為較大裂縫。長(zhǎng)期荷載作用下水泥基材料還易出現(xiàn)徐變，從而引起結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布。外界環(huán)境中的有害介質(zhì)滲透進(jìn)水泥基材料的內(nèi)部也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物耐久性能下降[4]。除此之外，水泥基材料還存在韌性、抗疲勞能力、抗沖擊、耐磨損性差等問(wèn)題[5-7]。如何改善水泥基材料性能上的缺陷，實(shí)現(xiàn)水泥基材料的高性化已引起土木工程界的廣泛關(guān)注。

研究發(fā)現(xiàn)，將水泥基與纖維復(fù)合是實(shí)現(xiàn)水泥基材料高性能化的重要途徑[8]。纖維水泥基復(fù)合材料以水泥凈漿、砂漿或者混凝土為基體，短纖維或連續(xù)長(zhǎng)纖維作為增強(qiáng)材料[910]。纖維的摻加可限制水泥基材料硬化過(guò)程中微裂縫產(chǎn)生及荷載作用下的宏觀裂縫擴(kuò)展。纖維在水泥漿體中隨機(jī)亂向分布有利于增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的韌性和極限應(yīng)變。加入纖維的水泥基基體材料在受壓破壞時(shí)裂而不碎，且能降低水泥基復(fù)合材料的收縮變形和徐變變形。纖維的使用也提高了水泥基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗疲勞、抗沖擊、抗爆炸性能、抗凍融性、抗?jié)B性、耐磨性、耐沖刷性等多種性能。纖維已成為制備高性能水泥基材料中不可缺少的組分[11-13]。

目前，使用在水泥基復(fù)合材料中的纖維按材質(zhì)可分為金屬纖維、無(wú)機(jī)纖維、合成纖維、植物纖維（圖1）[14]。按彈性模量可分為高彈性模量纖維（鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維）和低彈性模量纖維（合成纖維、植物纖維）。高彈性模量纖維的剛度大于硬化水泥基材料，當(dāng)水泥基材料硬化產(chǎn)生微裂縫時(shí)，纖維受力并分擔(dān)水泥基材料本身所受應(yīng)力。纖維剛度越大，水泥基材料強(qiáng)度提高越明顯。低彈性模量纖維的剛度小于水泥基材料，水泥基材料開(kāi)裂后纖維受力，摻低彈性模量纖維可提高水泥基復(fù)合材料延性、韌性、抗疲勞、抗沖擊性能[1516]。

鋼纖維具有優(yōu)良的增強(qiáng)效果，在土木工程領(lǐng)域已有應(yīng)用，但鋼纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)且密度較高，摻加鋼纖維到水泥漿體中易結(jié)團(tuán)而導(dǎo)致水泥漿體分層，摻加鋼纖維到水泥基復(fù)合材料會(huì)降低材料的流動(dòng)性，且鋼纖維與水泥基材料界面黏結(jié)性差。鋼纖維水泥基復(fù)合材料還易受到環(huán)境中氯離子腐蝕而降低鋼纖維復(fù)合材料的耐久性和使用壽命[1718]。玻璃纖維雖具有較高的彈性模量，但其易折斷，在堿性環(huán)境中有發(fā)生腐蝕的可能[19]。碳纖維具有質(zhì)量輕、力學(xué)強(qiáng)度高、承受變形能力強(qiáng)、韌性和黏合性好、耐酸堿、耐潮濕循環(huán)腐蝕等特點(diǎn)，是一種理想的水泥基增強(qiáng)、增韌材料，但碳纖維價(jià)格昂貴，且碳纖維水泥基材料施工難度較大，限制了碳纖維在實(shí)際土木工程中的應(yīng)用[20]。玄武巖纖維韌性和延伸率低，易發(fā)生彎折破壞，不利于控制混凝土收縮變形，玄武巖纖維表面粗糙，易產(chǎn)生應(yīng)力集中而促進(jìn)裂縫發(fā)育。更為重要的是，玄武巖纖維對(duì)礦源要求高，投資周期長(zhǎng)，年產(chǎn)量低，因此玄武巖纖維水泥基復(fù)合材料難以大規(guī)模推廣應(yīng)用[21]。合成纖維具有抗裂性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好、摻加簡(jiǎn)單、耐腐蝕、用量少、自重輕、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。摻加合成纖維能有效改善水泥基復(fù)合材料的延性、耐磨性、抗沖擊性。合成纖維在水泥基纖維復(fù)合材料中使用量較大，但合成纖維為人工化學(xué)品，易老化、耐久性差，且合成纖維表面與水泥界面黏結(jié)性弱，達(dá)到最高拉伸強(qiáng)度前已和基體水泥基材料分離，達(dá)不到理想的增強(qiáng)效果，從而阻礙了合成纖維水泥基復(fù)合材料推廣與應(yīng)用[22]。

近年來(lái)，可再生、可降解、價(jià)格低、比強(qiáng)度和比模量高的植物纖維引起世界各國(guó)的廣泛重視。植物纖維摻加到水泥基復(fù)合材料中能有效提高材料的抗沖擊性、抗彎曲性、抗裂性能、耐化學(xué)腐蝕性和降低纖維水泥基復(fù)合材料的重量[23-25]。亞麻纖維是優(yōu)良的植物纖維，亞麻纖維水泥基復(fù)合材料是具有廣闊發(fā)展前景的新型土木工程材料。本文從亞麻纖維的物理化學(xué)性質(zhì)、摻加亞麻纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料性能的影響、改善亞麻纖維水泥基復(fù)合材料性能的方法3個(gè)方面出發(fā)，闡述了亞麻纖維水泥基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀及使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了亞麻纖維水泥基復(fù)合材料發(fā)展方向和提高亞麻纖維水泥基材料性能的新方法，對(duì)擴(kuò)大亞麻纖維的使用范圍，制備環(huán)境友好、綠色環(huán)保、可再生循環(huán)利用的高性能亞麻纖維水泥基復(fù)合材料具有十分重要的意義。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 亞麻纖維的物理化學(xué)性質(zhì)

亞麻具有容易種植、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，已在世界范圍內(nèi)廣泛種植。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2005年，全世界油籽亞麻年種植面積達(dá)250萬(wàn) hm2。我國(guó)油籽亞麻資源豐富，油籽亞麻產(chǎn)量常年居世界第一。近年來(lái)，我國(guó)的油籽亞麻種植范圍不斷擴(kuò)大、產(chǎn)量以每年5%～10%的速度持續(xù)穩(wěn)定增加[26]。

亞麻纖維是天然亞麻莖外皮中的韌皮纖維，為油籽亞麻加工過(guò)程中的副產(chǎn)品。亞麻纖維主要包含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠、蠟質(zhì)等化學(xué)物質(zhì)（表1）[27-29]。單細(xì)胞亞麻纖維由果膠黏結(jié)形成纖維束，纖維束連接一起形成彈性良好的纖維網(wǎng)[30]。纖維素含量、單細(xì)胞纖維與纖維軸夾角決定了亞麻纖維的強(qiáng)度和硬度。單細(xì)胞亞麻纖維與纖維軸夾角越小，亞麻纖維的強(qiáng)度和硬度越好，但亞麻單細(xì)胞纖維的橫截面不規(guī)則，亞麻纖維的強(qiáng)度離散性較大[31].。亞麻纖維力學(xué)性能還與其尺寸密切有關(guān)，亞麻纖維尺寸越小則亞麻纖維結(jié)構(gòu)越規(guī)則、內(nèi)部缺陷越低、拉伸強(qiáng)度越高[32]。亞麻纖維拉伸強(qiáng)度一般在845～1 000 MPa，楊氏模量達(dá)19～20 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率為1.4%～2.7%。亞麻纖維和傳統(tǒng)纖維物理力學(xué)性能如表2所示。亞麻纖維屬于低彈性模量纖維，與傳統(tǒng)鋼纖維相比，摻加亞麻纖維可提高水泥基復(fù)合材料的抗沖擊性、抗彎曲性、抗裂性能、耐化學(xué)腐蝕性，并降低纖維水泥基材料的密度。亞麻纖維的拉伸強(qiáng)度高、變形性能好、比強(qiáng)度高，可替代玻璃纖維制備環(huán)保型復(fù)合材料。與碳纖維、玄武巖纖維相比，亞麻類纖維比強(qiáng)度較好、密度較小、拉伸性能較高，且亞麻纖維原材料費(fèi)用比合成纖維更低，因此摻加亞麻纖維到水泥基材料中可減少能量消耗，具有就地取材、易降解、綠色環(huán)保、實(shí)現(xiàn)自然資源的循環(huán)再生利用等優(yōu)點(diǎn)[33-35]。目前，亞麻纖維水泥基復(fù)合材料已引起土木工程界的廣泛關(guān)注，并開(kāi)始逐步投入生產(chǎn)與應(yīng)用。

1.2 亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

使用亞麻纖維制備水泥基復(fù)合材料始于20世紀(jì)90年代，在這之后，研究人員對(duì)亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的性能進(jìn)行了深入研究，工程應(yīng)用方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。Page 等[36]研究了新拌、硬化狀態(tài)下亞麻纖維水泥基復(fù)合材料特性，隨著亞麻纖維摻量從0.1%（體積分?jǐn)?shù)）增加到0.3%，不同長(zhǎng)度的亞麻纖維（12、24、36 mm）摻加到水泥基材料中，導(dǎo)致新拌水泥漿體的初始流動(dòng)度減少12%～60%，而含氣量有一定程度的增加（圖2）。增加水泥漿體的數(shù)量可改善亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的流動(dòng)性，降低材料含氣量。Page等[37] 使用亞麻纖維取代大麻作為水泥基材料骨料，發(fā)現(xiàn)亞麻纖維替代大麻骨料增加了水泥基復(fù)合材料的密實(shí)程度和力學(xué)性能，但降低了水泥基復(fù)合材料的水吸收率和水吸收系數(shù)。趙帥等[38]研究亞麻纖維水泥基復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著纖維摻量增加，水泥基復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和韌性明顯增強(qiáng)。Fernandez[39]和Page等[36]認(rèn)為，增加亞麻纖維的摻量可明顯提高水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度，但會(huì)減少水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，增加其空隙率（圖3），當(dāng)亞麻纖維摻量為5%時(shí)，亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和彎曲韌性有所提高。Kouta 等[40]研究了亞麻纖維水泥基復(fù)合材料斷裂過(guò)程與破壞機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著亞麻纖維摻量百分比和纖維長(zhǎng)度的增加，亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的聲發(fā)射活性、劈裂強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、變形的峰值和斷裂能進(jìn)一步增加。Bai等[41]證明了亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的失效模式、動(dòng)力抗壓強(qiáng)度、臨界壓縮應(yīng)變、能量吸收能力與應(yīng)變率密切相關(guān)。受限條件下，水泥基材料中摻加亞麻纖維可改善材料抗壓強(qiáng)度、臨界應(yīng)變和韌性。隨著約束壓力的增加，水泥基復(fù)合材料內(nèi)部的裂縫閉合且抗壓強(qiáng)度、臨界應(yīng)變和韌性增加。摻加亞麻纖維可對(duì)抑制水泥基材料干燥收縮，提高材料抗裂性能。徐蕾[42]研究發(fā)現(xiàn)，在水泥基材料中加入亞麻纖維能有效減少水泥基材料的塑性收縮裂縫，當(dāng)亞麻纖維摻量為0.3%（體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，可減少99.5%的水泥基材料裂縫產(chǎn)生和大幅降低裂縫面積。與普通水泥基材料相比，亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的最大裂縫寬度小于0.022 mm，且最大裂縫寬度減少了98.5%。Juarez 等[43]比較了不同體積分?jǐn)?shù)下?lián)郊觼喡槔w維與合成聚乙烯醇纖維的水泥基復(fù)合材料的阻裂效果，結(jié)果表明，2種纖維的摻加有效減少了水泥基復(fù)合材料裂縫長(zhǎng)度、裂縫寬度、裂縫的面積；相同摻量下，亞麻纖維具有與聚乙烯醇纖維類似的抗裂效果（圖4）。Kouta等[44]研究發(fā)現(xiàn)，亞麻纖維能減少水泥基材料早期自由收縮裂縫和收縮應(yīng)變。Ramirez 等[45]研究了偏高嶺土作為輔助膠凝材料對(duì)亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的力學(xué)、耐久性能的影響，結(jié)果表明，28 d干濕循環(huán)后，相同偏高嶺土取代比例下，摻加亞麻纖維的水泥基復(fù)合材料比未摻加纖維的水泥基材料具有更好的力學(xué)性能和更低性能損傷率。Benzarti 等[46]評(píng)估了濕熱條件對(duì)亞麻纖維水泥基復(fù)合材料性能影響，發(fā)現(xiàn)濕熱對(duì)不同齡期亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的劈裂抗拉強(qiáng)度影響不明顯，濕度變化是影響亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的彈性模量、黏結(jié)強(qiáng)度長(zhǎng)期性能的關(guān)鍵因素。

近年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)亞麻纖維水泥基復(fù)合材料與傳統(tǒng)纖維水泥基復(fù)合材料的性能進(jìn)行了比較。Hallonet 等[47]研究了亞麻纖維、玻璃纖維與水泥漿體界面的黏結(jié)行為，結(jié)果證明，亞麻纖維具有與合成纖維相同的界面行為。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，亞麻纖維水泥基復(fù)合材料具有比玻璃纖維水泥基復(fù)合材料更高的初始斜率，其平均抗剪強(qiáng)度-位移曲線遵守非線性規(guī)律，且亞麻纖維有比玻璃纖維有更長(zhǎng)的彈性區(qū)域。Wroblewski 等[48]發(fā)現(xiàn)，荷載-變形曲線中，玻璃纖維呈現(xiàn)了比亞麻纖維更短的彈性區(qū)域，亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的峰值荷載比玻璃纖維水泥基復(fù)合材料的峰值荷載更?。桓邷?、干濕有助于提高2種纖維水泥基復(fù)合材料的峰值荷載，室溫中的亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的荷載-變形比玻璃纖維水泥基復(fù)合材料更明顯；高溫、高濕環(huán)境對(duì)2種纖維水泥基復(fù)合材料的荷載-變形有很大的影響，浸泡在60 ℃熱水中63 d，2種纖維水泥基復(fù)合材料殘余峰值荷載是高溫、干濕條件下纖維水泥基復(fù)合材料樣品峰值荷載的73%和80%，亞麻纖維水泥基復(fù)合材料具有比玻璃纖維水泥基復(fù)合材料稍低的殘余峰值荷載。Chen 等[49]比較了亞麻纖維增強(qiáng)和碳纖維增強(qiáng)的水泥基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能、成本效率和環(huán)境效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)亞麻纖維水泥基復(fù)合材料具有比碳纖維水泥基復(fù)合材料更好的抗折行為，4層亞麻纖維制成的水泥基復(fù)合材料具有比碳纖維水泥基復(fù)合材料更好的力學(xué)性能、更低的成本效率和環(huán)境影響。環(huán)氧樹(shù)脂的使用雖部分抵消了亞麻纖維生產(chǎn)成本和環(huán)境效率方面優(yōu)勢(shì)，但亞麻纖維水泥基復(fù)合材料具有比碳纖維水泥基復(fù)合材料更低的使用成本和環(huán)境影響。Limaiem等[50]比較了壓應(yīng)力作用下亞麻纖維和碳纖維水泥基復(fù)合材料的受限性能，發(fā)現(xiàn)亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的劈裂抗拉強(qiáng)度低于碳纖維水泥基復(fù)合材料，摻加亞麻纖維和碳纖維提高了受限條件下水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變達(dá)240%、175%和7倍、4倍。與碳纖維相比，亞麻纖維顯著提高了受限條件下水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變，使亞麻纖維成為受限條件下水泥基修補(bǔ)材料的首選。Luo等[51]研究了亞麻纖維代替鋼纖維制備鋼筋水泥基梁結(jié)構(gòu)后的力學(xué)性能與環(huán)境性能，發(fā)現(xiàn)使用亞麻纖維環(huán)氧樹(shù)脂增加了鋼筋水泥基梁抗剪承載力、延展性，雖然環(huán)氧樹(shù)脂的負(fù)面影響部分抵消了亞麻纖維環(huán)境優(yōu)勢(shì)，總體上亞麻纖維環(huán)氧樹(shù)脂水泥基復(fù)合材料具有比鋼纖維水泥基復(fù)合材料更佳的環(huán)境友好性。

1.3 改善亞麻纖維水泥基復(fù)合材料性能的方法與途徑

針對(duì)亞麻纖維內(nèi)部不致密、纖維本體強(qiáng)度較低、纖維與水泥界面黏結(jié)性差及摻加亞麻纖維后水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能下降等難題，研究人員嘗試采用亞麻纖維包裹、強(qiáng)堿改性、表面強(qiáng)氧化改性、生物酶改性、表面接枝共聚、硅烷偶聯(lián)劑表面改性等方法對(duì)亞麻纖維進(jìn)行處理，通過(guò)增加亞麻纖維表面的粗糙程度、降低亞麻纖維表面分子間氫鍵和分子間作用力，以達(dá)到提高亞麻纖維在水泥漿體中分散性、增加亞麻纖維與水泥基材料界面黏結(jié)效果的目的[52-54]。Sawsen等[55]研究表明，在亞麻纖維外面包裹水泥漿體和防水劑是降低亞麻纖維吸水性、提高亞麻纖維水泥基復(fù)合材料黏結(jié)性能的好方法，亞麻纖維表面覆蓋堿性的水泥漿體和防水劑可減少外界水進(jìn)入亞麻纖維以及亞麻纖維中水滲透進(jìn)水泥漿體，增加水泥漿體和易性及凝結(jié)時(shí)間，改善亞麻纖維與水泥漿體界面性能，提高亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能。Page等[56] 使用膠凝材料取代改性亞麻纖維水泥基復(fù)合材料中水泥發(fā)現(xiàn)，膠凝材料取代水泥后增加了亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的含氣量，減少了材料的密度。膠凝材料取代水泥雖降低了亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的早期力學(xué)性能，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，摻加膠凝材料的亞麻纖維水泥基復(fù)合材料具有比完全使用水泥制備的亞麻纖維水泥基復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能，膠凝材料取代水泥也降低了亞麻纖維水泥基復(fù)合材料劣化的速度。夏媛媛[57]對(duì)單根亞麻纖維及纖維束進(jìn)行張力堿化處理，研究了張力、處理速率對(duì)亞麻纖維力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)堿化處理可提高亞麻纖維的拉伸強(qiáng)度和拉伸屈服應(yīng)變；改善亞麻纖維內(nèi)部無(wú)定型區(qū)纖維素分子鏈取向，這是堿處理亞麻纖維后亞麻纖維強(qiáng)度提高的主要原因。Sawsen 等[58]發(fā)現(xiàn)，與原始亞麻纖維相比，摻加堿處理的亞麻纖維到水泥基材料有利于改善水泥基復(fù)合材料流動(dòng)度并降低了材料初凝時(shí)間，提高改性亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、靜彈性模量、變形能力，單復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)（圖5）。Gonzalez-Lopez等[59]研究了氫氧化鈉改性亞麻纖維對(duì)鋁酸鈣水泥基復(fù)合材料長(zhǎng)期性能影響，發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉處理亞麻纖維后，減少了亞麻纖維的吸水性，增加了亞麻纖維的劈裂抗拉強(qiáng)度。堿改性亞麻纖維水泥基復(fù)合材料比未改性亞麻纖維水泥基復(fù)合材料有更高的長(zhǎng)期力學(xué)性能。Messaouda等[60]比較了氫氧化鈉濃度對(duì)改性亞麻纖維復(fù)合材料彎曲性能的影響，表明增加氫氧化鈉水平提高了改性亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度、變形能力和抗折模量和彎曲性能（圖6），對(duì)亞麻纖維進(jìn)行堿處理是制備高性能改性亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的好方法。無(wú)機(jī)氧化物處理亞麻纖維可減少亞麻纖維的親水性和吸水性，影響水泥水化反應(yīng)速度，改變亞麻纖維與水泥漿體的界面特性。Boulos等[6162]使用氧化鋯對(duì)亞麻纖維進(jìn)行覆蓋處理后，亞麻纖維發(fā)生礦化反應(yīng)，修復(fù)了亞麻纖維內(nèi)部缺陷，減少了亞麻纖維表面的裂縫；改性亞麻纖維水泥基復(fù)合材料養(yǎng)護(hù)90 d后，與初始的力學(xué)性能相比，未使用氧化鋯處理過(guò)亞麻纖維水泥基復(fù)合材料殘留了41%的力學(xué)強(qiáng)度，使用氧化鋯處理過(guò)的亞麻纖維水泥基復(fù)合材料保留了96%的力學(xué)強(qiáng)度。亞麻纖維上的氧化鋯覆蓋層加速了界面區(qū)的水泥水化反應(yīng)，氧化鋯覆蓋處理亞麻纖維可大幅度提高了水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能。王宏光[63]使用納米TiO2表面接枝改性亞麻纖維，發(fā)現(xiàn)亞麻纖維表面接枝納米TiO2有效地改善了亞麻纖維單絲的力學(xué)性能和環(huán)氧樹(shù)脂的界面黏結(jié)性能，降低了亞麻纖維表面的缺陷；亞麻纖維與環(huán)氧樹(shù)脂形成的納米增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層可充分發(fā)揮納米TiO2 的增強(qiáng)作用，導(dǎo)致納米TiO2 亞麻纖維布的增強(qiáng)效果大于未改性的亞麻纖維布；摻加改性納米TiO2亞麻纖維布還改善了鋼筋水泥基梁抗剪承載力和跨中撓度。Rauf等[64]探索了使用亞麻纖維作為修復(fù)水泥基裂縫的細(xì)菌載體，研究表明，細(xì)菌被附載在亞麻纖維上能有效保護(hù)細(xì)菌脲酶活性，并產(chǎn)生足夠量的碳酸鈣；處理7、28 d后，附載細(xì)菌的亞麻纖維修復(fù)了水泥基材料75%～85%的表面裂縫，即亞麻纖維載體給細(xì)菌提供了更好的保護(hù)作用。Kodal等[65]研究了堿、有機(jī)硅復(fù)合改性亞麻纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能影響，表明堿處理改變了亞麻纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)，有機(jī)硅處理增加了亞麻纖維表面的粗糙程度，使用堿和有機(jī)硅復(fù)合處理亞麻纖維，提高了水泥基復(fù)合材料的拉力與沖擊強(qiáng)度，摻加改性亞麻纖維的水泥基復(fù)合材料具有比摻加未改性亞麻纖維的水泥基復(fù)合材料更大的熱機(jī)械電阻和更低的水解速率。

2 亞麻纖維水泥基復(fù)合材料研究存在的問(wèn)題

目前對(duì)于亞麻纖維水泥基復(fù)合材料已有初步研究與探索，但此領(lǐng)域的研究還存在以下問(wèn)題。①亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的研究主要集中于亞麻纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料的新拌性能、開(kāi)裂性能、力學(xué)性能的影響，而關(guān)于亞麻纖維水泥基復(fù)合材料抵抗外界介質(zhì)的侵蝕能力，特別是潮濕情況下復(fù)合材料長(zhǎng)期性能劣化方面的研究還比較少。相關(guān)研究還停留在材料試件層次，從構(gòu)件層面上研究亞麻纖維水泥基復(fù)合材料性能報(bào)道很少，且未見(jiàn)亞麻纖維水泥基復(fù)合材料大規(guī)模的工程應(yīng)用。②已有亞麻纖維與傳統(tǒng)合成纖維水泥基復(fù)合材料性能的對(duì)比研究，但結(jié)果有不完善與矛盾的地方，需明確亞麻纖維水泥基復(fù)合材料與合成纖維水泥基復(fù)合材料性能上差異。③亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的耐久性與亞麻纖維的空腔結(jié)構(gòu)和親水性相關(guān)，但這方面的研究仍停留在定性的層面，未見(jiàn)有亞麻纖維空腔截面形貌和吸水率定量關(guān)系的研究成果。④纖維水泥基復(fù)合材料中水泥、纖維間的界面是復(fù)合材料薄弱環(huán)節(jié)，界面的結(jié)構(gòu)對(duì)水泥基復(fù)合材料的宏觀力學(xué)行為有重要的影響。亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的界面特性已有少量研究，但還沒(méi)有建立能準(zhǔn)確反映亞麻纖維水泥基材料界面特性的相關(guān)理論。⑤現(xiàn)有亞麻纖維改性方法，只強(qiáng)調(diào)改善亞麻纖維與水泥漿體界面的黏結(jié)性，亞麻纖維本身的力學(xué)性能沒(méi)有顯著的提高，這導(dǎo)致亞麻纖維表面改性效果不明顯。制約了改性亞麻纖維水泥基復(fù)合材料在工程中的應(yīng)用。

3 亞麻纖維水泥基材料發(fā)展趨勢(shì)

3.1 研究反映潮濕條件作用下水泥基材料力學(xué)性能損傷與演化規(guī)律

已有亞麻纖維水泥基材料力學(xué)性能的指標(biāo)不能準(zhǔn)確反映潮濕條件下水泥基復(fù)合材料性能劣化的程度，應(yīng)進(jìn)一步研究在三軸應(yīng)力狀態(tài)下，潮濕條件對(duì)亞麻纖維水泥基復(fù)合材料長(zhǎng)期性能損傷程度的影響規(guī)律。結(jié)合不同濕度條件下亞麻纖維水泥基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律， 揭示不同損傷程度下亞麻纖維水泥基復(fù)合材料力學(xué)特性，為開(kāi)展亞麻纖維水泥基水工結(jié)構(gòu)物安全評(píng)估和預(yù)測(cè)分析打下堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

3.2 天然亞麻纖維在實(shí)際工程中的應(yīng)用研究

加強(qiáng)亞麻纖維水泥基復(fù)合材料長(zhǎng)期劣化性能演化規(guī)律研究，并與摻加聚丙烯纖維的水泥基復(fù)合材料性能對(duì)比，探索亞麻纖維替代聚丙烯纖維制備纖維水泥基復(fù)合材料可能性。建立室內(nèi)加速實(shí)驗(yàn)與實(shí)際亞麻纖維水泥基復(fù)合材料應(yīng)用性能的相關(guān)性，開(kāi)展亞麻纖維水泥基復(fù)合材料的現(xiàn)場(chǎng)暴露性試驗(yàn)，突破亞麻纖維水泥基復(fù)合材料在實(shí)際使用中存在的難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)。

3.3 有關(guān)亞麻纖維微觀形貌研究

觀察亞麻纖維單絲截面形貌，驗(yàn)證亞麻纖維空腔結(jié)構(gòu)，分析亞麻纖維在硬化水泥漿體中的形貌，開(kāi)展亞麻纖維空腔結(jié)構(gòu)和亞麻纖維吸水性相關(guān)性研究，建立亞麻纖維力學(xué)性能和亞麻纖維吸水率的定量關(guān)系，為建立亞麻纖維水泥基復(fù)合材料界面理論打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.4 提出新型、高效的亞麻纖維改性方法

從提高亞麻纖維本體強(qiáng)度、亞麻纖維和水泥基材料界面黏結(jié)性2方面出發(fā)，探索新的改善亞麻纖維水泥基復(fù)合材料性能的方法。研究既能填充亞麻纖維的內(nèi)部空隙，使得亞麻纖維結(jié)構(gòu)密實(shí)，又能提高亞麻纖維本體剛度的亞麻纖維改性方法。制備的改性亞麻纖維水泥基復(fù)合材料除了具有良好分散性能和體積穩(wěn)定性外，還具有良好的綜合力學(xué)性能。

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（責(zé)任編輯：張冬玲）

基金項(xiàng)目：西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（2006ZB01-2）；金陵科技學(xué)院博士啟動(dòng)項(xiàng)目（JIT40610042）。