青稞纖維表面改性及其對(duì)生態(tài)混凝土力學(xué)性能的影響

趙玉青，王建翎

（1.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，鄭州 450011；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150090）

0 引 言

青稞屬禾本科，是青藏高原的獨(dú)有物種和最具高原特色的農(nóng)作物之一，它耐瘠薄和高寒，生長(zhǎng)周期短，早熟高產(chǎn)，在青藏高原地區(qū)原料豐富，適應(yīng)性廣。以西藏為例，西藏青稞年種植面積12.31 萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量44.66 萬(wàn)t［1］。作為植物纖維的一種，青稞秸稈內(nèi)的青稞纖維具有取材方便、價(jià)格低廉、斷裂強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)天然高分子物質(zhì)，纖維結(jié)構(gòu)緊密，有良好的韌性和抗拉強(qiáng)度。但青稞秸稈中纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等往往緊緊地混合在一起，很難進(jìn)行分離，而青稞纖維中只有纖維素能對(duì)混凝土起到增強(qiáng)增韌的作用，如何對(duì)青稞纖維進(jìn)行表面改性處理，從中最大限度地提純纖維素成為了亟需解決的問(wèn)題。

目前，植物纖維素分離技術(shù)主要有物理處理法、化學(xué)處理法、生物處理法、組合法等，物理改性方法主要包括熱處理、蒸汽爆破處理、等離子體處理和高能射線輻照處理等，雖然物理方法對(duì)植物纖維本體的破壞很小，但對(duì)設(shè)備要求較高、處理時(shí)存在時(shí)效性問(wèn)題［2］；化學(xué)表面改性主要是利用纖維表面的活性基團(tuán)，借助各種化學(xué)試劑在纖維表面接枝到穩(wěn)定地基團(tuán)，讓植物纖維的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)和特征發(fā)生變化，如堿處理、偶聯(lián)劑改性處理、表面接枝處理等［4］，Chen 等［5］比較了用稀酸、石灰、氨水/稀酸、稀堿4種不同化學(xué)試劑對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明稀堿預(yù)處理對(duì)于纖維殘?jiān)附庑实奶岣咦顬橛行А?/p>

生態(tài)混凝土，又名無(wú)砂多孔混凝土，是以大粒徑粗骨料為骨架，加以水泥凈漿、外加劑膠結(jié)形成的具有蜂窩狀孔隙的混凝土結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)混凝土，如果將其應(yīng)用于護(hù)坡，它不僅可以解決護(hù)岸防沖問(wèn)題，還可以使岸坡綠化、凈水濾污，把混凝土的硬化與綠化完美結(jié)合起來(lái)［6］。但它屬于一種輕質(zhì)混凝土，存在抗壓、抗拉強(qiáng)度較低、韌性差的缺點(diǎn)，向混凝土中摻入纖維可改善其性能。蘇強(qiáng)等［7］制備棉花秸稈纖維混凝土，發(fā)現(xiàn)纖維的摻入對(duì)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度提高了41.64%，且棉花秸稈纖維對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)大于對(duì)抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)；李超飛等［8］通過(guò)對(duì)同一混凝土配合比不同摻量、不同形狀稻草纖維混凝土的物理力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明未做處理的稻草加入混凝土中對(duì)混凝土基本力學(xué)性能的改善效果不是很明顯，加入稻草纖維后，混凝土的抗壓強(qiáng)度有所下降，但是其抗沖擊性能有所提高，桿狀相比絲狀效果要好。因此，制備經(jīng)過(guò)改性處理的青稞纖維混凝土，勢(shì)必從一定程度上改善其基本性能，將其應(yīng)用于青藏高原地區(qū)，會(huì)因地制宜，顯著提高兩者的應(yīng)用價(jià)值。

本文從化學(xué)方法改性的角度出發(fā)，探討了青稞纖維表面改性的處理工藝及其效果，分別對(duì)青稞纖維用NaOH、NaOH+H2O2、冰醋酸+NaClO2等溶液預(yù)處理，設(shè)計(jì)了預(yù)處理溶液、預(yù)處理時(shí)間、熱處理溫度的率的三因素三水平L9（3×3）正交試驗(yàn)，借助X 射線衍射（XRD）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、掃描電子顯微鏡（SEM）等輔助分析手段，從結(jié)晶度、分子內(nèi)基團(tuán)振動(dòng)頻率、微觀形貌等角度分析比較了改性前后青稞纖維的成分、纖維結(jié)構(gòu)、晶態(tài)的變化，以提取出纖維素純度較高的改性青稞纖維。同時(shí)，在生態(tài)混凝土中分別摻入改性前后的青稞纖維，通過(guò)宏觀破壞性試驗(yàn)（抗壓、劈裂抗拉、抗折）研究青稞纖維改性效果，綜合分析得出其對(duì)生態(tài)混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

（1）青稞纖維：本試驗(yàn)采用的青稞秸稈，產(chǎn)于西藏自治區(qū)阿里地區(qū)。將青稞秸稈自然風(fēng)干，用石磙碾壓，并清洗干凈，放置于105 ℃烘箱中至完全干燥，然后放到麻絲袋中避光保存。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 34057.5-2017《木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)原料化學(xué)成分的測(cè)定》進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明，青稞秸稈內(nèi)富含青稞纖維，主要由水分、灰分、苯醇提取物、纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等組成，其中纖維素含量占40.11%，木質(zhì)素14.12%，半纖維素32.01%以及其他雜糖、蠟質(zhì)等聚合物成分［9］，宏觀形貌如圖1所示，從宏觀形貌來(lái)看，青稞秸稈纖維的長(zhǎng)寬比較大，其細(xì)長(zhǎng)特點(diǎn)決定了它的韌性，可以在混凝土中起到增強(qiáng)增韌的作用。力學(xué)性能從很大程度上決定了植物纖維的性能好壞和利用價(jià)值，青稞秸稈纖維的基本性能參數(shù)如表1所示。

表1 青稞秸稈纖維的基本性能參數(shù)Tab.1 Basic parameters of highland barley straw fiber

圖1 青稞秸稈宏觀形貌及微觀形貌Fig.1 Morphology of highland barley straw on macro and micro level

青稞纖維表面改性處理所用氫氧化鈉、過(guò)氧化氫、冰醋酸、亞氯酸鈉等溶液均符合質(zhì)量要求。

（2）水泥：試驗(yàn)使用的是新鄉(xiāng)市新星水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其基本物理性能參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 水泥基本技術(shù)參數(shù)Tab.2 Basic technical parameters of cement

（3）粗骨料：青藏高原地區(qū)生態(tài)平衡相對(duì)脆弱，禁止開(kāi)山崩石，所以生態(tài)混凝土里面的骨料只能采用當(dāng)?shù)氐穆咽４止橇吓c水泥漿體膠結(jié)成多孔混凝土，骨料粒徑越大，堆積密度越小，卵石形成的骨架空隙較多，力學(xué)性能卻會(huì)變差。綜合考慮，本試驗(yàn)選用粒徑10～20 mm的粗骨料，依據(jù)SL/T352-2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行物理性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 骨料的物理性能Tab.3 Physical properties of aggregates

（4）減水劑：試驗(yàn)采用聚羧酸系高效減水劑，大連市銘源全科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的高效減水劑。

（5）透水混凝土增強(qiáng)劑：外加劑的一種，用于促進(jìn)膠凝漿體與骨料之間的黏結(jié)力，本試驗(yàn)使用南京久禾潤(rùn)生態(tài)有限公司生產(chǎn)的透水混凝土增強(qiáng)劑（SR-5z）。

（6）水：生態(tài)混凝土拌合使用的是普通自來(lái)水，符合JGJ 63-2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》中混凝土拌和用水水質(zhì)要求。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

1.2.1 青稞纖維表面改性處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)

青稞纖維作為植物纖維的一種，具有密度小、成本低、可降解、比強(qiáng)度和比剛度高等顯著優(yōu)勢(shì)［10］，在其化學(xué)組成中纖維素是最重要的化學(xué)成分。如果對(duì)青稞纖維表面施以改性處理，設(shè)法去除木質(zhì)素、半纖維素、果膠等物質(zhì)而只保留纖維素，可有效提高青稞纖維的韌性，促進(jìn)青稞纖維與混凝土骨料的拉結(jié)，從而從宏觀上大大提高混凝土強(qiáng)度和耐久性，增強(qiáng)抗裂能力?；诖?，本文擬采用3 因素3 水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用6%NaOH、6%NaOH+10% H2O2、3%冰醋酸+1.5% NaClO2溶液3種方法分別對(duì)青稞纖維表面改性處理，研究預(yù)處理溶液、預(yù)處理時(shí)間、熱處理溫度3種因素對(duì)改性效果的影響，得到正交因素表如表4所示。

表4 正交因素表Tab.4 Orthogonal factor table

由以上正交可知，共有9 種纖維改性的方法。按照以下不同的條件，具體預(yù)處理方案如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)處理方案Tab.5 Orthogonal design pretreatment scheme

在上述試驗(yàn)中，將青稞秸稈去葉、切成10～25 mm 的微段，置于不同條件的預(yù)處理溶液中處理，處理溫度為40～50 ℃溫水浴。并將上述處理獲得的青稞纖維用蒸餾水清洗，直到用pH值試紙檢測(cè)最后一次清洗液時(shí)pH值為7為止，再將清洗好的青稞纖維在不同熱處理溫度下烘至完全干燥。為對(duì)比改性效果，增設(shè)編號(hào)T0的對(duì)照組，該組將青稞纖維浸泡于蒸餾水中并完全干燥。

1.2.2 纖維增強(qiáng)生態(tài)混凝土試驗(yàn)方法

資料表明，為保證生態(tài)混凝土的強(qiáng)度，孔隙率宜控制在20%～30%，水灰比控制在0.25～0.35，本試驗(yàn)選用孔隙率25%、水灰比0.30 的無(wú)砂多孔混凝土進(jìn)行制備。生態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)采用單位絕對(duì)體積法，即膠凝材料體積+粗骨料體積+設(shè)計(jì)孔隙體積=1，得出生態(tài)混凝土原材料的配合比如表6所示。

表6 生態(tài)混凝土的配合比Tab.6 Mix ratio of ecological concrete

選擇纖維摻量為3 kg/m3，采用兩次投料法制備生態(tài)混凝土試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至7 d 和28 d，分別對(duì)其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度測(cè)試［11］。為了對(duì)比改性效果，選擇不摻加纖維、未改性纖維和改性纖維三組試件進(jìn)行同步試驗(yàn)。纖維的摻入勢(shì)必影響到混凝土孔隙內(nèi)部的聯(lián)通情況，為進(jìn)一步揭示纖維的加入對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，用排水法進(jìn)行了孔隙率測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如下：

將外觀規(guī)則、表面平整的100 mm×100 mm×100 mm 的試件，浸泡24 h，稱取在水中的質(zhì)量m1，然后烘干以后測(cè)干重m2，置于養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h 以后取出測(cè)量質(zhì)量m3。最后試件用保鮮膜包裹，用排水法測(cè)出試件的體積V。則生態(tài)混凝土的有效孔隙率為

總孔隙率為：

式中：m1為試件浸泡24 h 以后在水中的質(zhì)量，kg；m2為干重，kg；m3為養(yǎng)護(hù)24 h以后的試件質(zhì)量，kg；V為標(biāo)準(zhǔn)試件的體積，m3。

1.3 試驗(yàn)儀器及測(cè)試表征

本文采用一系列現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，從微觀結(jié)構(gòu)上研究表面處理前后青稞纖維物相、物質(zhì)含量、組成結(jié)構(gòu)的變化。

（1）X 射線衍射（XRD）分析。X 射線衍射分析是通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行X 射線衍射，分析其衍射圖譜，來(lái)獲得材料成分、內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息，主要用于研究物質(zhì)物相和晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)樣品晶體被X 射線照射會(huì)產(chǎn)生不同程度的衍射現(xiàn)象，而這是由物質(zhì)組成、晶型、分子內(nèi)成鍵方式、分子的構(gòu)型等決定的，會(huì)直接體現(xiàn)于衍射圖譜中，因此采用這種方法來(lái)進(jìn)行青稞纖維樣品的物相分析和晶體結(jié)構(gòu)分析。儀器工作電壓40 kV，電流40 mA，2θ/θ偶合連續(xù)掃描，掃描范圍為10°到90°，Cu 靶掃描，計(jì)數(shù)時(shí)間為2 s/步。

（2）傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析。傅里葉變換紅外光譜可用于測(cè)定物質(zhì)分子組成和結(jié)構(gòu)，適用于有機(jī)化合物官能團(tuán)的定性和結(jié)構(gòu)分析及無(wú)機(jī)礦物的定性分析（包括液體、氣體、固體粉末及薄膜等）。由于XRD試驗(yàn)只能分析得到晶體結(jié)構(gòu)的信息，考慮到青稞纖維包含無(wú)序的非晶態(tài)信息，因此采用FTIR 這種對(duì)非晶態(tài)材料敏感的技術(shù)，表征通過(guò)不同環(huán)境改性處理后纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等有機(jī)物含量的變化情況。在FTIR 儀上使用KBr 壓片方法測(cè)試不同處理后的青稞纖維的官能團(tuán)，波數(shù)范圍為4 000～500 cm–1。

（3）掃描電子顯微鏡（SEM）分析。為實(shí)現(xiàn)樣品區(qū)域微觀形貌的放大成像，三維立體地觀察表面處理前后青稞纖維的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的變化。先制作纖維縱向切片，然后在掃描電子顯微鏡下觀察表面形態(tài)，加速電壓為3.0 kV，樣品噴金時(shí)間為30 s。

（4）力學(xué)性能測(cè)試。本試驗(yàn)對(duì)力學(xué)性能的測(cè)試采用華龍萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，參照GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)生態(tài)混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面改性處理的結(jié)果分析

2.1.1 形貌變化

各種改性環(huán)境下青稞纖維的宏觀形貌變化如圖2（a）、（b）、（c）所示。其中，NaOH 屬于強(qiáng)堿溶液，H2O2、冰醋酸和NaClO2屬于酸性溶液且H2O2和NaClO2具有強(qiáng)氧化性。

圖2 不同溶液處理下青稞纖維的形態(tài)Fig.2 Morphology of highland barley fiber under

青稞纖維在溫水浴加熱預(yù)處理過(guò)程中，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)組成發(fā)生變化，伴隨有纖維顏色、尺寸、粗糙度等的一系列變化。具體如下：

在6%NaOH 處理過(guò)程中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維顏色逐漸變深，呈棕色或深棕色，纖維的細(xì)度變細(xì)，同時(shí)溶液中可觀察越來(lái)越多的絮狀物質(zhì)；在6%NaOH 與10%H2O2溶液混合處理時(shí)，由于過(guò)氧化氫的漂白作用，所得到的青稞纖維本身的黃色不斷變淺，并有大量的氣泡從燒杯底部浮到溶液上方，溶液上方出現(xiàn)少量泡沫；用冰醋酸+NaClO2溶液處理后青稞纖維的“白化”現(xiàn)象明顯。

2.1.2 X射線衍射分析

纖維素是由D-吡喃葡萄糖以β-1，4 糖苷鍵連接而成的高聚物，根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)排列是否緊密和規(guī)則，將纖維素分為結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)，結(jié)晶度是描述纖維素超分子結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，它表示纖維素中結(jié)晶區(qū)占纖維總體積的百分率，反映了纖維素聚集時(shí)形成結(jié)晶的程度［11］。在纖維素的結(jié)晶區(qū)，由于大分子排列比較整齊、密實(shí)，縫隙空洞較少，分子間各個(gè)基團(tuán)的結(jié)合力接近飽和，因而纖維吸濕較困難，強(qiáng)度高，變形較?。辉诜墙Y(jié)晶區(qū)，大分子排列比較紊亂，堆砌比較疏松，并有較多的縫隙和孔洞，一些大分子表面的基團(tuán)距離較大，連接力較小，沒(méi)有完全飽和，易于吸濕、滲透和染色，并表現(xiàn)出強(qiáng)度低、變形大的特點(diǎn)［12］。因此，改性的目的是提高青稞纖維素結(jié)晶度，改變其性能。利用MUI jade6.0 軟件對(duì)9 種改性處理方式下青稞纖維試樣進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)，得到XRD譜圖如圖3所示。

圖3 不同改性方式下XRD分析結(jié)果Fig.3 XRD analysis with different modification methods

本試驗(yàn)中，將處理?xiàng)l件下（T1-T9）青稞纖維的XRD 曲線進(jìn)行對(duì)比，或?qū)⑻幚砼c未處理（T0）條件下青稞纖維的XRD曲線對(duì)比，分析不同條件下青稞纖維結(jié)晶性能。X射線衍射試驗(yàn)表明，不同條件預(yù)處理前后，青稞秸稈衍射圖譜基本相似，這表明化學(xué)處理主要發(fā)生在表面而并未改變纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)也說(shuō)明XRD進(jìn)行的是物相分析，青稞纖維的基本物相是一致的。根據(jù)分峰擬合法分析，可以得到各樣品的結(jié)晶度的試驗(yàn)指標(biāo)，結(jié)合IBM SPSS 26.0 對(duì)結(jié)晶度進(jìn)行正交極差分析和方差分析以得出影響結(jié)晶度的主次因素和優(yōu)水平組合，各組樣品的結(jié)晶度及直觀分析表如表7所示，方差分析情況如表8所示。

表7 正交試驗(yàn)極差分析表Tab.7 The table of Orthogonal test range analysis

根據(jù)各因素極差和方差水平的差異，得出RA＞RC＞RB，預(yù)處理溶液因素A 為最主要的影響因素，預(yù)處理時(shí)間因素B 為最次要的影響因素，預(yù)處理溶液對(duì)青稞纖維的改性效果起著舉足輕重的作用。青稞纖維衍射圖象圖3可以看出，樣品均在2θ=15°和2θ=22°附近有一個(gè)極大峰，這是典型的纖維素I的結(jié)構(gòu)［13］；其中，2θ在10°～20°之間出現(xiàn)“饅頭峰”，說(shuō)明青稞纖維中部分結(jié)晶由纖維素I轉(zhuǎn)化成纖維素Ⅲ，同時(shí)含有少量非晶體物質(zhì)，如大量的糖類、纖維素等線性分子形成多晶的纖維束［14］，表明化學(xué)溶液的作用使得纖維大分子中的無(wú)定形區(qū)膨化、綜纖維素溶脹。2θ為20°～30°時(shí)出現(xiàn)了纖維素的衍射峰，衍射峰強(qiáng)度最大，峰形最尖銳，又因?yàn)榍囡w維本身是無(wú)機(jī)物，所以它的衍射峰形并沒(méi)有有機(jī)物峰形尖銳。試驗(yàn)組T6，即處理溶液6%NaOH+10%H2O2、處理時(shí)間2 h、熱處理溫度100 ℃，在2θ=21.65°時(shí)出現(xiàn)最強(qiáng)衍射峰，衍射峰強(qiáng)度最大，峰形最尖銳，表明在此處理?xiàng)l件下，青稞纖維的結(jié)晶性較好，結(jié)晶度指數(shù)為68.41%。表8表明，預(yù)處理溶液這一變量對(duì)預(yù)處理樣品結(jié)晶度的提升程度最明顯，而熱處理溫度、預(yù)處理時(shí)間等因素對(duì)纖維樣品結(jié)晶度的影響不大。肖衛(wèi)華等［15］的研究表明，預(yù)處理導(dǎo)致結(jié)晶度的上升，也是無(wú)定形態(tài)的半纖維素和木質(zhì)素去除的結(jié)果。

表8 青稞纖維結(jié)晶度的方差分析Tab.8 Analysis of variance on the crystallinity of highland barley fibers

為進(jìn)一步比較改性處理情況，依據(jù)預(yù)處理溶液的不同，分別從3種不同預(yù)處理溶液的樣品組中選出結(jié)晶度指數(shù)最高的一組，即T1、T6、T8，與對(duì)照組T0對(duì)比，進(jìn)行FTIR、SEM等測(cè)試。

2.1.3 紅外光譜分析

紅外吸收光譜是利用復(fù)雜分子中的許多原子基團(tuán)在分子被激發(fā)后產(chǎn)生振動(dòng)和能級(jí)躍遷來(lái)鑒定有機(jī)物的存在與否。研究表明，植物纖維的特征官能團(tuán)及其振動(dòng)形式如表9所示［16］。

表9 纖維成分的特征官能團(tuán)及振動(dòng)形式Tab.9 Characteristic functional groups and vibration forms of fiber

選取T0、T1、T6、T8 樣品進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜測(cè)試（FTIR），F(xiàn)TIR譜圖見(jiàn)圖4所示。

圖4 青稞纖維樣品紅外光譜圖譜Fig.4 FTIR spectrum of highland barley fiber specimens

如圖4所示，T1與T0譜對(duì)比，與半纖維素相關(guān)吸收峰中，經(jīng)堿溶液處理后1 255.35 cm-1處的C-O 伸縮峰消失，1 735 cm-1處C=O 伸縮峰消失，可得NaOH 預(yù)處理去除了大部分半纖維素；與木質(zhì)素相關(guān)的吸收峰中，1 600、1 514、1 462 cm-1處的吸收峰消失，表明木質(zhì)素的脫除率較高，采用氫氧化鈉溶液處理的改性結(jié)果良好。與未處理樣品T0的紅外光譜相比，青稞秸稈經(jīng)堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理后1 733 cm-1處半纖維素特征吸收峰強(qiáng)度有所減弱，但特征峰仍明顯存在，可見(jiàn)半纖維素在堿處理過(guò)程中雖有損失，但仍然得到一定程度保留；與木質(zhì)素相關(guān)的吸收峰中，1 600、1 514、1 462、832 cm-1處的吸光度明顯減弱，可知堿性過(guò)氧化氫處理脫除了大部分木質(zhì)素和殘留的半纖維素。從T8 與T0 對(duì)比結(jié)果來(lái)看，1 600 cm-1處的芳香骨架振動(dòng)峰消失，1 514 cm-1處的芳香環(huán)中C=C 伸縮振動(dòng)峰消失，表明經(jīng)酸和強(qiáng)氧化劑的混合溶液改性，主要剔除了青稞纖維中的木質(zhì)素，但對(duì)綜纖維素的作用效果并不顯著。由此可知：從特征官能團(tuán)和振動(dòng)形式看，采用堿溶液或堿性過(guò)氧化氫溶液處理對(duì)青稞纖維表面的改性情況較好。

2.1.4 掃描電子顯微鏡分析

為了觀察預(yù)處理對(duì)玉米秸稈微觀結(jié)構(gòu)的變化，采用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行測(cè)定分析，所得T0、T1、T6 的圖像如圖5所示。

由圖5可知，未處理的青稞纖維表面較為平滑，紋路規(guī)則、緊湊。經(jīng)氫氧化鈉溶液浸泡處理（T1）的纖維表面出現(xiàn)少量褶皺，表面粗糙度略有增加。經(jīng)NaOH+H2O2改性處理（T6）過(guò)后，青稞纖維表面被破碎剝離，表面粗糙度大大增加，纖維表面出現(xiàn)很多溝壑和凹痕，出現(xiàn)這種情況的原因是堿性過(guò)氧化氫溶液去除了包裹在纖維表面的一層蠟質(zhì)層，使秸稈的大孔結(jié)構(gòu)打開(kāi)，提高了比表面積，有利于青稞纖維與水泥漿的黏結(jié)。由圖5（d）可以看出，經(jīng)酸和強(qiáng)氧化劑的處理，纖維表面呈現(xiàn)很多褶皺，經(jīng)過(guò)處理的青稞纖維截面發(fā)生部分變形黏連，這表明木質(zhì)素的去除導(dǎo)致了纖維變軟，纖維長(zhǎng)細(xì)胞在制作試樣過(guò)程中容易發(fā)生變形粘連，造成了拉伸性能的下降，可能在混凝土結(jié)構(gòu)中不利于纖維的分散。因此，通過(guò)處理過(guò)的青稞纖維的SEM 圖像，可以看出T6 組的改性預(yù)處理效果較為理想，經(jīng)過(guò)處理后纖維的角質(zhì)層被部分去除，纖維與水泥凈漿的界面黏合較好；局部表面微觀結(jié)構(gòu)顯示細(xì)胞間呈網(wǎng)絡(luò)狀相互聯(lián)結(jié)，相鄰細(xì)胞橫向、縱向交錯(cuò)結(jié)合較牢固。這種結(jié)構(gòu)使得青稞纖維具有很好的延伸性能。

圖5 青稞秸稈預(yù)處理前后的掃描電子顯微鏡圖像Fig.5 SEM images of highland barley straw before and after pretreatment

2.2 纖維增強(qiáng)生態(tài)混凝土力學(xué)性能分析

2.2.1 纖維增強(qiáng)生態(tài)混凝土孔隙分析

生態(tài)混凝土是一種多孔介質(zhì)材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙率很高，孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和無(wú)序性不僅影響了其排水性，同樣影響著其宏觀力學(xué)性能、耐久性等。將纖維摻入混凝土可以減少混凝土內(nèi)部的微裂紋，降低孔隙率，抑制連通孔的產(chǎn)生，有效改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［21］。纖維混凝土在土木工程界的應(yīng)用也將越來(lái)越廣，以滿足堤壩、護(hù)坡、圍墻等工程構(gòu)筑物對(duì)長(zhǎng)期性能的要求。

多孔混凝土的孔隙由連通孔隙、半連通孔隙和封閉孔隙組成，對(duì)于植生型生態(tài)混凝土而言，連續(xù)孔隙可以幫助植物根系向下伸展，汲取土壤中的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此有效孔隙率是我們需要重視的研究指標(biāo)。按1.3 節(jié)排水法，測(cè)得的孔隙率結(jié)果如表9所示。

表9 纖維增強(qiáng)生態(tài)混凝土孔隙率的變化Tab.9 Changes in void ratios of fiber reinforced concrete

孔隙率試驗(yàn)顯示，加入纖維以后生態(tài)混凝土的孔隙率有所降低，P2 組和P1 組相比有效孔隙率略有提高，但總孔隙率略低；加入纖維前后混凝土的有效孔隙率占比仍維持在較高的水平（均高于90%），P2 組的占比甚至超過(guò)P0 組，表明纖維的摻入一方面減少了孔隙分布，提高了密實(shí)度，另一方面維持了連通孔隙、半連通孔隙所占的比例，混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)未受到明顯影響，還可以有效抑制早期干縮開(kāi)裂的產(chǎn)生。

2.2.2 纖維對(duì)生態(tài)混凝土力學(xué)性能的影響

青稞纖維經(jīng)改性以后纖維素純度將大大提高，將其摻入混凝土中，方可發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。本試驗(yàn)將青稞纖維按方案T6，即置于6%NaOH+10%H2O2預(yù)處理溶液內(nèi)40～50 ℃環(huán)境中處理2 h，再在100℃下熱處理至完全干燥進(jìn)行表面改性處理以后，在水灰比、孔隙率一定的生態(tài)多孔混凝土中加入改性和未改性處理的青稞秸稈纖維，通過(guò)宏觀破壞性試驗(yàn)（抗壓、劈裂抗拉、抗折）研究青稞秸稈纖維表面改性對(duì)青稞纖維混凝土力學(xué)性能的影響。

資料表明，為保證生態(tài)混凝土的強(qiáng)度，孔隙率宜控制在20%～30%，水灰比控制在0.25～0.35［22］。本試驗(yàn)選用孔隙率25%、水灰比0.30 的無(wú)砂多孔混凝土，根據(jù)2.2 節(jié)配合比及試驗(yàn)方法制作試件，將未改性（P1）和改性（P2）的青稞纖維按3 kg/m3摻入混凝土，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，分別測(cè)定其7和28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉、抗折強(qiáng)度等基本力學(xué)性能；同時(shí)設(shè)置摻量為0 的生態(tài)多孔混凝土對(duì)照組P0，比較改性前后纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的變化，測(cè)試結(jié)果如表10所示。

表10 纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的變化 MPaTab.10 Changes in mechanical properties of fiber reinforced concrete

由表10可知，改性前后混凝土7、28 d的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相似。與P0 相比，P1 組7、28 d 生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度分別降低了9.6%、7.9%；與P1相比，P2組抗壓強(qiáng)度略有提高，分別提高了3.9%、4.3%，但仍低于T0 組。試驗(yàn)結(jié)果表明隨著青稞的摻入，青稞纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，這是因?yàn)槔w維的摻入會(huì)使得生態(tài)混凝土機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維的摻入使得其與水泥基體間界面數(shù)增多，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)增多，從而降低混凝土的7、28 d抗壓強(qiáng)度。

纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度方面，和抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不同，相對(duì)于P0 組，P1、P2 組的強(qiáng)度均有所提高，表明青稞纖維有效增強(qiáng)了生態(tài)多孔混凝土的抗彎拉能力。改性前后的兩組相比，7 和28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度P2 組比P1 分別提高了8.0%、16.5%，由此可見(jiàn)經(jīng)過(guò)表面改性青稞纖維的纖維素得到有效提純，其含量大幅提高，分散于粗集料骨架間，從一定程度上改善了孔隙結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷，抑制了微裂縫的擴(kuò)展。

改性前后纖維混凝土7、28 d 的抗折強(qiáng)度變化規(guī)律跟其劈裂抗拉強(qiáng)度相似，摻入青稞纖維以后，生態(tài)多孔混凝土的抗折強(qiáng)度有一定程度的提高，混凝土的抗彎能力得到增強(qiáng)。相對(duì)于P1，摻入經(jīng)表面改性處理的青稞纖維以后，生態(tài)混凝土的7、28 d 抗折強(qiáng)度分別提高了5.9%、20.3%，這顯示了經(jīng)改性的青稞纖維與混凝土間有更好的黏結(jié)力，結(jié)構(gòu)整體性大大提高。

3 結(jié) 論

（1）青稞纖維改性處理的目的是脫除秸稈里含有的木質(zhì)素、半纖維素、果膠等物質(zhì)，以提高纖維素純度。試驗(yàn)證明，經(jīng)NaOH或NaOH+H2O2溶液預(yù)處理能夠有效脫除青稞秸稈中半纖維素和部分木質(zhì)素，增加纖維素比例，提高纖維素結(jié)晶度，且堿性過(guò)氧化氫溶液預(yù)處理的提升效果更為明顯；經(jīng)冰醋酸和亞氯酸鈉的混合溶液處理后，纖維中木質(zhì)素含量大大降低，但青稞中木質(zhì)素的含量遠(yuǎn)低于綜纖維素含量，使得改性效果不如前者明顯。

（2）綜合比較與分析，采用6%NaOH+10%H2O2溶液對(duì)青稞纖維在40～50 ℃環(huán)境下進(jìn)行預(yù)處理，表面改性效果比較理想。熱處理溫度、預(yù)處理時(shí)間等因素對(duì)改性效果的影響不夠顯著。

（3）青稞纖維的摻入減小了生態(tài)混凝土的孔隙含量，但混凝土的聯(lián)通孔隙結(jié)構(gòu)未受到明顯影響。經(jīng)過(guò)表面改性處理以后，青稞纖維對(duì)生態(tài)多孔混凝土的力學(xué)性能有一定的提升效果。向水灰比0.30、孔隙率25%的生態(tài)混凝土內(nèi)摻入青稞纖維，其抗壓強(qiáng)度有所減弱，抗拉、抗彎能力提高；相較于未改性纖維混凝土，混凝土的28 d 抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了4.3%、16.5%、20.3%，纖維素得到有效提純，在青稞秸稈中的含量大幅提高，在生態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)中有效地發(fā)揮了增加整體性、增加韌性的作用。

（4）試驗(yàn)結(jié)果表明，將青稞秸稈中提取出優(yōu)質(zhì)的纖維素應(yīng)用到生態(tài)混凝土制品中是可行的，利用生態(tài)混凝土可以加固邊坡、防風(fēng)固沙、穩(wěn)定水土，勢(shì)必讓青稞因地制宜，在青藏高原地區(qū)發(fā)揮出巨大的社會(huì)效益和生態(tài)效益。