耐碱亚麻基网材用于增强水泥基复合材料的初步评估

《Sustainable Materials and Technologies》：Preliminary assessment of alkali-resistant flax based meshes for reinforcing cementitious composites

亚麻基增强网格作为可持续混凝土 reinforcement 的研究，评估了其物理、机械性能及抗碱能力。实验表明，亚麻网格在等质量条件下表现出最佳比模量和比强度，而玄武岩混合网格在碱性环境中强度损失显著。环氧树脂浸渍有效改善粘结性能，亚麻纤维来源可持续且环保。

　　纺织纤维增强混凝土（TRC）相较于传统的钢筋混凝土，其生产所需的材料和能源更少，这一特性为实现2050年水泥和混凝土行业净零排放的目标提供了新的思路。本研究重点探讨了以亚麻为基础的网格材料作为TRC中基本的增强组件的发展潜力。通过将亚麻纤维束与玻璃或玄武岩纤维束进行混合并浸渍环氧树脂，形成增强网格。对这些亚麻增强网格的物理和机械性能进行了评估，并测试了它们在水泥基体中的耐碱性，以确定其在实际应用中的耐久性。在相同重量的增强条件下，亚麻增强网格表现出优于混合网格的比刚度和比强度。尽管混合网格（无论是由碱性玻璃还是玄武岩组成）的特定性能在相近范围内，但碱性玻璃纤维的使用显著降低了混合网格在碱性环境中的机械性能退化，而混合玄武岩的网格则因玄武岩纤维的腐蚀，经历了显著的拉伸强度和应变下降。拔出测试显示，亚麻增强网格在高性能混凝土基体中表现出最高的粘结强度。

混凝土是全球二氧化碳排放的主要来源之一，约占7%。为了实现净零混凝土的目标，水泥和混凝土行业已经制定了一项路线图，旨在减少设计和施工过程中的资源消耗。通过提高设计效率和减少水泥及结合剂的使用，该行业期望在未来达到显著的减排目标。然而，混凝土在使用过程中存在一些局限性，如低抗拉强度、脆性、易产生早期裂纹以及由于干燥收缩或其他体积变化引起的结构裂纹。为了改善混凝土在抗拉载荷下的性能，如弯曲情况，需要一种互补的支撑材料来吸收过量的拉伸力。TRC作为一种替代材料，自20世纪70年代出现以来，因其可持续性而受到关注。TRC由水泥基体和非金属网格状织物组成，这些织物可以由多种纤维制成。与传统混凝土相比，TRC的截面更小，这有助于降低材料需求、能耗、碳足迹以及整体成本。

为了应对这些挑战，研究者们探索了碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维等材料作为增强纤维。相比之下，植物纤维因其广泛可得性、成本效益、低密度、可生物降解、可再生、无害且非磨损性而成为更具可持续性的替代选择。在这些植物纤维中，亚麻纤维因其优越的抗拉性能而特别受到关注，其性能与亚麻和大麻纤维相当。然而，由于水泥基体在硬化过程中会形成高度碱性环境（pH 12.5–13.5），这种环境对纤维增强材料具有一定的腐蚀性，会显著影响复合材料的耐久性。例如，玻璃纤维对碱性环境的敏感性促使了碱性玻璃纤维的开发，以优化其在水泥基复合材料中的性能。同样，植物纤维也会因为纤维素分子的碱性水解、木质素和半纤维素的溶解以及水泥水化产物在纤维腔体内的矿化而受到削弱。

为了解决这些问题，有两种方法可以考虑：一是通过部分替代波特兰水泥，使用火山灰材料（如偏高岭土、粉煤灰、硅微粉）来降低水泥的碱性；二是对纤维进行适当的涂层处理，以保护其在传统水泥基体中的性能。除了防止化学侵蚀外，纤维的涂层和表面处理还有其他作用，如提高纤维的强度、将不同材料结合在一起以形成单一的承载单元、改善纤维与水泥基体之间的粘结，促进应力在纤维和基体之间的有效传递，以及提供额外的结构以方便纤维在制造过程中的处理和对齐。

本研究开发了可持续且耐碱的增强网格，作为TRC中增强组件的基础。碱性玻璃纤维因其在建筑和土木工程中作为增强材料的广泛应用，被选为参考材料。玄武岩纤维因其比玻璃纤维更高的抗拉性能和比碳纤维更环保的特性也被选为天然增强材料。亚麻纤维因其优越的增强性能、环境友好性以及在建筑材料中降低碳足迹的潜力而被选中。已有研究指出，使用植物纤维替代合成纤维（如玻璃和聚丙烯腈纤维）可以显著降低水泥基材料的环境影响。

在本研究中，亚麻纤维和混合纤维（亚麻纤维与合成纤维的组合）被浸渍环氧树脂以形成增强网格。亚麻增强网格由亚麻纤维束或由亚麻纤维束与合成纤维束（玻璃或玄武岩）组成的混合纤维束组成。引入混合纤维束的目的是增强纯合成纤维增强材料的可持续性，同时补偿亚麻纤维在水泥基体中受到碱性环境影响时的性能损失。浸渍过程在真空室中进行，条件为30°C、100mbar、60分钟。浸渍后，网格被拉伸并放置在两个螺栓之间，在室温下干燥一天，然后切割至550毫米，再在125°C的烤箱中固化一小时。所有浸渍后的网格（每组20个重复）被切割至最终长度450毫米，并放置在20°C、65%相对湿度的气候室中4周，以确保树脂完全固化。

研究还对亚麻和混合网格的物理性能进行了评估，包括线密度和密度。对于未浸渍的亚麻和混合纤维束以及浸渍后的亚麻和混合网格，这些性能被测量以更好地理解纤维和基体成分的影响。机械性能和耐碱性评估仅限于浸渍后的网格，因为它们被视为增强网格的基本组件。所有纤维增强材料（未浸渍的纤维束和浸渍后的网格）在表2中列出，总共形成12个增强组。

在机械性能和耐碱性方面，研究评估了不同增强组在碱性环境暴露前后的表现。拉伸测试在静态的万能试验机上进行，测试速度为2毫米/分钟。试样被液压夹紧在两个木块之间，以减少对纤维的潜在损伤和夹具中的应力集中。测试跨度为300毫米，测试前对网格进行20牛的预加载以提高不同增强组之间结果的一致性。拉伸测试中，弹性模量（E）是在0.1%至0.3%的应变范围内计算的。最大力和横截面积被用来计算最大抗拉强度（σ）。由于横截面积的确定对机械性能计算有显著影响，因此比较了两种实验方法来测量横截面积。一种是使用数字显微镜测量网格的表观直径，并假设其为圆形横截面；另一种是通过指纹法，将网格切割后用染料染色并压印在纸上，形成“指纹”图案，然后测量其尺寸并使用Digimizer图像分析软件处理，计算0.1×0.1毫米2的方格数量。这两种方法的结果存在细微差异，但指纹法揭示了混合网格的不规则横截面形状，因此被选为计算抗拉强度和弹性模量的更准确方法。

在碱性环境中，亚麻增强网格的弹性模量和抗拉强度分别下降了18%和26%，而经过漂白处理的亚麻增强网格（WFS-E）的下降幅度较小，分别下降了4%和19%。这表明漂白处理有助于减少亚麻纤维在碱性环境中的性能损失。与亚麻增强网格相比，混合碱性玻璃纤维的增强网格表现出更小的性能下降，而混合玄武岩纤维的增强网格则经历了显著的拉伸强度和应变下降。这些结果表明，碱性玻璃纤维在碱性环境中具有更强的耐受性，而玄武岩纤维则更容易受到腐蚀。此外，亚麻增强网格的比刚度和比强度在相同重量下优于混合网格，这可能是因为亚麻纤维的性能在浸渍后得到增强，而混合纤维的性能则受到基体材料的影响。

拔出测试用于评估亚麻和混合增强材料与混凝土基体之间的粘结性能。测试在万能试验机上进行，使用50kN的负荷单元，测试速度为2毫米/分钟。测试过程中，网格被嵌入混凝土中，通过液压夹具夹紧。测试结果表明，亚麻增强网格表现出更高的粘结强度，而混合纤维增强网格的粘结强度则较低。这可能是因为亚麻纤维的表面粗糙度提供了更好的机械锚固，而混合纤维的表面更光滑，导致粘结性能下降。

本研究的结论表明，亚麻增强网格和混合亚麻/碱性玻璃纤维增强网格在机械性能和耐久性方面表现出良好的潜力，适合用于开发更可持续的水泥基材料增强解决方案。然而，这些增强材料在碱性环境中的轻微性能下降表明其长期耐久性仍需进一步研究。未来的工作可以包括对TRC使用亚麻增强网格和混合亚麻/碱性玻璃纤维增强网格的开发，并通过加速老化测试（包括湿度循环和冻融测试）评估其短期和长期的机械性能。此外，研究还可能探索将环氧树脂替换为更环保的结合剂，以进一步提高这些增强材料的可持续性。