桂林理工大学

详情

改性蔗渣纤维增强水泥基混合材料基本力学性能研究

申报人：吕亮 申报日期：2025-01-06

基本情况

2025年批次
改性蔗渣纤维增强水泥基混合材料基本力学性能研究 学生申报
创新训练项目
工学
土木类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
崇左市年产蔗糖 200 万吨左右，连续 18 年位居全国首位，而蔗渣是甘蔗经过压榨后得到的纤维状残渣，是世界上最大的农业废弃物。本项目提出一种蔗渣纤维表面改性新方法，显著提高其界面粘结强度和耐腐蚀性能，用以增强普通砂浆、陶粒混凝土及珊瑚混凝土的基本力学性能，建立蔗渣纤维增强水泥基混合材料的理论体系。
参与在研桂林理工大学南宁分校2021年教师科研能力培养项目（KJPY202103），已完成制备一种长度为 3-6mm,抗拉强度为 100MPa-250MPa 的改性蔗渣纤维；制备一种抗压强度为 10MPa-20MPa，抗折强度约5MPa 的改性蔗渣纤维增强砂浆；制备一种抗压强度为20MPa-30MPa，劈裂抗拉强度约 5MPa 的改性蔗渣纤维增强陶粒混凝土；制备一种抗压强度为25MPa-35MPa，劈裂抗拉强度约5MPa的改性蔗渣纤维增强珊瑚混凝土。
主要从事结构工程、新型混凝土的教学与科研工作，主持在研2024年崇左市科技计划项目《改性蔗渣纤维增强水泥基混合材料基本力学性能及耐久性能研究》，完成 2016 年广西壮族自治区教育厅级项目《竹筋珊瑚混凝土力学性能试验研究》，参加国家自然科学基金2 项：“草地植被对定西地区战国秦长城遗址的保护效应研究”与“基于材料界面关系演化的 CFRP 加固锈蚀钢筋混凝土梁的破坏机理研究”。发表期刊论文十余篇，其中SCI论文1篇，中文核心期刊论文 3 篇。
1.主要为项目团队的研究背景和研究设计提供方向性的指导，在难点和重点部分进行把关，帮助项目团队解决项目的难点；
2.主要为项目团队的实践创造条件，根据项目团队的实际需求，可以为项目团队协调实地考察方面的工作；
3.基于自身所在的课题组，能够为项目团队的研究提供较为前沿的学术观点的指导；
4.依托学院实验室资源及课题组资源，为项目团队的实验提供设备上的支持。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
吕亮 南宁分校 土木工程 2022 项目的统筹协调，撰写项目报告和总结
侯文宁 南宁分校 土木工程 2022 负责实验方案的制定和实施
范振海 南宁分校 土木工程 2022 查阅文献、撰写论文
曹书豪 南宁分校 土木工程 2022 基本力学性能试验研究
陈欣怡 南宁分校 土木工程 2023 基本力学性能试验研究

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
刘存鹏 南宁分校 否
汪加梁 南宁分校 否

立项依据

“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期。各地区各部门锚定目标，坚定不移走生态优先、绿色发展之路，统筹产业结构调整、污染治理、生态保护、应对气候变化，协同推进降碳、减污、扩绿、增长，推动绿色低碳发展不断取得新进展。众所周知，水泥基混合材料是目前全世界范围内最重要的建材之一，但是其造价偏高、早期自收缩大、抗高温爆裂性能差等固有缺陷一直是行业内亟待解决的难题。
崇左市年产蔗糖 200 万吨左右，连续 18 年位居全国首位，而蔗渣是甘蔗经过压榨糖分后得到的纤维状残渣，是世界上最大的农业废弃物。蔗渣纤维具有多功能用途，除可用于造纸原料、生物燃料外，还应用于复合材料的研究中。蔗渣的成分以纤维素，半纤维素和木质素为主，其他化合物的含量较少。与其他纤维相比，蔗渣纤维具有较高含量的半纤维素( 27% ) 和木质素( 21% )，具有更好的生物降解性。蔗渣的组成使得它成为增强可降解复合材料的理想成分。
本项目以普通砂浆、陶粒混凝土和珊瑚混凝土作为水泥基混合材料的代表，提出通过掺加蔗渣纤维可同时解决水泥基混合材料的早期自收缩和长期抗高温爆裂的技术难题;为提高蔗渣纤维自身的耐腐蚀性能，提出一种基于接枝和沉积纳米颗粒的蔗渣纤维表面改性新方法，显著提高界面粘结强度和长期耐腐蚀性能。最终建立力学性能—体积稳定性―长期耐久性协同提升的蔗渣纤维增强水泥基混合材料材料理论体系，为解决水泥基混合材料固有缺陷并拓展其工程应用奠定理论基础。
主要研究目标如下：（1）掌握蔗渣纤维与砂浆基体间的粘结特性和界面过渡区微观结构特征，提出蔗渣纤维水泥基混合材料的强韧化机理；（2）研究蔗渣纤维增强水泥基混合材料基本力学性能及耐久性的规律，提出蔗渣纤维的内养护效应及体积变形特征；（3）揭示蔗渣纤维增强水泥基混合材料的抗高温爆裂内在机理，确定预防水泥基混合材料高温爆裂破坏的蔗渣纤维尺寸和掺量范围；（4）开发蔗渣纤维表面改性新方法，实现蔗渣纤维界面粘结性能和抗腐蚀性显著提升。
（1）研究掺不同尺寸和掺量蔗渣纤维对水泥基混合材料流变性能的影响及浆体流变性对蔗渣纤维空间分布和取向度的影响规律；研究蔗渣纤维与水泥基混合材料的流变特性；
（2）研究不同尺寸、掺量蔗渣纤维对水泥基混合材料抗压强度、弯曲强度、弯曲韧性和抗拉强度等静态力学性能的影响规律，确定最佳掺量范围；研究蔗渣纤维对水泥基混合材料抗冲击应力-应变曲线及破坏形态等动态力学性能的影响；
（3）研究不同长径比蔗渣纤维的吸水规律，研究蔗渣纤维吸水饱和后的释水过程，分析蔗渣纤维作为水泥基混合材料内养护材料的吸/释水动态平衡过程；
（4）研究蔗渣纤维增强水泥基混合材料的高温性能，分析蔗渣纤维的抗高温爆裂机理。
混凝土是目前用量最大的建筑材料,然而混凝土抗拉强度低、韧性差、易开裂等诸多缺点至今尚未得到很好的解决,这不但影响混凝土的使用范围和使用寿命,而且常引发一些重大安全事故。近年来,人们开始研究在混凝土中加入各类人造纤维来改善其力学性能,提高其安全性,并取得了很好的效果。例如:将钢纤维掺入混凝土中,制成无配筋超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)矩形梁试件,受载时试件表现出明显的延性破坏特征,并且其极限扭矩可以提升 100% 以上[1];将碳纤维掺入混凝土中可以大幅提高混凝土抗拉和抗压强度,其中抗拉强度可达到普通混凝土的 150% ,弹性模量和延性也均得到了提高[2];将玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维等掺入混凝土中均表现出了优异的增强效果[3-6]。尽管各类人造纤维的掺入对混凝土力学性能的增强都表现出良好的效果,但是人造纤维的生产成本较高,并且生产过程增加了碳排放,因此,研究人员开始将目光投向来源丰富并且价格低廉的天然植物纤维(natural plant fiber, NF)。
我国是农业大国,每年有近 10 亿吨秸秆产出,但秸秆体积松散、运输不便,导致每年约2 亿吨秸秆被废弃,这不但造成资源浪费,而且增加了环境负担[7]。采用植物纤维代替人造纤维来增强混凝土性能,不仅可以解决环境问题,还能极大降低工程成本。植物纤维是一种可再生的天然纤维,具有来源广泛、价格低廉、低碳环保、比强度高等优点[8-10]。大量研究[11-13]表明,在混凝土中掺入适量的植物纤维,不但能增强混凝土的各项力学性能,降低混凝土的制造成本,而且能提高混凝土的保温性能和耐久性。本文针对各类植物纤维的特点,探讨了植物纤维对混凝土力学性能、水化特性、保温性能及其他性能方面的增强方法和效果,并对植物纤维增强混凝土性能的发展前景进行了展望。
(1)利用蔗渣纤维的增韧效果和在受高温作用形成蒸汽通道等特性，同时解决水泥基混合材料早期自收缩大和抗高温爆裂性能差的难题。
(2）先用高温处理去除蔗渣纤维表面杂质，然后在蔗渣纤维表面接枝和沉积大量纳米二氧化硅颗粒，使其与水泥水化反应生成致密的水化硅酸钙胶凝体，既提高界面粘结性能，又提升其耐腐蚀性。
（1）技术路线图及实验方案
各组实验配合比见表1-表4。
表1 蔗渣纤维砂浆(0.015m3)
类型 编号 水 水泥 砂 蔗渣纤维
未处理纤维砂浆 1 225 450 1350 0
2 225 450 1350 1
3 225 450 1350 2
4 225 450 1350 3
5 225 450 1350 4
热处理纤维砂浆（200℃20min） 6 225 450 1350 0
7 225 450 1350 1
8 225 450 1350 2
9 225 450 1350 3
10 225 450 1350 4
水热+沉积纳米处理纤维砂浆（200℃20min） 11 225 450 1350 0
12 225 450 1350 1
13 225 450 1350 2
14 225 450 1350 3
15 225 450 1350 4
碱处理纤维砂浆（30℃下用3%NaOH浸泡120min） 16 225 450 1350 0
17 225 450 1350 1
18 225 450 1350 2
19 225 450 1350 3
20 225 450 1350 4
注：每组3个40*40*160试块，3个70.7*70.7*70.7
表2 蔗渣纤维珊瑚混凝土(0.3m3)
类型
编号 水 水泥 珊瑚砂 珊瑚骨料 水热处理蔗渣纤维 偏高岭土（替代胶凝材料的百分比） 减水剂（占胶凝材料的百分比）
未加偏高岭土 1 160 533 990 660 0 0 1.5
2 160 533 990 660 1 0 1.5
3 160 533 990 660 2 0 1.5
4 160 533 990 660 3 0 1.5
5 160 533 990 660 4 0 1.5
加偏高岭土 6 160 480 990 660 3 10% 1.5
7 160 453 990 716 3 15% 1.5
8 160 426 990 716 3 20% 1.5
9 160 400 990 716 3 25% 1.5
注：每组6个100*100*100、3个100*100*400、3个100*100*300
表3 蔗渣纤维陶粒混凝土(0.3m3)
类型 编号 水 水泥 砂 陶粒 水热处理蔗渣纤维 偏高岭土（替代胶凝材料的百分比） 减水剂（占胶凝材料的百分比）
未加偏高岭土 1 190+46 450 788 468 0 0 0
2 190+46 450 788 468 1 0 0
3 190+46 450 788 468 2 0 0
4 190+46 450 788 468 3 0 0
5 190+46 450 788 468 4 0 0
加偏高岭土 6 190+46 405 788 468 3 10% 2%
7 190+46 382.5 788 468 3 15% 2%
8 190+46 360 788 468 3 20% 2%
9 190+46 337.5 788 468 3 25% 2%
注：每组6个100*100*100、3个100*100*400、3个100*100*300试块
表4蔗渣纤维珊瑚混凝土(C40) 单位：KG
类型 编号 水 水泥 珊瑚砂 珊瑚骨料 水热处理蔗渣纤维 偏高岭土 减水剂
未加偏高岭土 s1 4.96 16.52 30.69 20.46 0 0 0.248
s2 4.96 16.52 30.69 20.46 0.0465 0 0.248
s3 4.96 16.52 30.69 20.46 0.093 0 0.248
s4 4.96 16.52 30.69 20.46 0.1395 0 0.248
s5 4.96 16.52 30.69 20.46 0.186 0 0.248
加偏高岭土 s6 4.96 14.88 30.69 20.46 0.1395 1.63 0.248
s7 4.96 14.04 30.69 20.46 0.1395 2.48 0.248
s8 4.96 13.21 30.69 20.46 0.1395 3.3 0.248
s9 4.96 12.4 30.69 20.46 0.1395 4.13 0.248
注：每组6个100*100*100、3个100*100*400、3个100*100*300试块
（2）拟解决的关键问题
(1）蔗渣纤维在水泥基混合材料的纤维取向规则和协同增强机理
水泥基混合材料的静态和动态力学性能在很大程度上取决于纤维种类、空间分布和取向度，而纤维分布和取向度主要受纤维刚度、浆体流变性和浇注方式等因素控制。由于蔗渣纤维比表面积大、吸水性和浆体粘附性强，会显著提高水泥基混合材料的屈服剪切应力和塑性粘度。所以蔗渣纤维在水泥基混合材料的纤维取向规则及力学性能提升机理是本项目拟解决的关键科学问题。
(2）蔗渣纤维内养护效应对水泥基混合材料体积稳定性与力学性能的作用机理由于水泥基混合材料的胶凝材料用量高、水胶比低，因而早龄期自收缩大、容易产生微裂缝。另外，矿物掺合料和水泥熟料水化反应需要足够的水，而外部环境中的自由水很难进入到高密实度的水泥基混合材料基体内部，导致胶凝材料的整体利用效率不高。蔗渣纤维具有较强的吸水性，可以在水泥水化早期吸收自由水;随着自干燥现象发生，部分自由水会释放到毛细孔中以延缓或减轻自收缩和微裂缝产生。同时，蔗渣纤维内部储存的自由水也会参与纤维界面区域的胶凝材料持续水化反应，从而进一步提高水泥基混合材料的长期力学性能发展。然而，蔗渣纤维的吸/释水动态平衡特征和内养护效应与水泥基混合材料体积稳定性和强度发展间的内在关联尚不清楚。因此，这也是本项目拟解决的关键科学问题之一。
（3）预期成果
1）技术成果
发表研究论文 1-2 篇。
2）经济效益
研究成果的应用初期能形成小规模生产，远期能这到产业化的效果。用蔗渣纤维（约380元/吨）代替聚丙烯纤维（约7600元/吨）增强水泥基混合材料，每吨可节省约7220元。
3）社会效益
广西甘蔗产量居全国首位，该技术既创新了蔗渣多元化利用模式，又能有效缓解建筑工程对无机纤维的依赖，是广西优势产业与基础设施建设的良好融合，响应了绿色发展交通的要求，提高了蔗渣回收利用价值，为广西固体废弃物的绿色利用开辟了新途径，实现农业经济附加值提升，助推乡村振兴。
4）环境效益
本项目采用蔗渣纤维属于可再生可降解的有机植物纤维，部分取代刚钢纤维、聚丙烯纤维等常用纤维，有利于减小碳排放，满足国家的“双碳”要求，推动绿色低碳发展不断取得新进展。
2025年1-4月:收集整理国内外最新资料，准备原材料;研究蔗渣纤维表面改性技术工艺及其作用效果，研究蔗渣纤维对水泥基混合材料新拌性能，静态力学性能的影响，提出纤维强韧化机理。
2025年5-8月:研究蔗渣纤维的吸/释水动态平衡机制，实时监测水泥基混合材料内部水分迁移和分布规律，提出蔗渣纤维对水泥基混合材料体积稳定性的内养护调控机理；研究蔗渣纤维对水泥基混合材料耐高温性能的影响规律和作用机理。
2025年9-12月发表论文1-2篇，提交工作总结报告、成果验收。
（1）与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
项目申请人及团队成员一直从事新型建筑材料、高性能混凝土和绿色先进材料方面的研究，项目申请人先后参与多项市厅级科研项目，在珊瑚混凝土力学性能、植物纤维混凝土耐久性与改性机理和植物纤维表面改性测试方法等方面取得了相关的研究进展。
1）剑麻纤维增强珊瑚混凝土
强度等级为C30的珊瑚混凝土破坏形态表现为骨料破坏。剑麻纤维的掺入对珊瑚混凝土立方体抗压强度影响很小，但可以显著改善其抗折强度与劈裂抗拉强度，使其破坏类型具有一定的延性，最佳掺量为3kg/m3~4.5 kg/m3。通过对剑麻纤维增强珊瑚混凝土微观结构分析可知，其骨料-浆体界面过渡区与纤维-浆体界面过渡区的粘结情况良好。
图4 珊瑚混凝土破坏形态 图5 纤维-砂浆界面
2）椰子纤维增强珊瑚混凝土高温性能
在20℃时，CF与砂浆基体结合较好，可以共同受力；在100℃-300℃时，CF由于脱水导致体积变小，纤维-砂浆界面粘结承载力下降；CF在温度达到 500℃及以上时发生碳化，失去了承受荷载的能力；砂浆基体在20℃-100℃时结构致密，在300℃时C-S-H晶体结构缩小，整体结构较为疏松，在500℃及以上时晶体结构基本消失，整体密实度下降较为严重。高温后的质量损失：在100℃时各试件质量损失较小；在300-500℃阶段，各试件质量损失最大，且在同一温度条件下，随着椰子纤维掺量增加，试件质量损失逐渐增大；在500℃-900℃，质量趋于稳定。
图6 高温后纤维形态 图7 珊瑚断面
（2）已具备的条件
本项目组所在的桂林理工大学具备混凝土材料制备、养护、加工、力学性能和微观结构测试等方面完备的试验条件。本项目所涉及的主要设备:电子万能力学试验机、霍普金森压杆测试系统、原子力显微镜、纳米压痕仪、微米 CT 仪、扫描电子显微镜、超景深显微镜、压汞仪、非接触式自收缩测试系统、X 射线衍射仪、傅立叶变换红外光谱仪、气体渗透性测试仪等。
（3）尚缺少的条件及解决方法
尚缺少资金支持，确保产品落地以便量产，实际投入工程应用中。解决办法为得到资金支持，用于项目启动以及相关技术投入等方面。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 14700.00 支付开展业务、进行实验装置试制、购买材料等费用 8350.00 6350.00
1. 业务费 10200.00 支付项目研发、设计、生产等费用 5450.00 4750.00
（1）计算、分析、测试费 1000.00 SEM照片和XRD分析 800.00 200.00
（2）能源动力费 1500.00 搅拌机等设备所需的电力或燃油及维护保养 1000.00 500.00
（3）会议、差旅费 2000.00 组织各种会议、团队实地考察和参加学术会议等 1500.00 500.00
（4）文献检索费 200.00 购买特定的文献和资料 150.00 50.00
（5）论文出版费 5500.00 论文、专利版面费 2000.00 3500.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 1500.00 用于研发、制造和测试与项目相关的实验 900.00 600.00
4. 材料费 3000.00 购置原材料、试剂等 2000.00 1000.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

版权所有： 南京先极科技有限公司