趙玉青，王建翎

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

0 引 言

青稞屬禾本科，是青藏高原的獨有物種和最具高原特色的農(nóng)作物之一，它耐瘠薄和高寒，生長周期短，早熟高產(chǎn)，在青藏高原地區(qū)原料豐富，適應性廣。以西藏為例，西藏青稞年種植面積12.31 萬hm2，年產(chǎn)量44.66 萬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、價格低廉、斷裂強度大等優(yōu)點，其內(nèi)部富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等有機天然高分子物質(zhì)，纖維結構緊密，有良好的韌性和抗拉強度。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，很難進行分離，而青稞纖維中只有纖維素能對混凝土起到增強增韌的作用，如何對青稞纖維進行表面改性處理，從中最大限度地提純纖維素成為了亟需解決的問題。

目前，植物纖維素分離技術主要有物理處理法、化學處理法、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，雖然物理方法對植物纖維本體的破壞很小，但對設備要求較高、處理時存在時效性問題［2］；化學表面改性主要是利用纖維表面的活性基團，借助各種化學試劑在纖維表面接枝到穩(wěn)定地基團，讓植物纖維的化學鍵結構和特征發(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種不同化學試劑對玉米秸稈進行預處理，結果表明稀堿預處理對于纖維殘渣酶解效率的提高最為有效。

生態(tài)混凝土，又名無砂多孔混凝土，是以大粒徑粗骨料為骨架，加以水泥凈漿、外加劑膠結形成的具有蜂窩狀孔隙的混凝土結構。相對于傳統(tǒng)混凝土，如果將其應用于護坡，它不僅可以解決護岸防沖問題，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合起來［6］。但它屬于一種輕質(zhì)混凝土，存在抗壓、抗拉強度較低、韌性差的缺點，向混凝土中摻入纖維可改善其性能。蘇強等［7］制備棉花秸稈纖維混凝土，發(fā)現(xiàn)纖維的摻入對混凝土的劈裂抗拉強度提高了41.64%，且棉花秸稈纖維對混凝土劈裂抗拉強度的增強效應大于對抗壓強度的增強效應；李超飛等［8］通過對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性能進行試驗，研究表明未做處理的稻草加入混凝土中對混凝土基本力學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)過改性處理的青稞纖維混凝土，勢必從一定程度上改善其基本性能，將其應用于青藏高原地區(qū)，會因地制宜，顯著提高兩者的應用價值。

本文從化學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，分別對青稞纖維用NaOH、NaOH+H2O2、冰醋酸+NaClO2等溶液預處理，設計了預處理溶液、預處理時間、熱處理溫度的率的三因素三水平L9（3×3）正交試驗，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，從結晶度、分子內(nèi)基團振動頻率、微觀形貌等角度分析比較了改性前后青稞纖維的成分、纖維結構、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，在生態(tài)混凝土中分別摻入改性前后的青稞纖維，通過宏觀破壞性試驗（抗壓、劈裂抗拉、抗折）研究青稞纖維改性效果，綜合分析得出其對生態(tài)混凝土力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

（1）青稞纖維：本試驗采用的青稞秸稈，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)標準NB/T 34057.5-2017《木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)原料化學成分的測定》進行化學成分分析，結果表明，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，從宏觀形貌來看，青稞秸稈纖維的長寬比較大，其細長特點決定了它的韌性，可以在混凝土中起到增強增韌的作用。力學性能從很大程度上決定了植物纖維的性能好壞和利用價值，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)見表2所示。

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

（3）粗骨料：青藏高原地區(qū)生態(tài)平衡相對脆弱，禁止開山崩石，所以生態(tài)混凝土里面的骨料只能采用當?shù)氐穆咽?。粗骨料與水泥漿體膠結成多孔混凝土，骨料粒徑越大，堆積密度越小，卵石形成的骨架空隙較多，力學性能卻會變差。綜合考慮，本試驗選用粒徑10～20 mm的粗骨料，依據(jù)SL/T352-2020《水工混凝土試驗規(guī)程》進行物理性能測試，測試結果如表3所示。

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

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

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

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

1.2 試驗設計及試驗方法

1.2.1 青稞纖維表面改性處理試驗設計

青稞纖維作為植物纖維的一種，具有密度小、成本低、可降解、比強度和比剛度高等顯著優(yōu)勢［10］，在其化學組成中纖維素是最重要的化學成分。如果對青稞纖維表面施以改性處理，設法去除木質(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，促進青稞纖維與混凝土骨料的拉結，從而從宏觀上大大提高混凝土強度和耐久性，增強抗裂能力。基于此，本文擬采用3 因素3 水平的正交試驗設計，使用6%NaOH、6%NaOH+10% H2O2、3%冰醋酸+1.5% NaClO2溶液3種方法分別對青稞纖維表面改性處理，研究預處理溶液、預處理時間、熱處理溫度3種因素對改性效果的影響，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，具體預處理方案如表5所示。

表5 正交試驗設計預處理方案Tab.5 Orthogonal design pretreatment scheme

在上述試驗中，將青稞秸稈去葉、切成10～25 mm 的微段，置于不同條件的預處理溶液中處理，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值試紙檢測最后一次清洗液時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。為對比改性效果，增設編號T0的對照組，該組將青稞纖維浸泡于蒸餾水中并完全干燥。

1.2.2 纖維增強生態(tài)混凝土試驗方法

資料表明，為保證生態(tài)混凝土的強度，孔隙率宜控制在20%～30%，水灰比控制在0.25～0.35，本試驗選用孔隙率25%、水灰比0.30 的無砂多孔混凝土進行制備。生態(tài)混凝土配合比設計采用單位絕對體積法，即膠凝材料體積+粗骨料體積+設計孔隙體積=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，在標準條件下養(yǎng)護至7 d 和28 d，分別對其進行抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度測試［11］。為了對比改性效果，選擇不摻加纖維、未改性纖維和改性纖維三組試件進行同步試驗。纖維的摻入勢必影響到混凝土孔隙內(nèi)部的聯(lián)通情況，為進一步揭示纖維的加入對混凝土結構的影響，用排水法進行了孔隙率測試試驗，試驗方法如下：

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，然后烘干以后測干重m2，置于養(yǎng)護室標準養(yǎng)護24 h 以后取出測量質(zhì)量m3。最后試件用保鮮膜包裹，用排水法測出試件的體積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24 h以后的試件質(zhì)量，kg；V為標準試件的體積，m3。

1.3 試驗儀器及測試表征

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

（1）X 射線衍射（XRD）分析。X 射線衍射分析是通過對材料進行X 射線衍射，分析其衍射圖譜，來獲得材料成分、內(nèi)部原子或分子的結構或形態(tài)等信息，主要用于研究物質(zhì)物相和晶體結構。當樣品晶體被X 射線照射會產(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、分子的構型等決定的，會直接體現(xiàn)于衍射圖譜中，因此采用這種方法來進行青稞纖維樣品的物相分析和晶體結構分析。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，計數(shù)時間為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定物質(zhì)分子組成和結構，適用于有機化合物官能團的定性和結構分析及無機礦物的定性分析（包括液體、氣體、固體粉末及薄膜等）。由于XRD試驗只能分析得到晶體結構的信息，考慮到青稞纖維包含無序的非晶態(tài)信息，因此采用FTIR 這種對非晶態(tài)材料敏感的技術，表征通過不同環(huán)境改性處理后纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等有機物含量的變化情況。在FTIR 儀上使用KBr 壓片方法測試不同處理后的青稞纖維的官能團，波數(shù)范圍為4 000～500 cm–1。

（3）掃描電子顯微鏡（SEM）分析。為實現(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構的變化。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，樣品噴金時間為30 s。

（4）力學性能測試。本試驗對力學性能的測試采用華龍萬能力學試驗機，參照GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》對生態(tài)混凝土進行抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度的測試。

2 試驗結果及分析

2.1 表面改性處理的結果分析

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 屬于強堿溶液，H2O2、冰醋酸和NaClO2屬于酸性溶液且H2O2和NaClO2具有強氧化性。

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處理過程中，發(fā)生一系列物理化學反應，其化學組成發(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 處理過程中，隨著時間的延長，纖維顏色逐漸變深，呈棕色或深棕色，纖維的細度變細，同時溶液中可觀察越來越多的絮狀物質(zhì)；在6%NaOH 與10%H2O2溶液混合處理時，由于過氧化氫的漂白作用，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)其分子結構排列是否緊密和規(guī)則，將纖維素分為結晶區(qū)和無定形區(qū)，結晶度是描述纖維素超分子結構的一個重要參數(shù)，它表示纖維素中結晶區(qū)占纖維總體積的百分率，反映了纖維素聚集時形成結晶的程度［11］。在纖維素的結晶區(qū)，由于大分子排列比較整齊、密實，縫隙空洞較少，分子間各個基團的結合力接近飽和，因而纖維吸濕較困難，強度高，變形較?。辉诜墙Y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距離較大，連接力較小，沒有完全飽和，易于吸濕、滲透和染色，并表現(xiàn)出強度低、變形大的特點［12］。因此，改性的目的是提高青稞纖維素結晶度，改變其性能。利用MUI jade6.0 軟件對9 種改性處理方式下青稞纖維試樣進行X射線衍射試驗，得到XRD譜圖如圖3所示。

圖3 不同改性方式下XRD分析結果Fig.3 XRD analysis with different modification methods

本試驗中，將處理條件下（T1-T9）青稞纖維的XRD 曲線進行對比，或?qū)⑻幚砼c未處理（T0）條件下青稞纖維的XRD曲線對比，分析不同條件下青稞纖維結晶性能。X射線衍射試驗表明，不同條件預處理前后，青稞秸稈衍射圖譜基本相似，這表明化學處理主要發(fā)生在表面而并未改變纖維的內(nèi)部結構，同時也說明XRD進行的是物相分析，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晶度的試驗指標，結合IBM SPSS 26.0 對結晶度進行正交極差分析和方差分析以得出影響結晶度的主次因素和優(yōu)水平組合，各組樣品的結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，預處理溶液因素A 為最主要的影響因素，預處理時間因素B 為最次要的影響因素，預處理溶液對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°附近有一個極大峰，這是典型的纖維素I的結構［13］；其中，2θ在10°～20°之間出現(xiàn)“饅頭峰”，說明青稞纖維中部分結晶由纖維素I轉(zhuǎn)化成纖維素Ⅲ，同時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］，表明化學溶液的作用使得纖維大分子中的無定形區(qū)膨化、綜纖維素溶脹。2θ為20°～30°時出現(xiàn)了纖維素的衍射峰，衍射峰強度最大，峰形最尖銳，又因為青稞纖維本身是無機物，所以它的衍射峰形并沒有有機物峰形尖銳。試驗組T6，即處理溶液6%NaOH+10%H2O2、處理時間2 h、熱處理溫度100 ℃，在2θ=21.65°時出現(xiàn)最強衍射峰，衍射峰強度最大，峰形最尖銳，表明在此處理條件下，青稞纖維的結晶性較好，結晶度指數(shù)為68.41%。表8表明，預處理溶液這一變量對預處理樣品結晶度的提升程度最明顯，而熱處理溫度、預處理時間等因素對纖維樣品結晶度的影響不大。肖衛(wèi)華等［15］的研究表明，預處理導致結晶度的上升，也是無定形態(tài)的半纖維素和木質(zhì)素去除的結果。

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

為進一步比較改性處理情況，依據(jù)預處理溶液的不同，分別從3種不同預處理溶液的樣品組中選出結晶度指數(shù)最高的一組，即T1、T6、T8，與對照組T0對比，進行FTIR、SEM等測試。

2.1.3 紅外光譜分析

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

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

選取T0、T1、T6、T8 樣品進行傅里葉變換紅外光譜測試（FTIR），F(xiàn)TIR譜圖見圖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譜對比，與半纖維素相關吸收峰中，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 預處理去除了大部分半纖維素；與木質(zhì)素相關的吸收峰中，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)堿性過氧化氫預處理后1 733 cm-1處半纖維素特征吸收峰強度有所減弱，但特征峰仍明顯存在，可見半纖維素在堿處理過程中雖有損失，但仍然得到一定程度保留；與木質(zhì)素相關的吸收峰中，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 對比結果來看，1 600 cm-1處的芳香骨架振動峰消失，1 514 cm-1處的芳香環(huán)中C=C 伸縮振動峰消失，表明經(jīng)酸和強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，但對綜纖維素的作用效果并不顯著。由此可知：從特征官能團和振動形式看，采用堿溶液或堿性過氧化氫溶液處理對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

為了觀察預處理對玉米秸稈微觀結構的變化，采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行測定分析，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，使秸稈的大孔結構打開，提高了比表面積，有利于青稞纖維與水泥漿的黏結。由圖5（d）可以看出，經(jīng)酸和強氧化劑的處理，纖維表面呈現(xiàn)很多褶皺，經(jīng)過處理的青稞纖維截面發(fā)生部分變形黏連，這表明木質(zhì)素的去除導致了纖維變軟，纖維長細胞在制作試樣過程中容易發(fā)生變形粘連，造成了拉伸性能的下降，可能在混凝土結構中不利于纖維的分散。因此，通過處理過的青稞纖維的SEM 圖像，可以看出T6 組的改性預處理效果較為理想，經(jīng)過處理后纖維的角質(zhì)層被部分去除，纖維與水泥凈漿的界面黏合較好；局部表面微觀結構顯示細胞間呈網(wǎng)絡狀相互聯(lián)結，相鄰細胞橫向、縱向交錯結合較牢固。這種結構使得青稞纖維具有很好的延伸性能。

圖5 青稞秸稈預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 纖維增強生態(tài)混凝土力學性能分析

2.2.1 纖維增強生態(tài)混凝土孔隙分析

生態(tài)混凝土是一種多孔介質(zhì)材料，結構復雜，孔隙率很高，孔隙結構的復雜性和無序性不僅影響了其排水性，同樣影響著其宏觀力學性能、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)部結構［21］。纖維混凝土在土木工程界的應用也將越來越廣，以滿足堤壩、護坡、圍墻等工程構筑物對長期性能的要求。

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養(yǎng)物質(zhì)，因此有效孔隙率是我們需要重視的研究指標。按1.3 節(jié)排水法，測得的孔隙率結果如表9所示。

表9 纖維增強生態(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P0 組，表明纖維的摻入一方面減少了孔隙分布，提高了密實度，另一方面維持了連通孔隙、半連通孔隙所占的比例，混凝土的孔隙結構未受到明顯影響，還可以有效抑制早期干縮開裂的產(chǎn)生。

2.2.2 纖維對生態(tài)混凝土力學性能的影響

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)揮其應用價值。本試驗將青稞纖維按方案T6，即置于6%NaOH+10%H2O2預處理溶液內(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，通過宏觀破壞性試驗（抗壓、劈裂抗拉、抗折）研究青稞秸稈纖維表面改性對青稞纖維混凝土力學性能的影響。

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

表10 纖維增強混凝土力學性能的變化 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)混凝土抗壓強度分別降低了9.6%、7.9%；與P1相比，P2組抗壓強度略有提高，分別提高了3.9%、4.3%，但仍低于T0 組。試驗結果表明隨著青稞的摻入，青稞纖維混凝土的抗壓強度降低，這是因為纖維的摻入會使得生態(tài)混凝土機體內(nèi)部結構發(fā)生變化，纖維的摻入使得其與水泥基體間界面數(shù)增多，混凝土結構內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)增多，從而降低混凝土的7、28 d抗壓強度。

纖維混凝土的劈裂抗拉強度方面，和抗壓強度變化規(guī)律不同，相對于P0 組，P1、P2 組的強度均有所提高，表明青稞纖維有效增強了生態(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 劈裂抗拉強度P2 組比P1 分別提高了8.0%、16.5%，由此可見經(jīng)過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構的內(nèi)部缺陷，抑制了微裂縫的擴展。

改性前后纖維混凝土7、28 d 的抗折強度變化規(guī)律跟其劈裂抗拉強度相似，摻入青稞纖維以后，生態(tài)多孔混凝土的抗折強度有一定程度的提高，混凝土的抗彎能力得到增強。相對于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力，結構整體性大大提高。

3 結 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。試驗證明，經(jīng)NaOH或NaOH+H2O2溶液預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，提高纖維素結晶度，且堿性過氧化氫溶液預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溶液對青稞纖維在40～50 ℃環(huán)境下進行預處理，表面改性效果比較理想。熱處理溫度、預處理時間等因素對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)通孔隙結構未受到明顯影響。經(jīng)過表面改性處理以后，青稞纖維對生態(tài)多孔混凝土的力學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)混凝土結構中有效地發(fā)揮了增加整體性、增加韌性的作用。

（4）試驗結果表明，將青稞秸稈中提取出優(yōu)質(zhì)的纖維素應用到生態(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、防風固沙、穩(wěn)定水土，勢必讓青稞因地制宜，在青藏高原地區(qū)發(fā)揮出巨大的社會效益和生態(tài)效益。