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文献精读 Cem. Concr. Compos.：经化学处理的废旧木纤维的表征及其在水泥基复合材料中的潜在应用  背景介绍 随着日益增长的人口与经济，越来越多的建筑被翻新、维修或拆除，导致产生了大量的建筑废弃物（CDW）。CWD的增加对环境及经济产生了越来越大的影响，因此回收CDW再利用得到了相关人员的关注与研究。其中混凝土碎石作为废弃材料被重新用作建筑基础材料，而75%的废木材被搁置或当作燃料，造成了极大的浪费，因此相关研究人员将废木材作为纤维，探究其是否可以提高建筑材料力学性能。 研究出发点 在复合材料中加入天然纤维，能够提高其抗弯强度、耐火性和低导热性。木纤维作为一种天然纤维，其纤维结构具有高强度重量比。然而，在加工过程中，木纤维表面的木质素分离会减少纤维间的结合。此外，木纤维表面的高浓度亲水基团，可能导致界面相容性变差。相关文献研究表明，为了改善天然纤维和复合材料基体之间的界面相容性，可以通过碱处理来降解非纤维素杂质，从而提高天然纤维复合材料中的纤维强度以及纤维基体附着力。但是，使用碱处理的竹纤维在密度、屈服强度、极限抗拉强度和杨氏模量方面均有性能下降的趋势。因此，研究碱处理对废木纤维（WWF）水泥基复合材料性能的改进具有一定意义。基于此，该研究对WWF进行碱处理，并对掺有不同浓度和不同碱处理时间的WWF水泥基复合材料进行了微观结构分析和力学性能分析。 全文速览 土耳其-哈斯特帕大学-Mustafa Sahmaran课题组首先以氢氧化钠（NaOH）溶液浓度和碱处理时间为变量，对WWF进行了碱处理。其次，使用SEM和FTIR对经过碱处理的WWF水泥基复合材料进行了微观结构分析。最后，通过抗压试验和四点弯试验对含有WWF水泥基复合材料进行了力学性能分析。微观研究结果表明，经碱处理后，WWF表面的杂质被成功去除。但是，碱浓度过高和处理时间较长会导致WWF长纤维素链被降解，从而使结构变得更加破碎和不均匀。力学性能试验研究结果表明，经过碱处理的WWF水泥基复合材料抗弯性能更好，而且抗压强度也有一定提升。相关论文以“Characterization of chemically treated waste wood fiber and its potential application in cementitious composites”为题，于2023年发表在《Cement and Concrete Composites》。 图文解析 （1）SEM分析  图1 (a)(b)未经碱处理的WFF (c)(d)2.5 M碱溶液处理12h 由图1可知，将未经处理的WWF和经2.5 M碱溶液处理12h的WWF进行比较，碱处理的WWF表面比未经处理的WWF更粗糙，这可能是碱处理减少了WWF表面杂质（非纤维素物质或纤维素结合材料），包括半纤维素、木质素、油、蜡和其他无机物质。此外，由于碱处理时间增加，导致WWF出现了一些破坏和断裂，这可能是因为NaOH降解了暴露的纤维素。  图2 (a)2.5 M (b)5.0 M (c)10.0 M不同碱溶液浓度处理WWF(12h) 由图2可知，随着NaOH溶液浓度增加，WWF表面杂质逐渐减少。当NaOH浓度超过2.5 M时，WWF的大部分表面杂质被清除，但其微观结构被略微破坏，这可能会导致纤维强度降低。在NaOH浓度为10 M时破坏最为严重，WWF表面发生高度碎裂，微纤维形态被破坏。这是因为无机杂质在高浓度下被去除，纤维素链失去活性，从而破坏了纤维素的晶体结构。  图3 (a)2h (b)4h (c)6h不同碱处理时间WWF（碱浓度2.5 M） 由图3可知，在处理2h和4h的WWF中观察到一致的纤维排列，当碱处理时间从2h变为4h，孔隙数量增加，并且能够观察到更多无机材料分解。SEM图像还显示，随着处理时间的变化，增加了无机物的降解，但在一定的处理时间后，纤维的微观结构也开始降解。 （2）FTIR分析  图4 (a)2.5 M NaOH处理不同时间 (b)不同浓度NaOH处理2h后WWF的FTIR光谱 由图4可知，无论是否经过碱处理，WWF都呈现出以纤维素、半纤维素、木质素为主的典型吸收带。但最佳碱浓度和处理持续时间不能通过FTIR分析确定，因为在不同碱处理条件下检测到的波段吸收变化并不明显。 （3）四点弯曲试验  图5 不同碱浓度处理WWF复合材料的载荷-位移曲线 由图5可知，随着碱浓度增加到2.5 M，WWF复合材料的承载能力逐渐增加，2.5 M-2h-WWF复合材料的抗弯强度比普通砂浆提高了39%；比未碱处理WWF复合材料提高了34%。这是因为WWF表面积增加能够提高其与基体界面之间的粘附力。当超过2.5 M碱浓度时，5.0 M-2h-WWF和10.0 M-2h-WWF复合材料的承载能力分别降低了24%和30%，这可能是因为木质纤维素被高浓度NaOH分解，导致WWF刚度降低，从而降低其抗弯性能。 （4）抗压强度  图6 各组抗压强度变化图 由图6可知，未经碱处理的WWF复合材料抗压强度比普通砂浆降低了12.4%，这是因为WWF表面存在木质素、半纤维素和蜡油等杂质，导致WWF与水泥基体之间粘附性变差。经过2.5 M-2h处理的WWF复合材料抗压强度比普通砂浆高6.4%，比未经处理的WWF复合材料高21.5%，这是因为采用最佳碱处理浓度和最佳碱处理时间能够消除WWF表面杂质，从而提高了WWF与基体之间的粘附能力。 （5）SEM观察WWF增强机体  图7 (a-c)未处理WWF (d-f)2.5 M-2h处理WWF (g-i)10.0 M-12h处理WWF 由图7可知，未经处理的WWF表面光滑，与基体结合情况较差。2. 5M-2h处理的WWF和基体之间有足够的粘合，这是因为经过NaOH处理，使WWF表面高度分层并且去除了表面杂质，使得基体与纤维之间可以更好的粘附。10.0 M-12h处理的WWF和基体之间的粘附性差，纤维结构被破坏，纤维表面附着的基质较少。 总结 该文通过SEM、FTIR、抗压试验和四点弯试验，研究了不同碱浓度（1.0 M、2.0 M、2.5 M、5.0 M、10.0 M）和不同处理时间（2h、4h、6h和12h）对从废木纤维（WWF）微观结构特性的影响，以及水泥基体与WWF界面结合特性的影响。研究结果表明，碱处理能够改变WWF表观形态，碱浓度和碱处理时间对WWF的性能有显著影响。2.5 M-2h处理的WWF复合材料抗弯强度达到7.9MPa，比未碱处理的WWF复合材料和普通砂浆性能更高。经2.5 M-2h处理的WWF复合材料抗压强度比普通砂浆高6.4%，比未进行碱处理的WWF复合材料高21.5%。SEM分析结果表明，未进行碱处理的WWF表面光滑，纤维更容易被拉出或者断裂，与基体结合较差。然而，经过2.5 M-2h处理的WWF表面比未经过碱处理的表面更粗糙，与基体结合力较好。 本期编者简介 翻译： 冯晨潞 博士生 深圳大学 审核： 耿松源 博士生 深圳大学 排版： 唐 懿 硕士生 深圳大学 本期学术指导 何 闯 博士后 深圳大学 龙武剑 教 授 深圳大学 文献链接： https:///10.1016/j.cemconcomp.2023.104938 |
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