纤维对脱硫建筑石膏性能的影响

欧阳辰

济南大学山东省建筑材料制备与测试技术重点实验室 山东 济南 250002

1 背景与意义

近年来，随着我国开展了大规模的基建运动，居民的居住条件得到大幅改善，城乡居民的人均居住面积从不足7m2分别增加至40m2和49m2，明显高于日韩，仅次于英美等国[1,2]。然而，频繁开展的基建运动和城市扩容更新过程往往伴随着建筑材料的大量消耗，也带来了能源消耗与环境污染等问题[3,4]。选用合适的建筑材料解决建材生产和建筑施工领域的高能耗、高污染等问题已经迫在眉睫。

相比于水泥120kg标准煤/吨和实心黏土砖的600kg标准煤/万块标准砖的生产能耗，建筑石膏以不足40kg标准煤/吨的生产能耗在能源经济性方面的优势尤为明显。当前天然石膏在开采、运输过程中带来的生态破坏和地表沉降等问题已经引起了重视，而脱硫石膏作为年产量最高的工业副产石膏，具有堆积量大、利用率提升空间大和低生产成本等优点使其成为建筑石膏生产的主要原料来源。脱硫石膏建筑石膏及其制品在生产施工过程中的低能耗、低排放等的特点，符合节能减排的要求以及“碳中和”的新型环保理念，有利于实现在经济效益、社会效益和环境效益方面的三赢。

2 研究现状

作为绿色建筑材料的石膏尽管拥有众多优点，但石膏自身性能存在着诸多缺陷限制了其在建筑和建材领域的进一步应用。相比水泥等胶凝材料，石膏的强度偏低、抗冲击性较差、易吸水而且耐水性不佳。另外，石膏与水泥同属脆性材料，韧性较差，在材料失效方式方面往往表现为脆性断裂，应力达到峰值后残余应力迅速归零，并未出现明显的应变硬化或应变软化现象。因此，纯石膏难以在物理、力学等性能方面胜任建筑材料的要求。

针对石膏、水泥等胶凝材料强度低、韧性差等特点，掺加纤维是有效的改性方式：纤维的掺入可通过抑制材料中微裂纹的产生和裂纹的发展来发挥对基体材料的强度、韧性和弹性模量等力学性能的提升作用。

金属纤维、有机合成纤维等传统纤维尽管凭借自身优异的力学特性能够较大幅度地提升复合材料的强度、韧性，但也带来了生产能耗高、成本高、大气与水体污染等问题。相比之下植物纤维具有成本低、原料来源广、取材方便、生产过程绿色环保且可自然降解等优点，成为纤维增强复合材料的一个古老又崭新的研究方向。

黄麻纤维属于植物韧皮部纤维，主要成分为半纤维素、纤维素、木质素以及少量的果胶等。黄麻纤维相比人造纤维，不仅拥有成本低、密度小和弹性佳等优势，而且具有较好的吸声性能和一定的抗菌性，在汽车吸声、家居服饰用料、建筑材料增强等领域被广泛应用。此外，由于黄麻纤维属于绿色植物纤维，不会对大气、水体、人体产生污染与毒害，取材方便，而且相比剑麻纤维等其他植物纤维在原料成本和可加工性等方面具有明显优势，因此可视为理想的增强体材料。

无机纤维、金属纤维和聚合物纤维拥有较高的抗拉强度、弹性模量和较大的比表面积，在合适的纤维掺量下能够有效提升石膏的力学强度、弹性模量、韧性以及抗裂性能，纤维在基体材料中主要通过减少裂纹的产生、抑制裂纹的扩展以及桥接裂纹传导载荷等机制来实现对材料力学性能的提升。

要想获得具有优良力学性能的纤维增强石膏，作为增强体材料的纤维必须满足低密度、高弹性模量、高拉伸强度以及相对稳定的化学性能等基本条件。PVA(聚乙烯醇)纤维是一类能符合上述条件且能与基体材料之间良好结合的高性能聚合物纤维。

PP(聚丙烯)纤维也属于有着轻质、高强、低成本等优势的有机聚合物纤维，不同于属亲水性的PVA纤维，PP纤维属于憎水纤维。重庆大学的Zhu等人的研究团队系统地对比分析了PP纤维和PVA纤维对建筑石膏的水化反应、流动性和力学强度的影响，发现PP纤维由于表面不像PVA纤维那样含有众多的亲水基团，因此掺入PP纤维的石膏浆料在纤维体积掺量较高时仍能较好地保持流动性，但PP纤维增强石膏相应的抗压、抗折强度与断裂韧性均显著低于PVA纤维增强石膏。

聚烯烃纤维是包含乙烯、丙烯等多种烯烃单体的共聚物纤维，拥有光滑的表面和较高的弹性。Suárez等采用PP纤维(31μm)与两种不同的聚烯烃纤维(0.92 mm)，来探究聚合物纤维对石膏断裂性能的影响，发现在较细的PP纤维掺入后，石膏的载荷在达到峰值载荷后不再迅速归零，而是保持着一定的残余应力，纤维掺量为10kg/m3的石膏试样比纤维掺量5kg/m3的试样拥有更大的残余应力，采用长度较短的聚烯烃纤维增强的石膏复合材料的荷载-位移曲线与聚丙烯纤维增强石膏相类似。然而，随着聚烯烃纤维长度的增加，石膏的应力在达到第一个峰值后继续增加，在挠度为2mm时所对应的第二峰值应力几乎为第一峰值应力的2倍。

金属纤维作为拥有高抗拉强度、高弹性模量和高熔点的功能性纤维，被广泛用于尾气进化和建材增强，常见的金属纤维包括钢纤维、镍纤维和铝纤维等。由于钢纤维的密度较大，在浆体中易沉降，因此有必要选取密度较低的金属纤维并探究低密度金属纤维对石膏性能的影响。阿米尔卡比尔理工大学的Zargarnezhad和Mohandesi选用不同长度(6mm、9mm、12mm)短切铝纤维，将纤维呈随机分布取向与石膏混合成型，并与经过阳极化处理的铝纤维增强石膏进行性能对比。实验结果表明在纤维掺量较低时，纤维越长，相应的拉伸强度越高，但随着纤维掺量的增大，不同纤维对拉伸强度的增强效果趋于一致。经阳极化处理的铝纤维对石膏强度并不存在进一步的提升，但能让试样强度不过快下降。

进入新世纪以来，随着对材料结构研究的进一步深入和材料设计加工技术的进步，无机非金属纤维由于具有优异的力学性能和对恶劣环境较好的耐受性因而受到更多研究者的青睐。对于无机非金属纤维这一概念的定义较为广泛，包括了碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和无机非金属纳米纤维等。

昆明理工大学的赵彬宇等人用Origin软件对掺入了不同长度碳纤维的磷建筑石膏的抗压/抗折强度的实验结果进行了相关函数的拟合，并绘制出曲线辅以分析，所得出的结论如下：石膏的干抗压、抗折强度均随纤维体积掺量的增加呈现出先增大后减小的变化规律，较长的纤维由于与石膏之间存在更大的界面粘合力与机械锁合力，不易拔出，因此能更好地提升石膏的抗折强度。

玄武岩纤维作为我国重点发展的四大纤维之一，具有强度高、耐酸耐碱、在极端条件下仍能保持自身的力学性能等特性，被广泛用于水泥基和石膏基材料的改性增强。在提升石膏的耐水性能方面，使用玄武岩纤维来提升石膏的耐水性的效率较低。

硅灰石纤维作为偏硅酸盐纤维的一种，其特殊的晶体结构赋予了纤维良好的绝缘性和耐高温性能。张鑫等研究了不同长径比(13、15、20)的硅灰石纤维对建筑胶凝材料性能的影响，发现硅灰石纤维的掺入使得石膏抗压强度的一路降低，而石膏的抗折强度随着长径比为13、15、20的纤维掺量的增加分别增加至3.3MPa、3.7MPa和3.5MPa的最高抗折强度，并在纤维掺量超过1.5wt%后开始急剧下降，长径比为15的硅灰石纤维能够发挥最好的抗折增强效果。

玻璃纤维作为石膏制品的主流增强纤维之一，玻璃纤维繁多的种类和较优的力学性能让其在纤维增强复合材料中具有较高的研究价值。Martias等采用AR玻璃纤维和E玻璃纤维作为石膏基复合材料的增强体，发现AR玻璃纤维仅能将石膏的抗折强度提升3~5%，而E玻璃纤维增强石膏的抗折强度相比空白组反而减少了1%。在石膏的弹性模量方面，玻璃纤维的掺入会损伤石膏的弹性模量。

由于传统合成纤维生产过程中存在的能耗高、污染大以及对人体健康存在不利影响，因此有必要选择合适的植物纤维作为增强材料的替代品。目前已经有部分合成纤维被天然纤维所取代，相比于传统纤维，植物纤维具有低成本、易加工、无毒无害等特性，是理想的替代或半替代品。

麻纤维是分布于植物的茎秆与韧皮部位中的植物纤维束，包括黄麻纤维、剑麻纤维、大麻纤维、蕉麻纤维和苎麻纤维等，拥有较强的吸湿、保温性能，被广泛用于纺织、造纸等领域。

黄麻纤维价格低、吸声性强、生产过程无污染且具有一定的力学性能，是理想的绿色纤维增强材料。邵孝洵发现适当增加黄麻纤维的掺量能够提高石膏刨花板的强度，但过多的黄麻纤维反倒会对石膏板的断裂模数和强度产生不利影响。3mm长的黄麻纤维在合适的掺量下能提升石膏板的胶合强度，而掺入12mm长黄麻纤维的石膏板拥有最高的断裂模数值。

大麻纤维由于具有对生长环境的要求不高、生长周期短以及高产量等特性被视为拥有广泛应用前景的天然纤维增强材料。为克服短切纤维增强石膏存在的诸多缺陷，Boccarusso等人使用大麻纤维织物与石膏制备相应的复合材料，通过改变纤维在石膏中的分布位置和纤维面密度来研究大麻纤维织物对石膏性能的影响。结果表明：大麻纤维织物增强石膏基复合材料的力学性能优于短切大麻纤维增强石膏；同时，使用两层纤维织物在基体中呈上下分布的石膏试样的抗折强度最高，达到了6.74 MPa；在衡量石膏抗冲击性能的断裂吸收能方面，纤维织物能使石膏断裂吸收能从空白试样的9.3J增加至单层纤维增强石膏的31.47J和双层纤维增强石膏的39.72J，分别增加了2.4倍和3.3倍。

产自菲律宾的马尼拉麻纤维不仅耐海水腐蚀，强度上也是植物纤维中的佼佼者。Iucolano等人使用马尼拉麻纤维作为石膏基复合材料的增强材料，并采用自来水、NaOH溶液和NaOH+EDTA混合液浸泡等方法对马尼拉麻纤维进行改性，并对改性后的纤维和纤维增强石膏进行了力学性能测试，获得的结论如下：1)水浸处理是提升纤维在纤维拔出-拉伸试验中的最大拉伸载荷的最有效的处理方法，能将对应载荷从2.4N提升至4.42N；2)单纯的马尼拉麻纤维增强石膏的抗折强度相比空白试样难以有效提升。

与黄麻纤维类似，剑麻纤维拥有的可比强度高、成本低、回收性好等优势因此被考虑为理想的天然纤维增强材料。Al-Ridha等将长度为10mm和30mm的剑麻纤维与石膏干混均匀后与水混合成型，成型后的试样经养护后测其力学性能。测试的结果表明纤维掺量为1wt%的石膏复合材料的抗压强度明显高于纤维掺量为2wt%的石膏复合材料，而长度为30mm的剑麻纤维在掺量为1wt%时可使石膏的抗压强度取得最大值(17.22MPa)。

秸秆是农作物收获后残留的茎叶部分，我国每年的秸秆产量就在7亿吨以上，目前尚未有较系统的秸秆回收利用方案。秸秆纤维被用作石膏、树脂基材料中的增强材料。

竹纤维作为六大天然纤维中的一类，杀菌性好于木纤维，其比强度和比模量甚至优于玻璃纤维。Xie等用竹原纤维作为水泥基材料的增强体并对比了空白组和掺加4~16wt%竹原纤维的水泥基材料的力学性能，发现虽然竹原纤维难以提升水泥材料的抗弯强度，但竹纤维增强试样的载荷达到峰值后下降较为缓慢，说明竹原纤维的加入增加了复合材料的延展性，并且竹原纤维能将材料的挠度和断裂韧性分别提升至原来的3.5-22倍和3.7-46.9倍。

椰壳纤维的主要由木质素、纤维素和果胶等组成，椰壳纤维由于其价格低廉、弹性好和抗震性佳等特点被广泛用于汽车座椅和纤维增强胶凝材料等领域。黄小琴等以椰壳纤维作为增强体，将水灰比分别设置为1和0.8，来探究水灰比和椰壳纤维掺量对水泥砂浆性能的影响。相关的实验结果表明：复合材料的密度和抗压强度均随着纤维掺量的增加而急剧降低，但水泥砂浆的抗折强度却相对平缓。此外，将椰壳纤维置于开水中煮沸后再与水泥、细骨料和水成型，可令砂浆的力学强度得到进一步的提升。

3 未来的研究方向

传统建筑材料存在能耗高、污染大等缺点，在节能减排的要求下以及随着“碳达峰，碳中和”等新型环保理念的普及，大量应用高能耗高污染的建筑材料显得更加不合时宜。采用生产成本低、堆积量大的脱硫建筑石膏，并且使用成本较低、无污染的黄麻纤维用于石膏的增强增韧符合绿色建筑的理念。

今后的主要研究方向可以集中在如下几个方面：首先，改性黄麻纤维、黄麻纤维与其他纤维组成的混掺纤维可以用于石膏增强，侧重于增强材料的力学性能；其次，可以协同利用工业生产的过程中产生的大量固体废弃物，如电石渣、粉煤灰和煤矸石等，采用部分工业固体废弃物+脱硫建筑石膏组成的复合建筑胶凝材料既可以降低部分成本又可以实现固体废弃物的资源化利用。第三，由于部分纤维属于天然纤维，其性能与植物的生长环境密切相关，即使是产于不同地区的同种植物纤维在物理、力学性能方面或许存在显著差异，因此有必要针对来自不同产地的植物纤维对石膏性能的影响进行实验探究并综合分析，尝试总结出一般性的规律。