青稞纤维表面改性及其对生态混凝土力学性能的影响

赵玉青, 王建翎

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节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2022 ›› (6) : 16-23.
水环境与水生态

青稞纤维表面改性及其对生态混凝土力学性能的影响

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Surface Modification of Highland Barley Fiber and Its Modification Effect on Mechanical Properties of Ecological Concrete

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摘要

为了研究青稞纤维对生态混凝土力学性能的提升，采用NaOH、NaOH+ H2O2、冰醋酸+NaClO2等处理方法对青稞纤维进行表面改性处理，通过正交试验寻求最佳改性方式，同时借助XRD、FTIR、SEM等测试手段，从不同角度对不同处理的青稞纤维进行表征；将改性前后的青稞纤维掺入生态混凝土中，分别测试其抗压、劈裂抗拉和抗折强度，分析改性效果和对生态混凝土力学性能的影响规律。结果表明，采用6%NaOH+10% H2O2溶液在40~50 ℃环境下对青稞秸秆纤维预处理，表面改性效果优良；纤维的掺入减小了生态混凝土内部的孔隙含量，混凝土的立方体抗压强度有所降低，而抗拉、抗弯能力大大增强；相较于未改性纤维混凝土，改性纤维混凝土的28 d抗压、抗折、劈裂抗拉强度分别提高了4.3%、16.5%、20.3%，纤维素得到有效提纯，大大提高了生态混凝土结构的整体性和韧性。

Abstract

In order to study the improvement of highland barley fiber on the mechanical properties of ecological concrete， NaOH， NaOH+H2O2， or glacial acetic acid + NaClO2 are used to modify the surface of highland barley fibers. The optimum modification method is sought through the orthogonal test. Meanwhile， with the assistance of modern material testing methods like XRD， FTIR， SEM etc.， modification effects are evaluated from different perspectives. The highland barley fiber before and after modification is then mixed into ecological concrete， measuring its compressive， splitting tensile and flexural strength respectively to analyze modification effect and its influence on the mechanical properties of the ecological concrete. The results show that the pretreatment of highland barley fiber with 6%NaOH+10%H2O2 solution at 40~50 ℃ has a superior surface modification effect. In addition， the incorporation of fibers has decreased the pore contents inside the ecological concrete. The compressive strength of fiber ecological concrete is lower than that of ordinary ecological concrete， while its tensile and bending resistance are significantly enhanced. Compared to unmodified fiber concrete， the 28 d compressive， flexural， and splitting tensile strengths of modified fiber concrete has increased by 4.3%， 16.5% and 20.3% respectively. Hence， cellulose in highland barley fiber is effectively purified， which greatly improves the integrity and toughness of the ecological concrete structure.

关键词

青稞纤维 / 表面改性 / 生态混凝土 / 力学性能

Key words

highland barley fiber / surface modification / ecological concrete / mechanical properties

基金

西藏科技厅项目(ALQYKJCX2020-03)

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赵玉青 , 王建翎. 青稞纤维表面改性及其对生态混凝土力学性能的影响[J].中国农村水利水电, 2022(6): 16-23
Yu-qing ZHAO , Jian-ling WANG. Surface Modification of Highland Barley Fiber and Its Modification Effect on Mechanical Properties of Ecological Concrete[J].China Rural Water and Hydropower, 2022(6): 16-23

0 引 言

青稞属禾本科，是青藏高原的独有物种和最具高原特色的农作物之一，它耐瘠薄和高寒，生长周期短，早熟高产，在青藏高原地区原料丰富，适应性广。以西藏为例，西藏青稞年种植面积12.31 万hm2，年产量44.66 万t［1］。作为植物纤维的一种，青稞秸秆内的青稞纤维具有取材方便、价格低廉、断裂强度大等优点，其内部富含纤维素、半纤维素、木质素等有机天然高分子物质，纤维结构紧密，有良好的韧性和抗拉强度。但青稞秸秆中纤维素、木质素、半纤维素等往往紧紧地混合在一起，很难进行分离，而青稞纤维中只有纤维素能对混凝土起到增强增韧的作用，如何对青稞纤维进行表面改性处理，从中最大限度地提纯纤维素成为了亟需解决的问题。
目前，植物纤维素分离技术主要有物理处理法、化学处理法、生物处理法、组合法等，物理改性方法主要包括热处理、蒸汽爆破处理、等离子体处理和高能射线辐照处理等，虽然物理方法对植物纤维本体的破坏很小，但对设备要求较高、处理时存在时效性问题［2］；化学表面改性主要是利用纤维表面的活性基团，借助各种化学试剂在纤维表面接枝到稳定地基团，让植物纤维的化学键结构和特征发生变化，如碱处理、偶联剂改性处理、表面接枝处理等［4］，Chen等［5］比较了用稀酸、石灰、氨水/稀酸、稀碱4种不同化学试剂对玉米秸秆进行预处理，结果表明稀碱预处理对于纤维残渣酶解效率的提高最为有效。
生态混凝土，又名无砂多孔混凝土，是以大粒径粗骨料为骨架，加以水泥净浆、外加剂胶结形成的具有蜂窝状孔隙的混凝土结构。相对于传统混凝土，如果将其应用于护坡，它不仅可以解决护岸防冲问题，还可以使岸坡绿化、净水滤污，把混凝土的硬化与绿化完美结合起来［6］。但它属于一种轻质混凝土，存在抗压、抗拉强度较低、韧性差的缺点，向混凝土中掺入纤维可改善其性能。苏强等［7］制备棉花秸秆纤维混凝土，发现纤维的掺入对混凝土的劈裂抗拉强度提高了41.64%，且棉花秸秆纤维对混凝土劈裂抗拉强度的增强效应大于对抗压强度的增强效应；李超飞等［8］通过对同一混凝土配合比不同掺量、不同形状稻草纤维混凝土的物理力学性能进行试验，研究表明未做处理的稻草加入混凝土中对混凝土基本力学性能的改善效果不是很明显，加入稻草纤维后，混凝土的抗压强度有所下降，但是其抗冲击性能有所提高，杆状相比丝状效果要好。因此，制备经过改性处理的青稞纤维混凝土，势必从一定程度上改善其基本性能，将其应用于青藏高原地区，会因地制宜，显著提高两者的应用价值。
本文从化学方法改性的角度出发，探讨了青稞纤维表面改性的处理工艺及其效果，分别对青稞纤维用NaOH、NaOH+H2O2、冰醋酸+NaClO2等溶液预处理，设计了预处理溶液、预处理时间、热处理温度的率的三因素三水平L9（3×3）正交试验，借助X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）等辅助分析手段，从结晶度、分子内基团振动频率、微观形貌等角度分析比较了改性前后青稞纤维的成分、纤维结构、晶态的变化，以提取出纤维素纯度较高的改性青稞纤维。同时，在生态混凝土中分别掺入改性前后的青稞纤维，通过宏观破坏性试验（抗压、劈裂抗拉、抗折）研究青稞纤维改性效果，综合分析得出其对生态混凝土力学性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

（1）青稞纤维：本试验采用的青稞秸秆，产于西藏自治区阿里地区。将青稞秸秆自然风干，用石磙碾压，并清洗干净，放置于105 ℃烘箱中至完全干燥，然后放到麻丝袋中避光保存。
根据标准NB/T 34057.5-2017 《木质纤维素类生物质原料化学成分的测定》进行化学成分分析，结果表明，青稞秸秆内富含青稞纤维，主要由水分、灰分、苯醇提取物、纤维素、木质素、半纤维素等组成，其中纤维素含量占40.11%，木质素14.12%，半纤维素32.01%以及其他杂糖、蜡质等聚合物成分［9］，宏观形貌如图1所示，从宏观形貌来看，青稞秸秆纤维的长宽比较大，其细长特点决定了它的韧性，可以在混凝土中起到增强增韧的作用。力学性能从很大程度上决定了植物纤维的性能好坏和利用价值，青稞秸秆纤维的基本性能参数如表1所示。
图1 青稞秸秆宏观形貌及微观形貌

Fig.1 Morphology of highland barley straw on macro and micro level

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表1 青稞秸秆纤维的基本性能参数

Tab.1 Basic parameters of highland barley straw fiber

密度/ （g·cm-3） 拉伸强度/ MPa 拉伸模量/ GPa 断裂伸长率/ %
1.45 400~700 10~80 1.9
青稞纤维表面改性处理所用氢氧化钠、过氧化氢、冰醋酸、亚氯酸钠等溶液均符合质量要求。
（2）水泥：试验使用的是新乡市新星水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其基本物理性能参数见表2所示。
表2 水泥基本技术参数

Tab.2 Basic technical parameters of cement

密度/ （g·cm-3） 细度/ % 比表面积/ （m2·kg-1） 凝结时间/min 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa
初凝 终凝 3 d 28 d 3 d 28 d
3.1 4 355 205 265 5.3 9.8 25.6 50.7
（3）粗骨料：青藏高原地区生态平衡相对脆弱，禁止开山崩石，所以生态混凝土里面的骨料只能采用当地的卵石。粗骨料与水泥浆体胶结成多孔混凝土，骨料粒径越大，堆积密度越小，卵石形成的骨架空隙较多，力学性能却会变差。综合考虑，本试验选用粒径10~20 mm的粗骨料，依据SL/T352-2020 《水工混凝土试验规程》进行物理性能测试，测试结果如表3所示。
表3 骨料的物理性能

Tab.3 Physical properties of aggregates

表观密度/（kg·m-3） 紧密堆积密度/（kg·m-3） 堆积密度/（kg·m-3） 压碎 指标/% 含泥量/% 空隙率/%
2 780 1 540 1 380 8.20 0.19 45
（4）减水剂：试验采用聚羧酸系高效减水剂，大连市铭源全科技开发有限公司生产的高效减水剂。
（5）透水混凝土增强剂：外加剂的一种，用于促进胶凝浆体与骨料之间的黏结力，本试验使用南京久禾润生态有限公司生产的透水混凝土增强剂（SR-5z）。
（6）水：生态混凝土拌合使用的是普通自来水，符合JGJ 63-2006 《混凝土用水标准》中混凝土拌和用水水质要求。

1.2 试验设计及试验方法

1.2.1 青稞纤维表面改性处理试验设计

青稞纤维作为植物纤维的一种，具有密度小、成本低、可降解、比强度和比刚度高等显著优势［10］，在其化学组成中纤维素是最重要的化学成分。如果对青稞纤维表面施以改性处理，设法去除木质素、半纤维素、果胶等物质而只保留纤维素，可有效提高青稞纤维的韧性，促进青稞纤维与混凝土骨料的拉结，从而从宏观上大大提高混凝土强度和耐久性，增强抗裂能力。基于此，本文拟采用3因素3水平的正交试验设计，使用6%NaOH、6%NaOH+10% H2O2、3%冰醋酸+1.5% NaClO2溶液3种方法分别对青稞纤维表面改性处理，研究预处理溶液、预处理时间、热处理温度3种因素对改性效果的影响，得到正交因素表如表4所示。
表4 正交因素表

Tab.4 Orthogonal factor table

水平

A

预处理溶液

B

预处理时间/h

C

热处理温度/℃
1 6%NaOH 2 80
2 6%NaOH+10%H2O2 4 100
3 3%冰醋酸+1.5%NaClO2 6 120
由以上正交可知，共有9种纤维改性的方法。按照以下不同的条件，具体预处理方案如表5所示。
表5 正交试验设计预处理方案

Tab.5 Orthogonal design pretreatment scheme

样品 编号

A

预处理溶液

B

预处理时间/h

C

热处理温度/℃
T1 6%NaOH 4 100
T2 6%NaOH 2 80
T3 6%NaOH 6 120
T4 6%NaOH+10%H2O2 6 80
T5 6% NaOH+10%H2O2 4 120
T6 6% NaOH+10%H2O2 2 100
T7 3%冰醋酸+1.5%NaClO2 2 120
T8 3%冰醋酸+1.5%NaClO2 6 100
T9 3%冰醋酸+1.5%NaClO2 4 80
在上述试验中，将青稞秸秆去叶、切成10~25 mm的微段，置于不同条件的预处理溶液中处理，处理温度为40~50 ℃温水浴。并将上述处理获得的青稞纤维用蒸馏水清洗，直到用pH值试纸检测最后一次清洗液时pH值为7为止，再将清洗好的青稞纤维在不同热处理温度下烘至完全干燥。为对比改性效果，增设编号T0的对照组，该组将青稞纤维浸泡于蒸馏水中并完全干燥。

1.2.2 纤维增强生态混凝土试验方法

资料表明，为保证生态混凝土的强度，孔隙率宜控制在20%~30%，水灰比控制在0.25~0.35，本试验选用孔隙率25%、水灰比0.30的无砂多孔混凝土进行制备。生态混凝土配合比设计采用单位绝对体积法，即胶凝材料体积+粗骨料体积+设计孔隙体积=1，得出生态混凝土原材料的配合比如表6所示。
表6 生态混凝土的配合比

Tab.6 Mix ratio of ecological concrete

集料粒径/ mm 孔隙率/ % 水灰比 粗集料/ （kg·m-3） 水泥/ （kg·m-3） 水/ （kg·m-3） 减水剂/ （kg·m-3） 增强剂/ （kg·m-3）
10~20 25 0.30 1 509 333 100 3.33 9
选择纤维掺量为3 kg/m3，采用两次投料法制备生态混凝土试件，在标准条件下养护至7 d和28 d，分别对其进行抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度测试［11］。为了对比改性效果，选择不掺加纤维、未改性纤维和改性纤维三组试件进行同步试验。纤维的掺入势必影响到混凝土孔隙内部的联通情况，为进一步揭示纤维的加入对混凝土结构的影响，用排水法进行了孔隙率测试试验，试验方法如下：
将外观规则、表面平整的100 mm×100 mm×100 mm的试件，浸泡24 h，称取在水中的质量m 1，然后烘干以后测干重m 2，置于养护室标准养护24 h以后取出测量质量m 3。最后试件用保鲜膜包裹，用排水法测出试件的体积V。则生态混凝土的有效孔隙率为
P=1-m1-m3V×100%
总孔隙率为：
1-m1-m2V×100%.
式中：m 1为试件浸泡24 h以后在水中的质量，kg；m 2为干重，kg；m 3为养护24 h以后的试件质量，kg；V为标准试件的体积，m3。

1.3 试验仪器及测试表征

本文采用一系列现代测试技术，从微观结构上研究表面处理前后青稞纤维物相、物质含量、组成结构的变化。
（1）X射线衍射（XRD）分析。X射线衍射分析是通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，来获得材料成分、内部原子或分子的结构或形态等信息，主要用于研究物质物相和晶体 结构。当样品晶体被X射线照射会产生不同程度的衍射现象，而这是由物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型等决定的，会直接体现于衍射图谱中，因此采用这种方法来进行青稞纤维样品的物相分析和晶体结构分析。仪器工作电压40 kV，电流40 mA，2θ/θ偶合连续扫描，扫描范围为10°到90°，Cu靶扫描，计数时间为2 s/步。
（2）傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。傅里叶变换红外光谱可用于测定物质分子组成和结构，适用于有机化合物官能团的定性和结构分析及无机矿物的定性分析（包括液体、气体、固体粉末及薄膜等）。由于XRD试验只能分析得到晶体结构的信息，考虑到青稞纤维包含无序的非晶态信息，因此采用 FTIR这种对非晶态材料敏感的技术，表征通过不同环境改性处理后纤维素、木质素、半纤维素等有机物含量的变化情况。在FTIR仪上使用KBr 压片方法测试不同处理后的青稞纤维的官能团，波数范围为4 000～500 cm–1。
（3）扫描电子显微镜（SEM）分析。为实现样品区域微观形貌的放大成像，三维立体地观察表面处理前后青稞纤维的表面形貌和微观结构的变化。先制作纤维纵向切片，然后在扫描电子显微镜下观察表面形态 ，加速电压为3.0 kV，样品喷金时间为30 s。
（4）力学性能测试。本试验对力学性能的测试采用华龙万能力学试验机，参照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对生态混凝土进行抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度的测试。

2 试验结果及分析

2.1 表面改性处理的结果分析

2.1.1 形貌变化

各种改性环境下青稞纤维的宏观形貌变化如图2（a）、（b）、（c）所示。其中，NaOH属于强碱溶液，H2O2、冰醋酸和NaClO2属于酸性溶液且H2O2和NaClO2具有强氧化性。
图2 不同溶液处理下青稞纤维的形态

Fig.2 Morphology of highland barley fiber under

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青稞纤维在温水浴加热预处理过程中，发生一系列物理化学反应，其化学组成发生变化，伴随有纤维颜色、尺寸、粗糙度等的一系列变化。具体如下：
在6%NaOH处理过程中，随着时间的延长，纤维颜色逐渐变深，呈棕色或深棕色，纤维的细度变细，同时溶液中可观察越来越多的絮状物质；在6% NaOH与10%H2O2溶液混合处理时，由于过氧化氢的漂白作用，所得到的青稞纤维本身的黄色不断变浅，并有大量的气泡从烧杯底部浮到溶液上方，溶液上方出现少量泡沫；用冰醋酸+NaClO2溶液处理后青稞纤维的“白化”现象明显。

2.1.2 X射线衍射分析

纤维素是由D-吡喃葡萄糖以β-1，4糖苷键连接而成的高聚物，根据其分子结构排列是否紧密和规则，将纤维素分为结晶区和无定形区，结晶度是描述纤维素超分子结构的一个重要参数，它表示纤维素中结晶区占纤维总体积的百分率，反映了纤维素聚集时形成结晶的程度［11］。在纤维素的结晶区，由于大分子排列比较整齐、密实，缝隙空洞较少，分子间各个基团的结合力接近饱和，因而纤维吸湿较困难，强度高，变形较小；在非结晶区，大分子排列比较紊乱，堆砌比较疏松，并有较多的缝隙和孔洞，一些大分子表面的基团距离较大，连接力较小，没有完全饱和，易于吸湿、渗透和染色，并表现出强度低、变形大的特点［12］。因此，改性的目的是提高青稞纤维素结晶度，改变其性能。利用MUI jade6.0软件对9种改性处理方式下青稞纤维试样进行X射线衍射试验，得到XRD谱图如图3所示。
图3 不同改性方式下XRD分析结果

Fig.3 XRD analysis with different modification methods

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本试验中，将处理条件下（T1-T9）青稞纤维的XRD曲线进行对比，或将处理与未处理（T0）条件下青稞纤维的XRD曲线对比，分析不同条件下青稞纤维结晶性能。X射线衍射试验表明，不同条件预处理前后，青稞秸秆衍射图谱基本相似，这表明化学处理主要发生在表面而并未改变纤维的内部结构，同时也说明XRD进行的是物相分析，青稞纤维的基本物相是一致的。根据分峰拟合法分析，可以得到各样品的结晶度的试验指标，结合IBM SPSS 26.0对结晶度进行正交极差分析和方差分析以得出影响结晶度的主次因素和优水平组合，各组样品的结晶度及直观分析表如表7所示，方差分析情况如表8所示。
表7 正交试验极差分析表

Tab.7 The table of Orthogonal test range analysis

样品编号 因素 结晶度/%

A

预处理溶液

B

预处理 时间/h

C

热处理 温度/℃
T0 - - - 46.81
T1 1 2 2 59.96
T2 1 1 1 57.24
T3 1 3 3 56.86
T4 2 3 1 63.80
T5 2 2 3 64.67
T6 2 1 2 68.41
T7 3 1 3 46.44
T8 3 3 2 47.45
T9 3 2 1 44.71
k1j 58.02 57.36 55.25
k2j 65.63 56.45 58.61
k3j 46.20 56.04 55.99
RJ 19.43 1.32 3.36
表8 青稞纤维结晶度的方差分析

Tab.8 Analysis of variance on the crystallinity of highland barley fibers

因素 III类平方和 自由度 均方 F F 临界值 显著性
预处理 溶液 574.969 2 287.485 4 545.610 99 非常 显著
预处理 时间 2.768 2 1.384 21.887 99 不显著
热处理 温度 18.662 2 9.331 147.537 99 显著
误差 0.126 2 0.063
根据各因素极差和方差水平的差异，得出RA>RC>RB，预处理溶液因素A为最主要的影响因素，预处理时间因素B为最次要的影响因素，预处理溶液对青稞纤维的改性效果起着举足轻重的作用。青稞纤维衍射图象图3可以看出，样品均在2θ=15°和2θ=22°附近有一个极大峰，这是典型的纤维素I的结构［13］；其中，2θ在10°~20°之间出现“馒头峰”，说明青稞纤维中部分结晶由纤维素I转化成纤维素Ⅲ，同时含有少量非晶体物质，如大量的糖类、纤维素等线性分子形成多晶的纤维束［14］，表明化学溶液的作用使得纤维大分子中的无定形区膨化、综纤维素溶胀。2θ为20°~30°时出现了纤维素的衍射峰，衍射峰强度最大，峰形最尖锐，又因为青稞纤维本身是无机物，所以它的衍射峰形并没有有机物峰形尖锐。试验组T6，即处理溶液6%NaOH+10%H2O2、处理时间2 h、热处理温度100 ℃，在2θ=21.65°时出现最强衍射峰，衍射峰强度最大，峰形最尖锐，表明在此处理条件下，青稞纤维的结晶性较好，结晶度指数为68.41%。表8表明，预处理溶液这一变量对预处理样品结晶度的提升程度最明显，而热处理温度、预处理时间等因素对纤维样品结晶度的影响不大。肖卫华等［15］的研究表明，预处理导致结晶度的上升，也是无定形态的半纤维素和木质素去除的结果。
为进一步比较改性处理情况，依据预处理溶液的不同，分别从3种不同预处理溶液的样品组中选出结晶度指数最高的一组，即T1、T6、T8，与对照组T0对比，进行FTIR、SEM等测试。

2.1.3 红外光谱分析

红外吸收光谱是利用复杂分子中的许多原子基团在分子被激发后产生振动和能级跃迁来鉴定有机物的存在与否。研究表明，植物纤维的特征官能团及其振动形式如表9所示［16］。
表9 纤维成分的特征官能团及振动形式

Tab.9 Characteristic functional groups and vibration forms of fiber

样品编号 纤维组分 波数/cm-1 基团或化学键振动形式
1 纤维素 3 400 O-H羟基的伸缩振动
2 2 900 C-H伸缩振动
3 1 161 C-O-C伸缩振动
4 1 058 C-O伸缩振动
5 898 β-1，4 glycosidic bond
6 半纤维素 3 400 O-H羟基的伸缩振动
7 2 900 C-H伸缩振动
8 1 733 C=O伸缩振动
9 1 250 C-O伸缩振动
10 木质素 3 400 O-H羟基的伸缩振动
11 2 900 C-H伸缩振动
12 1 733 C=O伸缩振动
13 1 600 芳香骨架振动
14 1 514 C=C芳环伸缩振动
15 1 462 -CH3、-CH2 变形
16 832 O-H酚羟基
选取T0、T1、T6、T8样品进行傅里叶变换红外光谱测试（FTIR），FTIR谱图见图4所示。
图4 青稞纤维样品红外光谱图谱

Fig.4 FTIR spectrum of highland barley fiber specimens

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如图4所示，T1与T0谱对比，与半纤维素相关吸收峰中，经碱溶液处理后1 255.35 cm-1处的C-O伸缩峰消失，1 735 cm-1处C=O伸缩峰消失，可得NaOH预处理去除了大部分半纤维素；与木质素相关的吸收峰中，1 600、1 514、1 462 cm-1处的吸收峰消失，表明木质素的脱除率较高，采用氢氧化钠溶液处理的改性结果良好。与未处理样品T0的红外光谱相比，青稞秸秆经碱性过氧化氢预处理后1 733 cm-1处半纤维素特征吸收峰强度有所减弱，但特征峰仍明显存在，可见半纤维素在碱处理过程中虽有损失，但仍然得到一定程度保留；与木质素相关的吸收峰中，1 600、1 514、1 462、832 cm -1处的吸光度明显减弱，可知碱性过氧化氢处理脱除了大部分木质素和残留的半纤维素。从T8与T0对比结果来看，1 600 cm-1处的芳香骨架振动峰消失，1 514 cm-1处的芳香环中C=C伸缩振动峰消失，表明经酸和强氧化剂的混合溶液改性，主要剔除了青稞纤维中的木质素，但对综纤维素的作用效果并不显著。由此可知：从特征官能团和振动形式看，采用碱溶液或碱性过氧化氢溶液处理对青稞纤维表面的改性情况较好。

2.1.4 扫描电子显微镜分析

为了观察预处理对玉米秸秆微观结构的变化，采用扫描电子显微镜（SEM）进行测定分析，所得T0、T1、T6的图像如图5所示。
图5 青稞秸秆预处理前后的扫描电子显微镜图像

Fig.5 SEM images of highland barley straw before and after pretreatment

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由图5可知，未处理的青稞纤维表面较为平滑，纹路规则、紧凑。经氢氧化钠溶液浸泡处理（T1）的纤维表面出现少量褶皱，表面粗糙度略有增加。经NaOH+H2O2改性处理（T6）过后，青稞纤维表面被破碎剥离，表面粗糙度大大增加，纤维表面出现很多沟壑和凹痕，出现这种情况的原因是碱性过氧化氢溶液去除了包裹在纤维表面的一层蜡质层，使秸秆的大孔结构打开，提高了比表面积，有利于青稞纤维与水泥浆的黏结。由图5（d）可以看出，经酸和强氧化剂的处理，纤维表面呈现很多褶皱，经过处理的青稞纤维截面发生部分变形黏连，这表明木质素的去除导致了纤维变软，纤维长细胞在制作试样过程中容易发生变形粘连，造成了拉伸性能的下降，可能在混凝土结构中不利于纤维的分散。因此，通过处理过的青稞纤维的SEM图像，可以看出T6组的改性预处理效果较为理想，经过处理后纤维的角质层被部分去除，纤维与水泥净浆的界面黏合较好；局部表面微观结构显示细胞间呈网络状相互联结，相邻细胞横向、纵向交错结合较牢固。这种结构使得青稞纤维具有很好的延伸性能。

2.2 纤维增强生态混凝土力学性能分析

2.2.1 纤维增强生态混凝土孔隙分析

生态混凝土是一种多孔介质材料，结构复杂，孔隙率很高，孔隙结构的复杂性和无序性不仅影响了其排水性，同样影响着其宏观力学性能、耐久性等。将纤维掺入混凝土可以减少混凝土内部的微裂纹，降低孔隙率，抑制连通孔的产生，有效改善混凝土的内部结构［21］。纤维混凝土在土木工程界的应用也将越来越广，以满足堤坝、护坡、围墙等工程构筑物对长期性能的要求。
多孔混凝土的孔隙由连通孔隙、半连通孔隙和封闭孔隙组成，对于植生型生态混凝土而言，连续孔隙可以帮助植物根系向下伸展，汲取土壤中的水分和营养物质，因此有效孔隙率是我们需要重视的研究指标。按1.3节排水法，测得的孔隙率结果如表9所示。
表9 纤维增强生态混凝土孔隙率的变化

Tab.9 Changes in void ratios of fiber reinforced concrete

试验组 骨料粒径/mm 水灰比 目标孔隙率/% 有效孔隙率/% 总孔隙率/% 有效孔隙率占比/%
P0 10~20 0.30 25 24.75 26.23 94.36
P1 19.08 21.04 90.70
P2 19.82 20.74 95.55
孔隙率试验显示，加入纤维以后生态混凝土的孔隙率有所降低，P2组和P1组相比有效孔隙率略有提高，但总孔隙率略低；加入纤维前后混凝土的有效孔隙率占比仍维持在较高的水平（均高于90%），P2组的占比甚至超过P0组，表明纤维的掺入一方面减少了孔隙分布，提高了密实度，另一方面维持了连通孔隙、半连通孔隙所占的比例，混凝土的孔隙结构未受到明显影响，还可以有效抑制早期干缩开裂的产生。

2.2.2 纤维对生态混凝土力学性能的影响

青稞纤维经改性以后纤维素纯度将大大提高，将其掺入混凝土中，方可发挥其应用价值。本试验将青稞纤维按方案T6，即置于6%NaOH+10%H2O2预处理溶液内40~50 ℃环境中处理2 h，再在100℃下热处理至完全干燥进行表面改性处理以后，在水灰比、孔隙率一定的生态多孔混凝土中加入改性和未改性处理的青稞秸秆纤维，通过宏观破坏性试验（抗压、劈裂抗拉、抗折）研究青稞秸秆纤维表面改性对青稞纤维混凝土力学性能的影响。
资料表明，为保证生态混凝土的强度，孔隙率宜控制在20%~30%，水灰比控制在0.25~0.35［22］。本试验选用孔隙率25%、水灰比0.30的无砂多孔混凝土，根据2.2节配合比及试验方法制作试件，将未改性（P1）和改性（P2）的青稞纤维按3 kg/m3掺入混凝土，标准条件下养护至规定龄期，分别测定其7和28 d抗压强度、劈裂抗拉、抗折强度等基本力学性能；同时设置掺量为0的生态多孔混凝土对照组P0，比较改性前后纤维增强混凝土力学性能的变化，测试结果如表10所示。
表10 纤维增强混凝土力学性能的变化 (MPa)

Tab.10 Changes in mechanical properties of fiber reinforced concrete

试验组 抗压强度 劈裂抗拉强度 抗折强度
7 d 28 d 7 d 28 d 7 d 28 d
P0 7.95 13.45 0.82 1.09 1.41 1.88
P1 7.19 12.39 0.87 1.15 1.69 2.22
P2 7.47 12.92 0.94 1.34 1.79 2.67
由表10可知，改性前后混凝土7、28 d的抗压强度变化规律相似。与P0相比，P1组7、28 d生态混凝土抗压强度分别降低了9.6%、7.9%；与P1相比，P2组抗压强度略有提高，分别提高了3.9%、4.3%，但仍低于T0组。试验结果表明随着青稞的掺入，青稞纤维混凝土的抗压强度降低，这是因为纤维的掺入会使得生态混凝土机体内部结构发生变化，纤维的掺入使得其与水泥基体间界面数增多，混凝土结构内部薄弱环节增多，从而降低混凝土的7、28 d抗压强度。
纤维混凝土的劈裂抗拉强度方面，和抗压强度变化规律不同，相对于P0组，P1、P2组的强度均有所提高，表明青稞纤维有效增强了生态多孔混凝土的抗弯拉能力。改性前后的两组相比，7和28 d劈裂抗拉强度P2组比P1分别提高了8.0%、16.5%，由此可见经过表面改性青稞纤维的纤维素得到有效提纯，其含量大幅提高，分散于粗集料骨架间，从一定程度上改善了孔隙结构的内部缺陷，抑制了微裂缝的扩展。
改性前后纤维混凝土7、28 d的抗折强度变化规律跟其劈裂抗拉强度相似，掺入青稞纤维以后，生态多孔混凝土的抗折强度有一定程度的提高，混凝土的抗弯能力得到增强。相对于P1，掺入经表面改性处理的青稞纤维以后，生态混凝土的7、28 d抗折强度分别提高了5.9%、20.3%，这显示了经改性的青稞纤维与混凝土间有更好的黏结力，结构整体性大大提高。

3 结 论

（1）青稞纤维改性处理的目的是脱除秸秆里含有的木质素、半纤维素、果胶等物质，以提高纤维素纯度。试验证明，经NaOH或NaOH+H2O2溶液预处理能够有效脱除青稞秸秆中半纤维素和部分木质素，增加纤维素比例，提高纤维素结晶度，且碱性过氧化氢溶液预处理的提升效果更为明显；经冰醋酸和亚氯酸钠的混合溶液处理后，纤维中木质素含量大大降低，但青稞中木质素的含量远低于综纤维素含量，使得改性效果不如前者明显。
（2）综合比较与分析，采用6%NaOH+10%H2O2溶液对青稞纤维在40~50 ℃环境下进行预处理，表面改性效果比较理想。热处理温度、预处理时间等因素对改性效果的影响不够显著。
（3）青稞纤维的掺入减小了生态混凝土的孔隙含量，但混凝土的联通孔隙结构未受到明显影响。经过表面改性处理以后，青稞纤维对生态多孔混凝土的力学性能有一定的提升效果。向水灰比0.30、孔隙率25%的生态混凝土内掺入青稞纤维，其抗压强度有所减弱，抗拉、抗弯能力提高；相较于未改性纤维混凝土，混凝土的28 d抗压、抗折、劈裂抗拉强度分别提高了4.3%、16.5%、20.3%，纤维素得到有效提纯，在青稞秸秆中的含量大幅提高，在生态混凝土结构中有效地发挥了增加整体性、增加韧性的作用。
（4）试验结果表明，将青稞秸秆中提取出优质的纤维素应用到生态混凝土制品中是可行的，利用生态混凝土可以加固边坡、防风固沙、稳定水土，势必让青稞因地制宜，在青藏高原地区发挥出巨大的社会效益和生态效益。

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