随着人类对资源保护意识的提高，石油、煤炭等不可再生资源在能源分配中的占比正逐渐改变，开发与利用水能、风能、太阳能等可再生资源也已成为世界各国的热点。中国具有丰富的水资源，但其在时空上分布并不均衡，为了将水资源充分利用并造福人类，需要人为地将水资源存储在水库、池塘等人工构筑物中。混凝土因具有良好的抗压和耐腐蚀能力，成为水工结构的重要材料，然而混凝土具有抗拉强度低的缺点，在大型水利水电工程的建造中，会对其结构影响重大。目前，水工结构中传统建筑材料的使用仍占大部分，而这些材料在其生命周期内不仅消耗大量能源，还会对环境造成危害。

生产传统波特兰水泥（Ordinary Portland Cement,OPC）所排放的二氧化碳约占全球温室气体排放量的8%[1]，成为了全球气候变暖的重要因素之一。近年来，地质聚合物作为新一代的胶凝材料备受关注，它是由法国科学家Davidovits[2]命名的一种无机合成聚合物，是铝硅酸盐前驱体经碱性或酸性活化而合成的一种胶凝材料，有着优秀的力学性能和耐久性。其中铝硅酸盐前驱体的来源大多是工业副产品，包括偏高岭土、粉煤灰和炉渣等，使地质聚合物成为绿色环保的可持续性材料。

与OPC相比，地质聚合物的抗弯和抗拉性能较低，限制了其应用。研究表明，添加纤维可以有效改善地质聚合物的脆性[3-4]。目前，主要使用的纤维包括钢纤维、无机纤维、合成纤维和天然纤维等，其中，天然纤维与其他类型的纤维相比具有来源广泛、经济环保等优点。天然纤维分为植物纤维、动物纤维、矿物纤维，植物纤维主要由纤维素（40%～60%）、半纤维素（20%～40%）和木质素（10%～25%）构成[5]，纤维素可以使得地质聚合物结构更加致密，而其他成分会对NFRGC的力学性能和耐久性产生负面作用，在掺入天然纤维前往往需要对天然纤维进行预处理，以除去其他多余成分。因其获取过程方便，成为最常见的一种天然纤维。

本文将介绍天然纤维的预处理方式，并归纳总结天然纤维掺量与其化学成分对地质聚合物工作性能、力学性能、耐久性能的影响，为提升天然纤维增强地质聚合物复合材料（Natural Fiber Reinforced Geopolymer Composites,NFRGC）的各项性能提供依据，并为未来的研究发展提供建议。

1、天然纤维预处理

天然纤维的主要化学成分为纤维素、半纤维素、木质素和其他杂质，其具有较强的吸水性，主要是因为天然纤维中除纤维素以外的化学成分中存在羟基团，这些羟基团易吸水进而影响NFRGC的力学性能和耐久性。此外，半纤维素在碱性环境中易发生降解，过程中释放的羧酸会弱化地质聚合物的碱性环境。因此，使用天然纤维前往往需要对天然纤维进行预处理，如碱处理、热处理和生物处理等，以去除表面的杂质和有害物质。

碱处理是指将天然纤维浸泡在特定的碱溶液中，以促进可降解物质提前沉淀，减弱其对地聚合反应的影响，使纤维表面更粗，从而使纤维与基体粘结良好，目前最常用的碱溶液是氢氧化钠水溶液[6]。Zhou等[7]研究了未经处理的棉杆纤维和在10wt%NaOH溶液中浸泡48h的棉杆纤维对地质聚合物力学性能的影响，结果表明与未处理的NFRGC相比，经过碱处理的NFRGC 28天抗压强度和弯曲强度分别提高了4.8%和11.5%;Lazorenko等[8]的研究表明使用1 wt%未经处理和经过30min的5 wt%NaOH溶液浸泡以及30min的超声处理的亚麻短纤维，NFRGC的抗弯强度分别了提升22%和35%。除了使用NaOH溶液浸泡进行碱处理的传统方法以外，研究人员也对其他方式以及不同的碱性溶液的效果进行了研究。Suwan等[9]通过调整碱激发剂中NaOH的模数，研究了天然纤维在不同碱度的地质聚合物环境下进行自处理的可行性，结果表明使用较低模数的碱激发剂可以较好地实现天然纤维增强地质聚合物的自处理。这虽然导致了抗压强度的降低，但是抗冲击性能得到了增强，且可以缩短NFRGC的制备过程，降低了经济成本。Zhou等[10]将大麻纤维在2wt%Ca(OH)2溶液中浸泡14h，处理后的大麻纤维增强复合材料的抗压强度、抗拉强度和断裂韧性分别比未处理的纤维复合材料高10%、17%和7%～13%。

热处理是使天然纤维在温度作用下发生化学和物理变化。李敏雯等[11]发现通过对药渣纤维进行热处理可以有效去除纤维表面的羟基团，降低纤维的吸水性，且经过热处理的纤维增强复合材料的流动性、均匀性和力学性均能得到明显提高。

生物处理是指利用从动物、植物或微生物中获得的酶、真菌、细菌等，选择性地从天然纤维中去除非纤维素成分。George等[12]的研究表明木聚糖酶和聚半乳糖醛酸酶能有效去除半纤维素和果胶物质，使得天然纤维增强复合材料具有较好的耐热性和耐水性。

不同的预处理，最后均通过改变天然纤维的表面结构以追求更好的相容性，其中使用热处理和生物处理的天然纤维尚未广泛应用于地质聚合物，而碱处理以便捷、经济、高效等优势成为目前制备NFRGC时最常用的天然纤维预处理方法。

2、工作性能

NFRGC需要有合适的工作性能才能保证实际工程中的使用，包括流动性和凝结时间。本节将总结天然纤维对地质聚合物工作性能的影响。

2.1 流动性

NFRGC的流动性可以通过坍落度、流动度等方式进行测量。常见的天然纤维包括韧皮纤维、草本纤维、种子纤维、果实纤维等。Wongsa等[3]研究了椰子纤维对地质聚合物流动性的影响，结果表明，随着椰子纤维掺量从0.29wt%增加到0.58wt%，流动度从97%降低至55%，低于不掺加纤维对照组的132%;Silva等[4]的研究表明，NFRGC的流动度随着黄麻纤维和剑麻纤维掺量的增加而下降，且黄麻纤维相较剑麻纤维有着更高的长径比，因此流动性下降幅度更大；Gholampour等[13]的研究表明，掺量为0.66wt%剑麻纤维、0.54wt%竹纤维和0.59wt%苎麻纤维的NFRGC的流动性相较于普通地质聚合物分别降低了12%、29%和21%，且当苎麻纤维的含量从0.59wt%增加到1.17wt%时，流动性进一步下降了19%;Abbas等[14]测试了红麻纤维的长度和掺量对地质聚合物流动性的影响，结果表明，当纤维长度为20mm时，纤维掺量从0.43wt%增加到0.85wt%时，坍落度从50mm降低到37mm，且在体积分数一定的情况下，20mm纤维相对于30mm和40mm纤维对流动性的影响较小；Ozcelikci等[15]发现，当废木纤维掺量为0.7wt%、1.4wt%、2.08wt%和2.75wt%时，与对照组相比，流动度分别降低了5.96%、9.93%、13.91%和18.54%。

综上可知，各类天然纤维的加入均会使得地质聚合物的流动性降低，且这种降低趋势随着掺量的增加而增加，如图1所示。加入天然纤维导致地质聚合物流动性降低的原因可能有以下几点：①天然纤维大多具有强吸水性，使天然纤维吸收地质聚合物中的游离水，从而阻碍流动浆体的形成；②天然纤维的粗糙表面和不规则条纹增加了与地质聚合物的粘结强度，产生了内摩擦；③天然纤维相互之间可能出现团聚结块的现象。

2.2 凝结时间

目前关于纤维掺量对地质聚合物凝结时间影响的研究，不同学者给出了不同的结论。Lin等[16]的实验表明，NFRGC的凝结时间随着木纤维掺量的增加而增加，当加入7.8wt%木纤维时，凝结时间相较普通地质聚合物延长了4.3h。然而，Duan等[17]的实验却表现出相反的趋势，同样使用木纤维，但实验结果表明凝结时间随纤维掺量的增加而减少，当木纤维掺量为20wt%时，凝结时间缩短2.9h。

图1 天然纤维掺量与地质聚合物流动度的关系

造成这种情况的原因可能是天然纤维吸水性强，吸收了基体中的游离水，降低了水灰比，而凝结时的温度升高，导致凝结时间缩短。另一方面，半纤维素和木质素的降解导致了地质聚合物碱性环境的减弱，使地聚合反应速率降低，地质聚合物凝结时间延长。不同研究中使用了不同的地质聚合物前驱体、碱激发剂浓度、水灰比，这些因素决定了两者影响的相对强弱，从而导致了不同的结论。然而，目前关于纤维掺量对于地质聚合物凝结时间影响的研究较少，还需进行更多的实验研究以发现其中规律。

3、力学性能

NFRGC的力学性能对其最终应用会产生重要的影响。天然纤维掺量和种类对NFRGC的力学性能均有影响。

3.1 纤维掺量对地质聚合物力学性能的影响

3.1.1 抗弯强度

在地质聚合物中加入天然纤维的主要目的是增加地质聚合物的韧性以提升抗弯强度，使破坏形态从脆性破坏转为塑性破坏。图2为天然纤维掺量与地质聚合物抗弯强度的关系曲线图，可以看出天然纤维的质量分数掺量范围基本在0%～8%之间。在各实验研究中，加入天然纤维后抗弯强度得到了提升，然而随着天然纤维掺量的提升，不同研究人员得出了不同的结果。Silva等[4]的实验结果表明，分别添加了黄麻纤维和剑麻纤维的两组NFRGC的抗弯强度随着纤维掺量的增加而增加，且在可加工性限制范围内未观察到下降的趋势，当黄麻纤维和剑麻纤维掺量分别为2wt%和3wt%时，NFRGC的抗弯强度相较普通地质聚合物分别增加329%和360%。Lin等[16]的研究也表现出相同趋势，随着木纤维掺量从0wt%增加至7.8wt%，抗弯强度从4.89MPa增加至10.34MPa。赵欣等[18]的结果表明，当棉花秸秆纤维掺量从0wt%增加到0.7wt%时，抗弯强度从1.4MPa增加到3.7MPa，之后继续增加纤维掺量到1.0wt%时，抗弯强度便明显下降至1.3MPa。聂嘉昕等[19]的研究也表现出类似情况，地质聚合物的抗弯强度随着小麦秸秆纤维掺量的增加呈先增大后减小的趋势，当纤维掺量为3wt%时抗弯强度达到最优。这是由于当掺量在适当范围内时，天然纤维可均匀地分布在地质聚合物中，与地质聚合物有较好的相互作用，纤维的桥接作用使基体内的应力能有效地传递到纤维，纤维脱粘和拉出时也有效地吸收了能量，防止微裂纹进一步发展。而当纤维掺量超出适当范围时，纤维可能发生团聚，对于基体间的粘结造成了负面影响，形成了结构缺陷，导致抗弯强度下降[20]。

图2 天然纤维掺量（wt%）与地质聚合物抗弯强度的关系

3.1.2 抗压强度

目前，多数研究证明天然纤维的加入可以有效提升地质聚合物的抗弯强度，但对于抗压强度的影响，不同研究表现出不同的结果。

图3为纤维掺量和地质聚合物抗压强度之间的关系，可以看出，在一些研究中，抗压强度随着纤维掺量的增加呈先增加后减小的趋势，而另一些研究则表明，纤维的加入对抗压强度起负面效果，抗压强度随着纤维掺量的增加而减小。

图3 天然纤维掺量（wt%）与地质聚合物抗压强度的关系

Wongsa等[3]的实验结果中，加入了0.35wt%剑麻纤维和0.29wt%椰子纤维，NFRGC的抗压强度均高于普通地质聚合物，但纤维掺量继续提高后，抗压强度便开始下降，且椰子纤维的下降幅度更大。同样的结论出现在Silva等[4]的研究中，加入了黄麻纤维和剑麻纤维的NFRGC的抗压强度均随着纤维掺量的增加呈先增加后减少的趋势，且分别在纤维掺量为1.5wt%和2.5wt%时达到最高。与这类情况相反，在Lin等[16]的研究中，木纤维的加入降低了抗压强度，且降低程度随着木纤维的增加而增大，与普通地质聚合物相比，在养护7d时，7.8wt%木纤维掺量的NFRGC抗压强度降低了22.4%。Abbas等[14]认为加入红麻纤维的NFRGC的抗压强度受纤维长度和掺量的影响较大，随着纤维长度和掺量的增加，抗压强度逐渐减小。以上不同研究人员给出不同结论的原因可能包括不同的配合比设计、纤维预处理方式、固化条件甚至是试件的大小。

3.2 天然纤维成分对地质聚合物力学性能的影响

除纤维掺量外，不同种类天然纤维的不同化学组成也会对NFRGC的力学性能产生影响。

不同种类的天然纤维，其纤维素、半纤维素和木质素的含量存在差异，其中纤维素含量越高，力学性能越好，而半纤维素和木质素在高碱性环境下降解，使地质聚合物性能降低。Ye等[21]研究了天然纤维中化学成分对NFRGC力学性能的影响，结果表明纤维素与地质聚合物之间有较好的结合，且随着纤维素含量的增加，地质聚合物的结构更加致密，对力学性能起正面作用；半纤维素在地聚合过程中会生成羧酸，从而削弱地质聚合物的碱性环境，延缓地聚合反应速率；木质素会降低纤维和地质聚合物之间的粘结强度，从而对力学性能造成负面影响。因此，在地质聚合物中加入天然纤维时，通常要对天然纤维进行预处理，尽量除去表面的半纤维素和木质素，增强地质聚合物的力学性能[22]。图4为几种天然纤维的纤维素含量[23-24]，可以看出在常见的韧皮纤维、草本纤维、种子纤维、果实纤维这几类天然纤维中，几种代表性纤维均有50%以上的纤维素含量，表明这些天然纤维都是良好的地质聚合物增强材料。

图4 几种常见纤维中各化学成分含量

4、耐久性

孔隙度是影响地质聚合物耐久性的重要因素之一，在地质聚合物中添加适量的天然纤维可有效改善地质聚合物的微观结构，增加耐久性。目前，研究表明掺入天然纤维可改善地质聚合物的耐久性，包括抗氯离子渗透、耐硫酸盐侵蚀、抗干湿循环、耐高温等。Abbas等[25]的实验结果表明，与普通地质聚合物相比，加入0.43wt%和0.57wt%的红麻纤维使得NFRGC的氯化物渗透深度分别降低了约20.9%和25%，且表现出较好的耐硫酸盐和耐酸性能，但当纤维掺量继续增加时，由于纤维团聚造成孔隙率增加，NFRGC的抗氯化物渗透性能、耐硫酸盐性能和耐酸性能均开始下降。这是因为适量的红麻纤维在地质聚合物内部形成网格结构，阻止了有害颗粒进入基体，提高了地质聚合物的耐氯化物、耐硫酸盐和耐酸性能，然而过量的纤维在地质聚合物内部分布不均，影响了纤维与基体的粘结，增加了NFRGC的孔隙率，导致其耐久性下降。Yanou等[26]的实验表明，加入3wt%甘蔗渣纤维的NFRGC在经历20次干湿循环后，质量损失率为3.07%、抗压强度下降3.29%，而普通地质聚合物的质量损失率为4.5%、抗压强度下降7.52%，说明甘蔗渣纤维增强了地质聚合物的耐干湿循环性能。Alomayri等[27]的实验表明，在600℃的情况下，普通地质聚合物出现严重的开裂，而加入了棉纤维的NFRGC并未观察到裂缝。这是因为在高温情况下，膨胀的水蒸气难以在低孔隙率的基体中释放，使基体内具有更高的应力，而天然纤维在高温下通常会发生降解，进而增加了NFRGC结构的孔隙度，减小了水蒸气对结构造成进一步损伤。

由于天然纤维在碱性环境下会发生降解，导致纤维和地质聚合物基体的粘结性变弱，界面结合处可能出现空隙。为优化这一现象，可以通过添加使用纳米材料以改善孔隙结构。

5、总结与展望

(1）添加各种类型的天然纤维，均会导致流动性降低。目前不同研究人员给出了不同的结论，说明纤维对于地质聚合物凝结时间的影响需考虑多方面因素。

(2）加入天然纤维的主要目的是增加地质聚合物韧性以提升抗弯强度，在适量的掺量范围内，抗弯强度随着天然纤维掺量的增加而增加。而过量的纤维会因为纤维团聚而对力学性能造成负面影响。

(3）天然纤维中的主要化学成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素对力学性能起正面作用，而半纤维素和木质素对力学性能起负面作用，因此需要对天然纤维进行预处理以除去半纤维素和木质素。

(4）适量的天然纤维可以增加地质聚合物各项耐久性，如抗氯离子渗透、耐硫酸盐侵蚀、抗干湿循环、耐高温等。同时，可以通过加入纳米材料或对天然纤维进行表面处理进一步改善孔隙结构。

(5）在其他类型纤维的研究中，不同纤维的混合使用往往会使复合材料产生更好的性能。目前对于混合使用天然纤维增强NFRGC的研究还较少，未来可对多种类混掺纤维的NFRGC进一步研究。

参考文献:

[11]李敏雯,温文杰,张钦发,等.热预处理对药渣纤维/PP共混材料的性能影响[J].包装工程,2017,38(19):82-86.

[18]赵欣,周博宇,赵献辉,等.棉花秸秆增强地聚物韧性的影响因素研究[J].硅酸盐通报,2018,37(12):3758-3763.

[19]聂嘉昕,牛相杰,王肖凯,等.植物纤维增强地质聚合物材料力学性能研究[J].山东化工,2024,53(2):73-75+81.

基金资助:2024年辽宁省教育厅高等学校基本科研项目(LJ212410154032);2024年辽宁省属本科高校基本科研业务费专项资金资助(LJZZ222410154008);2024年辽宁工业大学大学生创新创业训练计划省级项目(S202410154015);

文章来源:陈秀敏,章文姣,陈涛.天然纤维增强地质聚合物复合材料的研究进展[J].吉林水利,2024,(11):73-78.