1. 引言
水泥基材料作为世界上使用最广泛的建筑材料之一，现如今其抗压强度有较大提升，但其收缩大、抗弯强度低、易开裂和韧性差等本质性缺点尤为突出[1]。在工程材料领域，复合化是开发新型工程材料的重要手段，不仅能够改良材料自身的性能，同时扩大材料的应用范围。
目前传统工业纤维作为增强材料与水泥基复合的技术较为成熟[2]。然而，合成纤维造价过高且生产过程能源消耗与废气排放不利于生态环保和可持续发展；金属纤维在裂缝处易锈蚀问题仍然影响着复合材料的耐久性；玻璃纤维具有良好的耐酸碱、隔音、防火作用以及不易变形能力，但在施工过程中易漂浮破坏空气质量对人体健康有较大影响；碳纤维造价过高，材料本身脆性大，易开裂且难以回收[3]。因此，人们渐渐把目光转移到绿色环保的天然纤维。自80年代以来，不少发展中国家利用本国盛产的植物纤维，其中以麻类和椰壳纤维为主，热衷于研究开发植物纤维作为水泥砂浆的增强材料[4]。我国自90年代起也已经开始生产木纤维增强水泥基材料和木浆纤维增强硅酸钙制品[5]。进入21世纪以来，在能源匮乏和低碳减排的压力下，以天然纤维代替传统工业纤维作为增强材料与水泥基材料复合得到了广泛的关注，植物纤维不仅能够改善水泥基材料的力学性能和耐久性能，还能使复合材料具有抗裂增韧、抗冲击、内养护、隔音保温的效果，因此得到了广大学者们的认可[6]。
目前，已有部分学者将植物纤维直接用于水泥基材料中来提高水泥基复合材料力学性能和耐久性能。罗齐鸣等[7]采用原状稻壳和剑麻纤维代替等体积砂制备植物纤维水泥基复合材料，研究发现在稻壳体积掺量为35%和剑麻纤维掺量为0.1%时，剑麻长度为8 mm对复合材料的抗压强度提升较大；长度为16 mm对复合材料抗折性能、抗收缩性能、抗渗性能、抗冻性能有所提升。Zhao等[8]将菠萝叶纤维和苎麻纤维加入水泥基材料中，研究复合材料的物理、力学性能。研究表明这两种纤维有效提高了复合材料的抗拉强度、弹性模量、断裂模量和弯曲韧性，随着纤维掺量增大，提高效果越明显。其中2%的菠萝叶纤维综合性能最佳，椰壳纤维对水泥基复合材料的抗冲击能力提升最大。Santos等[9]将piassava纤维和剑麻纤维以及EVA废料与水泥基材料结合制备复合材料研究其工作性能、力学性能。研究表明，两种纤维均提高了弯曲拉伸强度和韧性，其中剑麻纤维增强效果优于piassava纤维，综合效果最好。徐蕾等[10]将短亚麻纤维加入水泥砂浆中研究其塑性收缩性能，对复合砂浆进行干燥风化处理，通过研究24 h产生的裂缝发现亚麻纤维在控制砂浆塑性收缩方面比聚丙烯和玻璃纤维更有效，当亚麻纤维体积掺量为0.3%时，比普通砂浆裂缝总面积减少99.5%。
考虑到我国是资源丰富的农业大国，每年的农作物产量可达数千亿吨，远远超过了地球上现存的石油和矿产资源的总储量，同时植物纤维凭借自身材质轻，长径比大，比强度高且价格低廉，可循环降解对环境无污染等优点，具有更广泛的开发前景，尤其是对于森林资源匮乏的国家与绝大多数发展中国家而言[11]。因此，在石油资源匮乏和碳减排的压力下，对植物纤维水泥基复合材料的研究，为农作物广泛利用和建筑材料可持续发展提供了一种有效的途径，对日益严重的能源短缺和环境污染问题同样具有重要意义。
本文根据亚麻纤维分散情况，设计制备工艺帮助纤维在水泥基材料中均匀分散。然后将亚麻纤维长度和亚麻纤维掺量作为两个影响因素，选取三个水平进行试验，测试9组复合材料的基本物理性能和力学性能，对试验结果进行分析，研究这两种因素对各项试验指标之间的影响程度和规律，找出最主要的影响因素以及其他因素的最佳水平，依据实验结果，选取定量的纤维长度和纤维掺量，对亚麻纤维进行预处理试验，设置预处理纤维组，未处理纤维组以及不加纤维组，对比分析预处理纤维与未处理纤维对复合材料的、力学性能和耐久性能的影响规律。
2. 原材料
本次试验所考察亚麻纤维复合水泥材料的组成材料为：亚麻纤维、水泥、粉煤灰、砂、少量减水剂、氢氧化钠和氯丁胶乳。
2.1. 亚麻纤维
亚麻纤维是天然亚麻茎外皮中的韧皮纤维，为油籽亚麻加工过程中的副产品，本试验采用某公司生产的亚麻纤维。亚麻纤维主要包含纤维素、半纤维素、木质素、果胶、蜡质等化学物质如表1所示，其力学性能如表2所示。
Table 1. Chemical composition of flax fiber
表1. 亚麻纤维的化学组成
| 纤维素Cellulose/% |
半纤维Hemicellulose/% |
木质素Lignin/% |
果胶Pectin/% |
蜡质Waxiness/% |
灰分Ash content/% |
水分Water content/% |
| 70.0~80.0 |
12.0~15.0 |
2.5~5.0 |
1.40~5.70 |
1.2~1.8 |
0.80~1.30 |
6.60 |
Table 2. Physical and mechanical properties of flax fiber
表2. 亚麻纤维的物理机械性能
| 密度Density/(g·cm−3) |
抗拉强度Flexural strength/MPa |
弹性模量Static modulus ofelasticity/GPa |
断裂拉长率Elongation at break/% |
比强度Specific strength/(MPa·cm3·g−1) |
| 1.4~1.5 |
845~1043 |
19 |
2.6 |
1000~1200 |
2.2. 水泥
本试验采用河南某水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。根据规范[12]要求，对所选用的水泥原材料进行基本性能试验，水泥性能试验结果如表3所示，试验结果表明，选用的水泥各项性能指标均满足规范要求。
Table 3. Measurement results of cement properties
表3. 水泥性能测定结果
|
项目 |
|
试验结果 |
规准规定 |
|
水泥细度 |
|
F = 2.7% |
F为0.08 mm方孔筛筛余百分数，≤10% |
|
水泥标准稠度用水量 |
|
P = 24.6% |
P为标准稠度用水量 |
|
水泥初凝时间 |
|
270 min |
不早于45 min |
|
水泥终凝时间 |
|
435 min |
不迟于10 h |
|
水泥安定性 |
|
1.6 mm |
≤5.0 mm |
| 水泥胶砂强度 |
抗折强度 |
3 d |
3.72 MPa |
≥2.5 MPa |
| 28 d |
7.14 MPa |
≥5.5 MPa |
| 抗压强度 |
3 d |
22.6 MPa |
≥10.0 MPa |
| 28 d |
46.5 MPa |
≥32.5 MPa |
2.3. 粉煤灰
本试验采用郑州某新型建材有限公司生产的I级粉煤灰。其化学成分如表4所示。根据规范[13]要求，对所用粉煤灰原材料进行基本性能试验，试验结果如表5所示，结果表明，该粉煤灰各项性能指标均满足规范要求。
Table 4. Chemical composition of fly ash
表4. 粉煤灰的化学组成
| 成分 |
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
MgO |
SO3 |
K2O |
Na2O |
烧失量 |
| 含量(%) |
2.32 |
53.04 |
34.70 |
2.53 |
0.86 |
0.35 |
1.76 |
0.475 |
3.965 |
Table 5. Performance test results of fly ash
表5. 粉煤灰性能试验结果
| 试验参数 |
试验结果 |
规范要求 |
| 细度(%) |
10.2 |
≤12 |
| 需水量比(%) |
92 |
≤95 |
| 含水量(%) |
0.5 |
≤1 |
| 烧失量(%) |
3.01 |
≤5 |
| 平均粒径(μm) |
20.05 |
/ |
2.4. 减水剂
本试验采用郑州某新型建材有限公司生产的PC570型聚羧酸减水剂，其外观是淡黄色粉末状。根据规范[14]要求，对选用减水剂原材料进行基本性能试验，减水剂性能试验结果如表6所示，结果表明，该减水剂各项性能指标均满足规范要求。
Table 6. Performance test results of water reducer
表6. 减水剂性能试验结果
| 试验参数 |
试验结果 |
规范要求 |
| 减水率(%) |
41.4 |
≥25 |
| 含气量(%) |
2.8 |
≤6.0 |
| 总碱含量(%) |
0.6 |
/ |
| 氯离子含量(%) |
0.04 |
≤0.06 |
| 泌水率比(%) |
54 |
≤60 |
| 凝结时间差(min) |
初凝 |
+70 |
−90~+120 |
| 终凝 |
+30 |
2.5. 细骨料
本试验采用的细骨料为郑州周边普通河砂，根据规范[15]要求，对所选用的河砂原材料进行基本性能试验。试验结果如表7所示，级配曲线图如图1。结果表明，该河砂各项性能指标均满足规范要求。经燥箱烘干后过5 mm筛备用。
Table 7. Physical properties of fine aggregate
表7. 细集料的物理性质
| 含泥量(%) |
泥块含量(%) |
云母含量(%) |
表观密度(kg/m3) |
堆积密度(kg/m3) |
空隙率(%) |
含水率(%) |
细度模数 |
| 2.0 |
0 |
0.4 |
2640 |
1500 |
42 |
5.6 |
2.6 |
Figure 1. Screening curve of river sand
图1. 河砂筛分曲线
2.6. 氢氧化钠
试验用的氢氧化钠由成都科龙化学品有限公司提供的固体(白色小颗粒状)氢氧化钠，NaOH含量 ≥ 98%，其化学成分表如表8所示。
Table 8. Chemical composition of sodium hydroxide
表8. 氢氧化钠化学组成
| 成分 |
NaOH |
Na2CO3 |
Cl |
SO4 |
N |
PO4 |
SiO3 |
Al |
K |
烧失量Fe |
| 含量(%) |
98.1 |
1.5 |
0.005 |
0.005 |
0.001 |
0.001 |
0.01 |
0.002 |
0.05 |
0.326 |
2.7. 氯丁胶乳
氯丁胶乳是一种高分子聚合物，属于氯丁橡胶制品中的一种。氯丁胶乳属于水乳型产品，根据乳化剂的不同，常用产品大致可分为阴离子氯丁胶乳、阳离子氯丁胶乳。氯丁胶乳性能稳定，可抵抗酸碱腐蚀，抗渗性能优越，粘结力强，常常应用于防水防腐工程[16]。
试验所用氯丁胶乳由深圳市吉田化工有限公司提供阴离子氯丁胶乳，外观为乳白色液体。粘度 < 600，PH值为5~6，固体含量50.0 ± 2.0。根据用途，厂家建议使用时将其稀释至10%使用。
3. 试件制备工艺及试验方案
3.1. 试件制备工艺
试件成型时，确定合适的制作工艺可以有效提高纤维在水泥基体中的分散程度，减少纤维成团、成簇，确保复合材料的整体性能。因此采用先干拌再湿拌的方法，先将水泥、粉煤灰、河砂放入搅拌机中搅拌1 min使原材料充分交互一起，然后在搅拌机下1 min搅拌过程中将纤维边搅边加，加完后共同搅拌1 min使纤维与其他材料充分交互，最后将减水剂稀释到水中加入搅拌4 min。搅拌均匀后，倒入刷好机油模具中1/3，在平板振动台上振30 s左右，期间用铁棒辅以插捣，重复两次直至装满模具。这样做的目的是减少因亚麻纤维掺入产生过多的气孔以及使复合材料内部松散结构变得更加密实。由于亚麻纤维质量较轻，分多次装模少次振捣时间，可以减少纤维上浮表面影响增强效果。振捣密实后抹去表面多余浮浆，静置24 h后拆模并放置于标准恒温恒湿养护箱中，分别养护3 d、7 d、28 d后取出进行物理性能和力学性能试验。
3.2. 试验方案
通过前期大量试验，确定各组配合比的水灰比0.38，胶砂比0.33，粉煤灰掺量(粉煤灰占水泥质量的百分比)选定10%。为考察纤维长度和纤维掺量(纤维占胶凝材料的质量的百分比)对亚麻纤维水泥基复合材料的物理性能和力学性能的影响程度，每个因素选取三个水平，其中，纤维长度取5 mm、10 mm和15 mm，纤维掺量取0.25%，0.5%和0.75%，具体试验方案如表9所示。
Table 9. Flax fiber proportioning scheme
表9. 亚麻纤维配比方案
| 试验编号 |
纤维长度/mm |
纤维掺量/% |
| 1 |
5 |
0.25 |
| 2 |
5 |
0.5 |
| 3 |
5 |
0.75 |
| 4 |
10 |
0.25 |
| 5 |
10 |
0.5 |
续表
| 6 |
10 |
0.75 |
| 7 |
15 |
0.25 |
| 8 |
15 |
0.5 |
| 9 |
15 |
0.75 |
4. 试验结果与分析
4.1. 物理性能试验
亚麻纤维的掺入会给水泥基复合材料带来一定数量的开口孔隙和闭口孔隙。其中，开口孔隙参与水分的运输和储存，而闭口孔隙降低了复合材料的密实度，对亚麻纤维水泥基复合材料的表观密度、吸水率、力学强度等都有重要的影响。本文分别从表观密度、开口孔隙率、吸水率三个基本物理参数入手，对试验各组试件分别进行试验测定其基本物理参数。
根据规范[17]中的试验方法对不同龄期的试件进行表观密度、吸水率和开口孔隙率测定，其试验结果如表10所示，从表中可以看出：随着亚麻纤维掺量的增加，复合材料的表观密度逐渐下降，吸水率和开口孔隙率逐渐增大。其中，吸水率和开口孔隙率有一定的对应关系，即开口孔隙率越大吸水率越大，但没有严格对应关系，这是因为复合材料吸水率不仅和孔隙率有关，还与孔隙形状、孔隙特征有密切关系，对于较大孔隙水分易进入，但难留存，只能湿润孔隙壁；对于毛细孔隙水分可留存在毛细孔中[18]。
Table 10. Test results of apparent density, water absorption and open porosity
表10. 表观密度、吸水率和开孔率的测试结果
| 试验编号 |
表观密度(kg/m3) |
吸水率(%) |
开口孔隙率(%) |
| 1 |
1901.46 |
3.63 |
5.95 |
| 2 |
1831.29 |
3.71 |
6.22 |
| 3 |
1805.64 |
4.09 |
6.38 |
| 4 |
1890.27 |
3.65 |
6.03 |
| 5 |
1820.52 |
3.75 |
6.28 |
| 6 |
1795.21 |
4.15 |
6.48 |
| 7 |
1865.36 |
3.71 |
6.05 |
| 8 |
1795.32 |
3.82 |
6.30 |
| 9 |
1770.74 |
4.21 |
6.51 |
根据试验结果，分别绘制表观密度、吸水率和开口孔隙率随亚麻纤维掺量、亚麻纤维长度变化而变化的趋势图如图2~4所示，分析两个因素对表观密度、吸水率和开口孔隙率的影响规律。
从图2可看出，亚麻纤维掺量对表观密度的影响最为显著，随着纤维掺量的增加，复合材料表观密度呈现逐渐大幅度减小趋势。分析原因：纤维与其他原材料相比密度偏小很多，将纤维加入复合材料中带来了大量的孔隙，故表观密度随着掺量增加而减小；随着亚麻纤维长度的增加，复合材料表观密度呈现逐渐减小趋势，且减小幅度相对较小。
在纤维长度10 mm之后，表观密度减少趋势逐渐变大。分析原因：随着纤维长度增加，搅拌过程中纤维易交互缠绕一起，部分纤维在复合材料中出现结团情况，导致复合材料在结团处出现大量孔隙。胶凝材料对某些过长纤维和模具边缘纤维逐渐失去包裹能力，部分纤维暴露在复合材料试件表面，引入了较多开闭口孔隙，导致整体密度下降。
Figure 2. Influence of various factors on apparent density
图2. 各因素对表观密度的影响
Figure 3. Influence of various factors on water absorption rate
图3. 各因素对吸水率的影响
从图3可看出，随着亚麻纤维掺量的增加，亚麻纤维水泥基复合材料的吸水率呈现持续增长趋势，在掺量达到0.5%后大幅度增加；随着亚麻纤维长度增加，复合材料的吸水率呈现持续增长趋势，增长幅度相较于纤维掺量引起的增长较小。
从图4可看出，纤维掺量对复合材料开口孔隙率影响最为显著，随着纤维掺量增加，开口孔隙率呈现不断增大趋势。分析原因：纤维掺量较少时，胶凝材料对亚麻纤维的裹覆能力较强，纤维均匀分散在胶凝材料之中，只有少量纤维分散在模具边缘，试件表面暴露纤维较少，形成闭口孔隙概率大于形成开口孔隙，而随着纤维掺量的增加，产生开口孔隙的概率逐渐提高。
随着纤维长度增加，复合材料开口孔隙率呈缓慢增长趋势。分析原因：纤维长度增加受到胶凝材料包裹程度减小，纤维越长，处于模具边缘的纤维就越容易伸出试件表面，形成开口孔隙。暴露出的纤维在经过长时间浸泡后也具有一定的储水性，开口孔隙率也因此增加。由于开口孔隙率直接参与水分运输和储存，同时也验证了随着纤维掺量和纤维长度的增长复合材料吸水率逐渐增长的原因。
Figure 4. Influence of various factors on the opening porosity
图4. 各因素对开孔孔隙率的影响
4.2. 力学性能试验
4.2.1. 抗折强度试验
将养护至3 d、7 d、28 d的棱柱体试件取出进行抗折强度试验，试验前仔细观察试块是否有裂纹、缺陷并进行尺寸测量，满足要求后设置设备参数，将棱柱体试件卡入夹具中，并且保证试件光滑面朝上，启动机器，待试件断裂后读取强度数值。
通过上述试验方法对不同龄期的试件进行抗折强度测定，试验结果如表11所示，从表中可以看出，随着纤维长度的增加复合材料的抗折强度先增大后减小；随着纤维掺量的增加复合材料的抗折强度呈持续增长趋势。
Table 11. The flexural strength of different ages
表11. 不同龄期的抗折强度
| 试验编号 |
3 d抗折强度(MPa) |
7 d抗折强度(MPa) |
28 d抗折强度(MPa) |
| 1 |
4.4 |
5.7 |
8.6 |
| 2 |
4.7 |
6.0 |
8.9 |
| 3 |
5.1 |
6.3 |
9.3 |
| 4 |
4.5 |
5.9 |
8.8 |
| 5 |
4.8 |
6.2 |
9.1 |
| 6 |
5.2 |
6.5 |
9.5 |
| 7 |
4.5 |
5.8 |
8.7 |
| 8 |
4.8 |
6.0 |
9.0 |
| 9 |
5.1 |
6.4 |
9.4 |
根据试验结果，绘制不同龄期抗折强度随亚麻纤维长度和亚麻纤维掺量变化而变化的趋势图如图5所示，分析两因素对不同龄期抗折强度的影响规律。
长度为10 mm纤维对试件抗折强度增强效果最为明显，此时抗折强度达到最大值。随着纤维长度持续增加，抗折强度呈现先上升后下降趋势。分析其原因：相比长度为5 mm纤维，10 mm纤维具有更明显加筋效应。相比长度为15 mm，10 mm的纤维在复合材料中分散性更好，更易形成空隙较小的均质整体。从试件断折面也可看出，加入的纤维较短时，暴露在断折面纤维也相对较短，断折面处纤维与试件连接较弱。当加入较长纤维时，达到破坏荷载试块仅有开裂并未分开，由长纤维连接断面两端试块，经手动干预后才可分开。但当纤维过长时，复合材料浆体对过长纤维的包裹能力减弱，部分纤维末端暴露出试件表面，在试件内外部形成一定微孔隙，当孔隙率增大的负面影响大于纤维的增韧效果，此时纤维难以发挥作用。
Figure 5. The influence of various factors on the flexural strength of different ages
图5. 各因素对不同龄期抗折强度的影响
亚麻纤维掺量对不同龄期试件抗折强度的影响最为显著。随着纤维掺量增加，试件不同龄期抗折强度呈增大趋势。分析原因：亚麻纤维在复合材料中起到了纤维骨架作用，承担试验过程中部分拉力，提高试件韧性，纤维可以被复合材料浆体较好地裹覆，不易形成空隙，增强整体密实程度，使亚麻纤维发挥出加筋效应。
4.2.2. 抗压强度试验
将养护至3 d、7 d、28 d的立方体试件取出进行抗压强度试验，试验前仔细观察试块是否有裂纹、缺陷并进行尺寸测量，满足要求后设置设备参数，将立方体试件卡入夹具，保证试块光滑面朝上，启动机器，待试件断裂后读取强度数值。
通过上述试验方法对不同龄期的试块进行抗压强度测定，试验结果如表12所示，结果显示：随着纤维长度和纤维掺量增加，不同龄期的抗压强度整体上是逐渐降低。
根据试验结果，绘制不同龄期抗压强度随亚麻纤维长度和亚麻纤维掺量两因素变化而变化的趋势图如图6所示，分析两个因素对不同龄期抗压强度的影响规律。
Table 12. Compressive strength of different ages
表12. 不同龄期的抗压强度
| 试验编号 |
3 d抗压强度(MPa) |
7 d抗压强度(MPa) |
28 d抗压强度(MPa) |
| 1 |
31.7 |
44.5 |
49.3 |
| 2 |
31.3 |
43.0 |
47.8 |
| 3 |
29.9 |
42.7 |
46.7 |
| 4 |
31.3 |
44.2 |
49.0 |
| 5 |
31.0 |
42.9 |
47.5 |
| 6 |
29.6 |
42.3 |
46.3 |
| 7 |
30.8 |
43.5 |
48.5 |
| 8 |
30.4 |
42.0 |
47.0 |
| 9 |
29.0 |
41.7 |
45.8 |
Figure 6. The influence of various factors on the compressive strength of different ages
图6. 各因素对不同龄期抗压强度的影响
随着纤维长度增大，复合材料不同龄期抗压强度也是持续减小趋势。分析原因：纤维过长，水泥浆体不能很好包裹纤维，复合材料内外部空隙增大，纤维与水泥基材料的结合力减弱，整体密实度下降，抗压强度减小；亚麻纤维掺量对不同龄期抗压强度影响最为显著，随着纤维掺量增加，亚麻纤维水泥基复合材料不同龄期抗压强度均是大幅度持续减小趋势。分析原因：抗压强度主要来源于胶凝材料凝结硬化，随着纤维掺量增加，复合材料孔隙率增大，整体密度下降，抗压强度逐渐降低。
5. 预处理亚麻纤维水泥基复合材料的性能研究
植物纤维不仅具有工业纤维相近的强度，而且价格低廉、来源广泛、绿色环保，有可降解、可再生的特性，将植物纤维应用到水泥基材料中，可以有效提高复合材料的韧性和抗拉强度，并能抑制复合材料在凝结时裂缝的产生和发展[19] [20]。但由于植物纤维自身结构特性，纤维在水泥基材料的碱性环境中会逐渐退化甚至降解，影响复合材料的力学性能和长期耐久性能[21]。为进一步研究，改善植物纤维与水泥基材料之间的相容性，需要对植物纤维进行适当的预处理。预处理不仅能有效改善纤维与水泥基体的界面结合还可以对纤维内部细胞产生化学和结构上的变化，使纤维更好地发挥增强作用，解决植物纤维水泥基复合材料难以大范围应用的瓶颈问题。
5.1. 具体处理方法
5.1.1. 碱处理亚麻纤维
配置热碱溶液(60℃，4% NaOH溶液)，把亚麻放入其中并附上保鲜膜，浸泡时间为12 h，随后把浸泡后的亚麻放入清水中多次反复清洗至中性，为避免温度过高引起不良影响，将温度设置为60℃放入鼓风干燥箱中风干。
5.1.2. 氯丁胶乳溶液浸渍亚麻纤维
将热碱溶液浸泡后的亚麻纤维浸渍在10%浓度的氯丁胶乳溶液中24 h，随后用湿润毛巾将纤维表面多余氯丁胶乳吸附后自然风干备用。
5.2. 配合比设计
结合4.1物理性能试验结果和4.2力学性能试验结果，将亚麻纤维长度设定为平均长度10 mm，将粉煤灰掺量固定为占水泥质量的10%，选取预处理亚麻纤维掺量0.5%，水灰比为0.38，胶砂比为0.3以及少量减水剂。对亚麻纤维水泥基复合材料进行配合比计算，并额外增加掺量相同的未处理亚麻纤维wL1组和不掺亚麻纤维的空白组L0，共3组配合比。亚麻纤维水泥基复合材料中各材料配合比如表13所示。
Table 13. Flax fiber content test of each material mix ratio
表13. 亚麻纤维掺量试验各材料配合比
| 试验编号 |
纤维掺量(%) |
水泥(g) |
水(g) |
砂(g) |
纤维长度(mm) |
粉煤灰(g) |
| L0 |
0 |
1224 |
576 |
4320 |
0 |
122.4 |
| L1 |
0.5 |
1224 |
576 |
4320 |
10 |
122.4 |
| wL1 |
0.5 |
1224 |
576 |
4320 |
10 |
122.4 |
5.3. 力学试验研究
5.3.1. 复合材料抗折强度
各试验组7 d、28 d抗折强度如表14所示，各试验组抗折柱状图如图7所示。
Table 14. The flexural strength of each test group at 7 d and 28 d ages
表14. 各试验组7 d和28 d龄期抗折强度
| 试验编号 |
纤维掺量(%) |
7 d抗折强度(MPa) |
28 d抗折强度(MPa) |
| L0 |
0.0 |
5.36 |
8.20 |
| L1 |
0.5 |
5.98 |
9.22 |
| wL1 |
0.5 |
5.30 |
8.11 |
Figure 7. Columnar diagram of flexural strength of each group of composite materials
图7. 复合材料各组抗折强度柱状图
从试验结果可以得知，预处理后的亚麻纤维因自身性能得到提升改善了纤维与水泥基材料之间的相容性，进而提高水泥基复合材料的抗折强度。
分析原因：预处理亚麻纤维和未处理亚麻纤维在影响水泥基复合材料的抗折上有很大的差别，预处理纤维可以明显提高复合材料抗折强度，这是由于热碱溶液浸泡后阻凝物质去除，暴露出多孔粗糙的表面与氯丁胶乳溶液结合后，一部分胶乳通过纤维表面微空隙进入纤维内部，使纤维更密实提高刚性，另一部分胶乳在纤维表面形成粗糙的胶乳薄膜，增强纤维与水泥基之间的界面结合力，同时减弱亚麻纤维自身吸水润胀性，提高纤维在水泥基中的自身耐久性。以上原因是未处理纤维所不具备条件，因此未处理纤维不能增强水泥基复合材料的抗折强度，而且会影响水泥水化进程。
5.3.2. 复合材料抗压强度
各试验组7 d、28 d抗压强度如表15所示，各试验组抗压柱状图如图8所示。
Figure 8. The compressive strength histogram of each group of composite materials
图8. 复合材料各组抗压强度柱状图
Table 15. The compressive strength of each test group at 7 d and 28 d ages
表15. 各试验组7 d和28 d龄期抗压强度
| 试验编号 |
纤维掺量(%) |
7天抗压强度(MPa) |
28天抗压强度(MPa) |
| L0 |
0.0 |
42.43 |
51.71 |
| L1 |
0.5 |
41.07 |
49.93 |
| wL1 |
0.5 |
38.45 |
47.37 |
从试验结果可以看出，不同于抗折强度，抗压强度不论是预处理纤维组还是未处理纤维组，其抗压强度随纤维介入都是有所降低。其中，未处理纤维组对水泥基复合材料的抗压强度负面影响较大，预处理后的亚麻纤维能够减轻纤维介入对水泥基复合材料抗压影响，从而改善复合材料整体性能。
分析原因：预处理后的亚麻纤维自身性能改善，降低了对复合材料抗压强度的影响。但由于复合材料抗压强度主要来源于水泥凝结硬化，亚麻纤维密度较小，纤维的介入降低材料密度，且纤维与水泥基结合面易产生孔隙同样也影响整体的密实度，随着纤维掺量的增加，这种影响越发明显，随之抗压强度下降。未处理纤维与水泥基浆体结合较差，自身吸水性大，亚麻纤维润胀性影响纤维在复合材料中耐久性，纤维中的阻凝物质也影响水泥水化程度，随着纤维掺量增加这些影响越发明显，随之抗压强度大幅度下降。
5.4. 耐久性试验研究
5.4.1. 复合材料干缩试验
对复合材料进行干缩试验，在3 d、7 d、28 d、60 d、90 d干燥龄期时分别进行干缩率与失水率的测定。干缩率的试验结果如表16所示，各试验组组的干缩率趋势如图9所示。
Table 16. Dry shrinkage test results of each group of specimens
表16. 各组试件干缩率试验结果
| 试验编号 |
干缩率(10−6) |
| 3 d |
7 d |
14 d |
28 d |
60 d |
90 d |
| L0 |
191 |
325 |
573 |
768 |
860 |
880 |
| L1 |
170 |
289 |
515 |
684 |
773 |
789 |
| wL1 |
186 |
307 |
546 |
717 |
798 |
810 |
Figure 9. Dry shrinkage trend of each test group
图9. 各试验组的干缩率趋势
对比分析不同试验组的干缩率结果，可以得出：预处理亚麻纤维和未处理亚麻纤维都可以降低水泥基复合材料的干缩率，水泥基复合材料的干缩率由高到低依次为：不掺纤维组 > 未处理纤维组 > 预处理纤维组。分析原因：
水泥基复合材料干燥收缩的本质是基体水分向外迁移导致试件内部发生形变，从而引起干缩变形。亚麻纤维改善水泥基复合材料干缩率的主要因素是：① 纤维在水泥基材料中分布均匀，改善复合材料浆体的表面张力，减少水分迁移，从而提高了保水性。② 亚麻纤维具有一定吸水性，在复合材料干缩过程中，纤维可以锁住部分游离水分子，随着复合材料的进一步收缩，纤维中水分逐渐被挤压出去，延缓了复合材料水分迁移的时间，从而降低了干缩率。③ 亚麻纤维具有一定刚性和体积，可以在复合材料干燥收缩时产生与其收缩方向相反约束力，限制复合材料进一步收缩，有效降低干缩率。其中未处理纤维比预处理纤维吸水性强，且自身体积和密实度均小于预处理纤维，干燥后易使复合材料内部水分流失过多，产生相对更多的干缩变形，因此未处理纤维造成的干缩率大。
5.4.2. 复合材料冻融循环试验
质量损失率：质量损失率是评价亚麻纤维水泥基复合材料抗冻性的重要指标，复合材料受到冻融循环作用后，其内部损伤和表面材料脱落导致质量下降。本试验对各组试件每20次冻融循环后进行一次测试，其质量损失率与冻融次数关系如图10所示。由测试数据可知，随着冻融循环次数增加，各组份试件质量损失越大。
Figure 10. The mass and mass loss rate of each group under freeze-thaw cycles
图10. 各组冻融循环下的质量和质量损失率
1) 由图10可知，冻融循环试验开始之前试件经过4 d浸泡，各试验组质量有所差距，其中预处理纤维组质量大于空白组L0质量，而未处理纤维组质量小于空白组L0。分析原因：纤维掺入导致试件整体密度下降，尤其是未处理纤维组，纤维与水泥浆体结合力较差，形成空隙较多，对试件质量负面影响较大。而预处理纤维自身密实，吸水量少，且与水泥浆体界面结合较好，不易形成空隙，对试件质量影响较小。随着4 d浸水养护，预处理纤维组随着纤维掺量增大，试件整体吸收水分变多，此时掺量大组在质量上超过空白组L0。而未处理纤维组，自身质量与空白组差距较大，随着纤维掺量增大产生较大吸水量，但质量仍难以与空白组持平。
2) 经历20次冻融循环后，各组试件质量均有所提升。分析原因：前20次冻融循环期间，复合材料中胶凝材料吸收水分后进一步水化反应生成更多凝胶体，在每次冻融循环后填补一定孔隙。在此期间，亚麻纤维在复合材料内部能够释放少量水分帮助胶凝材料继续水化，因此试件质量有所上升。其中预处理纤维吸水性弱，在循环过程中不易开裂，未处理纤维吸水能力较强，多次循环后，纤维易软化水解丧失部分质量。
3) 20次之后冻融循环试验中，各试验组试件质量均开始下降。对比各组试件在40、60、80、100次冻融循环质量损失率。其质量损失率由高到低依次为：未处理纤维组 > 不掺纤维组 > 预处理纤维组。分析原因：① 随着冻融循环试验进行，游离水分随着温度降低和升高不断地冻结和解冻。这个过程产生新孔隙且导致已有孔隙直径增大，此时胶凝材料水化反应对其填补能力越来越弱。随着冻融次数继续增加，试件表浆损失暴露出砂和纤维，更严重时，棱边严重受损，四角开裂破损。当剥落物质量大于试件吸水量时，质量损失率也越来越大。② 预处理纤维自身性能改善，在复合材料中起到了三维加筋作用，增大纤维与复合材料之间摩擦阻力，同时复合材料整体聚合力也有所增强，能够有效遏制复合材料在冻融循环作用下质量流失。③ 未处理纤维与水泥基材料结合能力差，试件整体空隙较多。
6. 结论
1) 试验结果分析表明亚麻纤维掺量对亚麻纤维水泥基复合材料的表观密度、吸水率、开口孔隙率、抗折强度、抗压强度响最为显著。
2) 亚麻纤维掺量的增加会降低复合材料的表观密度，增大开口孔隙率和吸水率，进而对抗折、抗压强度产生一定影响。当纤维掺量较为合适时，纤维才会更好地发挥加筋效应；亚麻纤维长度过长时对复合材料的物理性能和力学性能产生不利影响。在合适长度和掺量时，会提升亚麻纤维的抗折强度。
3) 综合考虑各因素对亚麻纤维水泥基复合材料的性能影响，最佳纤维长度为10 mm。
4) 预处理纤维可以提高复合材料的抗折强度，降低复合材料的抗压强度，但与未处理纤维相比抗压强度下降的幅度较小；各试验组抗干缩能力由大到小为：预处理纤维组、未处理纤维组、不掺纤维组，抗冻能力由大到小为：预处理纤维组、不掺纤维组、未处理纤维组。