木纤维增强石膏基复合材料的耐水增韧改性.pdf

Vol.44 No.2Feb.2024第 44 卷 第 2 期2024 年 2 月中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Journal of Central South University of Forestry&Technologyhttp:/收稿日期：2023-03-21基金项目：国家自然科学基金项目（32171882）；湖南省科技创新团队项目（2021RC4062）；湖南省教育厅科学研究项目（20K143）。第一作者：黄琴琴（），硕士研究生。通信作者：李新功（），教授，博士，博士研究生导师。引文格式：黄琴琴,李新功,吴义强,等.木纤维增强石膏基复合材料的耐水增韧改性 J.中南林业科技大学学报,2024,44(2):174-183.HUANG Q Q,LI X G,WU Y Q,et al.Water-resistant toughening modification of wood fiber-reinforced gypsum-based compositesJ.Journal of Central South University of Forestry&Technology,2024,44(2):174-183.木纤维增强石膏基复合材料的耐水增韧改性黄琴琴，李新功，吴义强，郑 霞（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）摘 要：【目的】木纤维增强石膏基复合材料的耐水性和韧性较差，限制了其在建筑领域进一步的发展，针对此材料上述 2 种缺点开展木纤维增强石膏基复合材料的耐水增韧改性研究，扩展石膏基复合材料的应用领域，提高其经济效益。【方法】以硅酸盐水泥为无机改性剂、聚乙烯醇溶液（PVA）为增韧剂，探究两者协同对木纤维增强石膏基复合材料力学性能和耐水性能的影响，通过 X-射线衍射（XRD）、傅立叶红外光谱（FT-IR）和扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的微观结构进行了表征。【结果】硅酸盐水泥和 PVA 在复合材料中产生了协同作用，可以弥补单掺水泥强度低和单掺 PVA 耐水性差的缺点。复合材料抗折强度和抗压强度分别为 5.56 和 10.01 MPa，较改性前分别提升了 40%和 63%，2 h 吸水率和 24 h 吸水率分别为 19.83%和 20.14%，比改性前分别降低了 10.17%和 11.97%，软化系数提高了 0.4。XRD、FT-IR、SEM 结果显示水泥与石膏的水化反应产生了钙钒石和硅酸钙凝胶等水化物，水化物填充水泥石膏基体。孔结构分析结果显示，水泥和 PVA 的加入降低了复合材料的孔隙率，减少超大孔的出现，复合材料的耐水性和力学性能得到提升。【结论】硅酸盐水泥的加入使复合材料内部水化反应受到影响，导致复合材料的力学强度受到影响。加入 PVA 后的复合材料内部物质连接紧密，提高了复合材料的力学性能，但是耐水性较差。硅酸盐水泥和 PVA 协同能提高复合材料的力学性能和耐水性能，弥补了单掺硅酸盐水泥复合材料力学下降和单掺 PVA 复合材料耐水性差的缺点。关键词：硅酸盐水泥；聚乙烯醇；木纤维；石膏基复合材料；耐水性能；韧性 中图分类号：S781.23 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2024)02-0174-10Water-resistant toughening modification of wood fiber-reinforced gypsum-based compositesHUANG Qinqin,LI Xingong,WU Yiqiang,ZHENG Xia(College of Materials Science and Engineering,Central South University of Forestry&Technology,Changsha 410004,Hunan,China)Abstract:【Objective】The poor water resistance and toughness of wood fiber-reinforced gypsum-based composites limit their further development,and the water resistance and toughening modification of wood fiber-reinforced gypsum-based composites were carried out for the above two defects of this material to improve the application fields and economic benefits of gypsum-based composites.【Method】The effect of silicate cement as inorganic modifier and polyvinyl alcohol solution(PVA)as toughening agent was investigated on the mechanical properties and water resistance of wood fiber-reinforced gypsum-based composites in synergy,and the microstructure of the composites was characterized by X-ray diffraction(XRD),Fourier infrared spectroscopy(FT-IR)and scanning electron microscopy(SEM).【Result】Silicate cement and PVA produced synergistic effect in the composites,and the synergistic effect could make up for the defects of low strength of single admixture of cement and poor water resistance of single admixture of PVA.The flexural and compressive strengths of the composites were 5.56 MPa and 10.01 MPa,respectively,which were 40%and 63%higher than those before modification.2 h water absorption and 24 h water absorption were 19.83%and 20.14%,respectively,which were 10.17%and 11.97%lower than those before modification,and the softening coefficient was increased by 0.4.XRD,FT-IR,and SEM results showed that the hydration reaction of cement with gypsum produced hydrates such as calcium vanadate and calcium silicate gel,and the hydrates filled the cement gypsum matrix.The results of pore structure analysis showed that the addition of cement and PVA reduced the porosity of the composites and reduced the appearance of oversized pores,and the water resistance and mechanics of the composites were improved.【Conclusion】The addition of silicate cement affects the internal hydration reaction of the composites,resulting in the Doi:10.14067/ki.1673-923x.2024.02.019175中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷石膏基复合材料是一种绿色环保的无机材料，通过添加各种纤维增强其性能，让其具有生产能耗低和工艺性能好等优点1-3。木纤维绿色环保，木材及其衍生材料制备的新型复合材料是未来的发展热点4，新材料与人们的生活息息相关，已成为国民经济的重要支柱产业5-7。然而添加了木纤维的石膏基复合材料也存在一些缺点，比如耐水性差（吸水后的强度损失超过 70%）和容易翘曲变形，这大大限制了其应用3,8，因此，如何提高石膏基复合材料的耐水性和韧性已成为研究重点。目前，提高石膏基复合材料耐水性和韧性的方法主要有 2 种：一种是添加有机硅等有机改性剂9-12。潘红13在石膏材料中加入自合成的氟硅氧烷乳液水合剂时，发现与空白组相比，氟硅氧烷乳液掺量为 9%时，复合材料的抗折强度和抗压强度分别增强了 120.4%和 39.4%，24 h 吸水率降低了 91.7%，抗折系数和抗压系数分别提高了104.7%和 162.9%。尽管添加有机改性剂可以提高石膏的耐水性和力学强度，但也会增加石膏产品的生产成本14-16。另一种是添加无机胶黏剂，如硅酸盐水泥、粉煤灰或矿粉等17-19，无机胶结材料比有机改性剂成本更低，更加绿色环保。张志国等20将炉渣、粉煤灰、熟料和复合活化剂混合在脱硫建筑石膏中，其绝干强度和耐水性得到显著提升，密度增加，孔隙率减少。Camarini 等21研究了矿渣硅酸盐水泥对石膏性能的影响，研究结果表明，掺入矿渣硅酸盐水泥后石膏复合材料性能得到提高，具有很好的耐水性和耐久性。王玉平等22在石膏基复合材料制备时掺入了适量的硅酸盐水泥，使复合材料的抗折强度增强了 13%以上，抗压强度增强了 15%55%，耐水性显著，但一般情况下硅酸盐水泥掺量不应超过 6%。2 种材料协同可能对复合材料更有帮助，减少了单掺改性剂的缺点。崔孟忠等23将硅烷和硅氧烷的化合物乳化成微乳液制作的有机硅防水剂与石膏基复合材料等建筑材料混合，可以有很好的保护作用，同时具有良好的耐水性、耐高低温性和抗酸雨性，并能大大减少板材的开裂、冻融破坏和化学剥落。由此可以看出采用无机材料或者有机材料都能改善复合材料的强度和耐水性，硅酸盐水泥具有潜在的水硬活性，可降低水化热和促进环保24。有机乳液效果好，操作工时短、效果好、装备简易、操作方便稳定、颗粒均匀，制作的聚合物乳液两端带有羟基可以进一步反应成膜，加强了乳液的应用成效。少量添加对成本影响较低，如果将二者结合对复合材料协同作用，可以互相弥补 2 种改性剂的缺点，对复合材料的增强有着重大意义。本研究采用硅酸盐水泥和 PVA 对木纤维增强石膏基复合材料进行改性，研究水泥和 PVA 协同对复合材料耐水性能和韧性的影响，并通过 X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和扫描电子显微镜（SEM）进行表征，揭示其影响机制。1 材料与方法1.1 试验材料石膏粉为建筑石膏矿石经过脱水后磨成的粉末，购自济南日月盈化工有限公司；白色硅酸盐水泥购自江西银杉白硅酸盐水泥有限公司；10%的聚乙烯醇溶液，购自阿尔斯新材料有限公司；木纤维，30 40 目，长度 1 3 mm，自加工，产地湖南长沙木材市场，在 103 2 下干燥至绝干密封保存；柠檬酸钠缓凝剂，化学纯，购自天津市致远化学试剂有限公司。试件加工明细如表 1 所示。表 1 试件加工明细表Table 1 Specimen processing details序号Serial No.试验项目Pilot project试件尺寸Specimen size/(mmmmmm)试件重复数Number of specimen repetitions/次1抗折强度404016032抗压强度40404063吸水率40404034软化系数404016035接触角20202026XRD 和 FT-IR粉末7SEM断裂试块mechanical strength of the composites.The addition of PVA results in a tightly connected material inside the composites,which improves the mechanical properties of the composites,but the water resistance is poor.The synergy of silicate cement and PVA can improve the mechanical properties and water resistance of the composites,and make up for the defects of the composites with reduced mechanical properties of silicate cement alone and poor water resistance of the composites with PVA alone.Keywords:silicate cement;polyvinyl alcohol;wood fiber;gypsum-based composites;water resistance;toughness黄琴琴，等：木纤维增强石膏基复合材料的耐水增韧改性176第 2 期1.2 试验方法1.2.1 材料制备本试验采取纤维后掺法，将石膏粉、水、木纤维和柠檬酸钠按配比称量（表 2），水膏比为固定值 0.7，木膏比为固定值 0.1，先将柠檬酸钠与水混合搅拌均匀，水泥占比 8%，PVA 占比 3%，按配比称量的硅酸盐水泥和 PVA 混合均匀，再加入石膏粉料，最后加入木纤维搅拌均匀后注入 40 mm40 mm160 mm 模具，将盛有料浆的模具放在振动台振动 2 min 后刮去表面多余料浆，试件自然养护 7 d 后烘至绝干进行检测。表 2 PVA+水泥掺量试验原理配比Table 2 PVA+Silicate cement test principle ratio硅酸盐水泥Portland cement/gPVA 乳液PVA emulsion/g木纤维Wood fiber/g水Water/g石膏Gypsum/g柠檬酸钠Sodium citrate/g205.68772571 8002 5711.291.2.2 物理力学性能测试物理力学性能测试参照 GB/T 17669.11999建筑石膏25进行，本研究测试了试块的抗折强度和抗压强度。采用 DCS-R-100 万能力学试验机试验，济南科汇试验设备有限公司。1.2.3 耐水性测试1）吸水率测试：将一组试验样品在烘箱中烘干至恒质量，温度为 45，称取其质量标记为A1，然后分别在常温的自来水中浸泡 2 h 和 24 h，取出质量标记为 A2，吸水率的计算公式为：(A2-A1)/A1100%。2）软化系数的测定：将一组试验样品在烘箱中烘干至恒质量，温度为 45，并测试其强度记录为 R干，另外一组试件浸泡在水中 24 h，测试其强度记录为 R湿，软化系数=R湿/R干。1.2.4 接触角测试采用的试验方法为停滴法，液体表面张力为72.80 mN/m，温度为 20，色散力为 21.80 mN/m，极性力为 51 mN/m，加入液体 2 s 后开始记录试验数据。1.2.5 X-射线衍射测试将不同龄期的试块用无水乙醇终止水化，7 d后将试块烘干并用研钵粉磨至完全通过 200 目筛子。测试使用 PANalytical 公司的 EmpryeanX 射线衍射仪进行，衍射阳极靶为铜靶，扫描角度为0.02，扫描速度为 12/min。1.2.6 傅立叶红外光谱测试对粉末状固体和溶液进行了测试，数据收集范围为 500 4 000 cm-1，使用 Platinum Elmer 仪器公司（美国）生产的 Frontier 红外光谱仪。1.2.7 扫描电子显微镜测试对试件中间原始断裂面取样，将试块用无水乙醇浸泡 24 h，再放入烘箱进行干燥，并采用喷金法进行测试。用 Hitachi Regulus 8100 扫描电子显微镜来观察断裂面的表面形态。2 结果与分析2.1 改性剂对复合材料的力学性能影响由图 1 可以看出，添加了水泥的复合材料抗折强度和抗压强度均是最低的，这是因为复合材料中的木纤维对硅酸盐水泥的水化起到阻凝作用。木纤维中含有大量的半纤维素，而硅酸盐水泥中的 C3S（硅酸三钙）和 C2S（硅酸二钙）遇水后生成大量的 Ca(OH)2，使混合浆体的 pH 值呈碱性。这种碱性环境促成了木纤维中半纤维素等糖类的水解条件，单糖水解后形成糖酸，再与水化产物中的钙离子形成糖酸钙，包裹在水泥表面，对硅酸盐水泥的凝结固化起到了阻碍作用。硅酸盐水泥的水化反应得到阻碍石膏基体的固化也随之被影响，导致复合材料的抗折强度下降。添加了PVA 的复合材料力学强度最高，水泥和 PVA 协同增效的复合材料次之，且抗压强度最高。抗折强度、抗压强度分别为 5.56、10.01 MPa，较空白组分别提升了 40%和 63%，说明水泥在和 PVA 复掺的时候，2 种物质可能有多种结合方式。这意味着，当水泥与 PVA 混合时，两者可以用不同的方式结合。聚乙烯醇分子的羧酸盐和钙离子在碱性环境下形成离子键；分子中的-CH2-，-CH3原子团和水泥颗粒发生吸附；聚乙烯醇分子中的羟基可以和硅氧四面体的氧形成氢键。聚乙烯醇和水泥之间有很强的分子作用力，纤维状的聚合物与水泥的孔隙紧密结合。同时，聚乙烯醇大分子对于水有着很强的结合能力，水从聚合物簇中转移到水泥颗粒中，加强了水泥的水化过程26。因此，聚乙烯醇溶液和水泥对石膏复合材料强度的协同作用是很明显的。2.2 改性剂对复合材料的耐水性影响由图 2a 可以看出，水泥和 PVA 协同增效的复合材料吸水率最低，2 h 吸水率和 24 h 吸水率分别为19.83%和20.14%，比空白组的2 h吸水率和24 h 吸水率分别降低了 10.17%和 11.97%。由图 2b 可177中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷以看出，水泥和 PVA 协同增效的复合材料软化系数比空白组的软化系数提高了 0.4，这说明水泥和PVA 协同使复合材料的耐水性得到提高。水泥和石膏的水化物填充在基体内部，PVA 的加入使复合材料中的各种物质黏结更加紧密，并且 PVA 在内部形成薄膜包覆纤维和晶体，减少内部与水的接触面积同时接触点也增多，使基体内部更加结实，所以水泥和 PVA 协同的吸水率和软化系数得到提升。图 1 改性剂对复合材料的强度影响Fig.1 Effect of modifiers on the strength of composites图 2 改性剂对复合材料的耐水性影响Fig.2 Effect of modifiers on water resistance of composites2.3 改性石膏基木纤维复合材料接触角分析如图 3 所示，图 3a 是未添加改性剂的复合材料（接触角为 0），因为石膏是多孔性材料，所以吸水率高耐水性很差；图 3b 是单掺水泥的复合材料（接触角为 37.35），说明水泥与石膏的水化产物硅酸钙凝胶和钙钒石能够有效地阻挡水分子的进入；图 3c 是单掺 PVA 的复合材料（接触角为27.47），相比较未添加改性剂的复合材料接触角增大，说明 PVA 的加入能稍微改善复合材料的防水性，但是提升很少；图 3d 是水泥和 PVA 协同复掺复合材料（接触角为 43.93），虽然没有达到防水的要求但是比无任何改性剂添加的复合材料耐水性提高了很多。从图 3e 也能看出各种改性剂对复合材料接触角的影响变化，水泥和 PVA 协同的接触角最大，对应了吸水率和软化系数的变化。2.4 PVA 和水泥增强复合材料孔结构分析由表 3 可以看出，加了硅酸盐水泥后复合材料的总孔容、总孔面积与纯石膏相比都呈增大趋势，平均孔径降低了很多，平均孔径由 3 223.68 nm 降到 124.19 nm，说明加入硅酸盐水泥后，石膏基黄琴琴，等：木纤维增强石膏基复合材料的耐水增韧改性178第 2 期体内部出现的孔径变得细小。从强度数据来看，强度和孔隙率有很好的相关性，孔隙率越低强度越高，说明添加硅酸盐水泥后的石膏基复合材料孔隙率变高，但是孔径会缩小很多，这是因为硅酸盐水泥水化产物对大孔径起到填充作用，一定量的封闭大孔改变了石膏的微观结构孔结构，大孔减少导致吸水率减小，软化系数增高。图 3 添加改性剂的复合材料接触角分析Fig.3 Analysis of contact angle of composite with modifier表 3 改性剂对石膏基复合材料孔结构影响Table 3 Effect of modifier on pore structure of gypsum based wood fiber composite样品Samples总孔容Total hole capacity/(mLg-1)总孔面积Total hole area/(mg-1)中值孔径Median aperture/nm中值孔径Median aperture/nm平均孔径Average pore size/nm抗折强度Flexural strength/MPa抗压强度Compressive strength/MPa孔隙率Porosity/%空白组 Blank0.4830.5676 903.531 705.703 223.683.976.1250.35水泥 Portland cement0.59918.2765 382.9110.92124.193.175.4255.78PVA0.4310.8745 073.96689.681 985.966.247.5246.03水泥+PVAPortland cement+PVA0.3630.8684 928.75470.871 662.875.369.9440.25添加聚乙烯醇后复合材料的总孔容、中孔孔径、平均孔径与纯石膏相比都有所下降，平均孔径由 3 223.68 nm 降到 1 985.96 nm，说明加入 PVA后石膏基体内部出现的孔径变得细小。从强度数据来看，强度和孔隙率有很好的相关性，孔隙率越低强度越高，说明添加 PVA 后的石膏基复合材料孔隙率变低，孔径会缩小很多，这是因为 PVA凝胶对大孔径和二水石膏晶体间的孔隙起到填充作用，木纤维与石膏连接紧密，一定量的封闭大孔改变了石膏基体的微观结构，孔结构中孔孔径减小，中小孔变多均匀排列在石膏基体中，导致复合材料强度提高。硅酸盐水泥和 PVA 协同对复合材料的总孔容、总孔面积和孔隙率与其单独对复合材料的总孔容和总孔面积相比都是最低的，只添加了硅酸盐水泥的复合材料孔隙率和孔面积都是最高的，说明复合材料内部多孔，同时其力学强度也最低。从表 4 孔径范围来看单掺硅酸盐水泥的孔径有 15%的小孔，0.1 6.0 m 的中小孔占比为 52.32%，添加硅酸盐水泥将内部大部分中孔转化成了小孔，更多的小孔使石膏基复合材料基体更加密实，吸水率下降，耐水性增强；只添加了 PVA 的复合材料强度最高，但是平均孔径和中值孔径以及其他数值都是比 PVA 和硅酸盐水泥协同增效的复合材料孔结构数值大，说明只添加了PVA 的复合材料气孔多，这也是单掺 PVA 的缺点，气孔多导致复合材料耐水性不高。硅酸盐水泥和PVA 协同的中小孔占比为 95%，是这 4 组试验样品中最高的，说明其耐水性有所改善。对照力学强度来看，硅酸盐水泥和 PVA 协同的复合材料更具优势。图 4 分别为纯石膏、添加 8%硅酸盐水泥、添加 3%PVA、硅酸盐水泥和 PVA 协同对石膏基复合材料孔径分布微分曲线，反映了孔体积密度随孔179中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷径的分布情况，图 3 的孔径分布微分曲线峰值对应的孔径 7.243、6.585、5.568 和 5.568 m 为最可几孔径，表示了孔径数量最多的孔径范围，相比较可以看出添加了 PVA 和协同增效复合材料的最可几孔径更小一些，从力学角度来看也是这 2 种复合材料更佳，不过 PVA 的孔隙率更高所以耐水性有待改善，硅酸盐水泥和 PVA 协同的复合材料孔隙率和最可几孔径数值都是最低的，说明材料气孔少，内部结构较紧密，弥补了单掺 PVA 耐水性差和单掺硅酸盐水泥力学强度低的缺点。表 4 硅酸盐水泥对石膏基复合材料孔径分布的影响Table 4 Effect of silicate cement on the pore size distribution of gypsum-based wood fiber composites样品Samples孔体积分布范围 Pore volume distribution range/m 1510 156 103 61 30.1 1 0.1空白组 Blank2.601.1151.9928.1811.424.480.22水泥 Portland cement3.261.2327.4231.7711.129.4315.77PVA2.710.8311.50856.8820.8836.510.66水泥+PVA Portland cement+PVA5.262.6620.0835.0025.588.771.21图 4 不同改性剂的复合材料孔径分布微分曲线Fig.4 Differential curve of pore size distribution of composite materials with different modifiers2.5 PVA 增强复合材料结晶结构分析比较添加了聚乙烯醇溶液和未添加聚乙烯醇溶液的复合材料水化产物的 XRD 衍射图，发现聚乙烯醇溶液的加入没有新的衍射峰出现，衍射图几乎没有发生太大的变化（图 5），说明聚乙烯醇溶液的加入并没有改变复合材料内部的水化物种类。通过图像显示各个衍射峰的尖锐程度变化不大，说明聚乙烯醇的加入没有破坏石膏晶体结构，聚乙烯醇凝胶与复合材料中的二水石膏晶体和木纤维只是物理黏结。加入聚乙烯醇溶液对石膏水化有减缓作用，由于聚乙烯醇具有良好的黏结性能，可以改善石膏水化物与晶体之间的结合，增加浆体的稠度，石膏硬化体紧密结实气孔减少，所以复合材料强度上升。2.6 水泥对复合材料官能团的影响分析图 6 显示了石膏基木纤维复合材料在添加水图 5 PVA 添加量对复合材料影响的 XRD 图谱Fig.5 XRD pattern of the effect of PVA addition on the composite图 6 硅酸盐水泥对复合材料影响的 FT-IR 图谱Fig.6 FT-IR spectrum of silicate cement on composites黄琴琴，等：木纤维增强石膏基复合材料的耐水增韧改性180第 2 期泥后的键能变化，1 620 cm-1和 3 400 cm-1处的吸收峰属于石膏晶体水合物中的 H2O 弯曲振动和木纤维羟基的 O-H 拉伸振动，主要是因为用于生产复合材料的木纤维中含有大量纤维素和半纤维素。硅酸盐水泥粉末中的 Ca(OH)2的吸收峰是由 OH-1伸缩振动引起的，谱带位于 601、1 091 cm-1处是石膏中 SO4-的特征峰，水泥与石膏水化产物中水化硅酸钙(C-S-H)的红外光谱含有 v3SiO4 伸缩振动，谱带位于 860 1 175 cm-1；1 120 cm-1处吸收峰分别为石膏与硅酸盐水泥反应产物钙矾石(AFt)或低硫型水化硫铝酸钙(AFm)的 v3SiO4 伸缩振动引起。通过与空白组对比发现添加了水泥的红外光谱特征峰比空白组的光谱特征峰多了 v3SiO4伸缩振动引起的特征峰，FT-IR 分析结果说明加入水泥的石膏基木纤维复合材料中水泥与石膏发生了反应，两者的水化产物含有钙矾石和水化硅酸钙，而这 2 种物质包裹在石膏晶体中能够改善石膏的耐水性能。并且，从微观角度说明了复合材料中有 Ca(OH)2的存在，木纤维中的糖类与水化物形成的糖酸钙对复合材料宏观力学造成了负面影响。2.7 改性石膏基木纤维复合材料微观形貌分析由图 7a 可以看出，结晶良好的针状钙矾石(a)、(b)水泥；(c)、(d)PVA；(e)、(f)水泥+PVA。(a)-(b):Cement;(c)-(d):PVA;(e)-(f):Cement+PVA.图 7 添加改性剂的复合材料电镜图Fig.7 Electron micrograph of the composite with added modifier181中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷(AFt)交叉插入凝胶中形成骨架，并生成高硫型水化硫铝酸钙(AFm)并具有一定的强度，这与硫酸盐含量有关27-28。硅酸盐水泥和石膏水化形成的大量 C-S-H 凝胶填充在孔隙中并且吸附在石膏晶体表面，加强水化物和晶体之间的结合，提高了稳定性，同时有效地填充了复合材料中的孔隙，孔隙率减少有效提高了复合材料的耐水性。由图7b 可以看出，在硅酸盐水泥石膏基体中的木纤维表面光滑，只有很少的 C-S-H 凝胶之类的水化产物附着在表面，试块被拉断时木纤维表层几乎没有破裂。表明木质纤维与硅酸盐水泥基体之间的黏合强度非常低，木纤维对硅酸盐水泥的水化过程有一定的负面影响，降低了复合材料内部晶体接触点的数量29-30，此种界面结合状态会导致宏观力学下降。如图 7cd 所示，晶体之间有非晶体物质存在，可能是与 PVA 聚合后产生的，这种凝胶物质减少了晶体之间的孔隙，扩大并保护了晶体接触点。晶体结构表面有保护物质的存在，使复合材料内部物质与纤维之间紧密结合，提高了复合材料的物理力学性能。图 7ef 为硅酸盐水泥和 PVA 在复合材料内部水化产物的微观形态。由图 7e 可以看出，二水石膏晶体和钙矾石之间相互交联，形成筛状结构。图 7f 通过 C-S-H 凝胶和其他水化物包裹着木纤维，使木纤维表面粗糙度增强，加强了木纤维和其他物质之间的黏结力，使复合材料整体紧密结实。从微观角度说明了水泥和 PVA 协同对复合材料的力学和耐水性能有明显的改善作用。3 结 论1）添加硅酸盐水泥的复合材料的耐水性得到提升，硅酸盐水泥与石膏的结合的水化产物有 AFt和 C-S-H 凝胶等水化产物填充基体内部，使内部孔径变小，吸水率下降，复合材料接触角增大，改善了材料的耐水性。但是水泥的加入使木纤维对水泥的水化有抑制作用，影响复合材料固化所以导致力学性能有所下降。2）PVA 的加入使复合材料的力学性能大幅度提高，聚乙烯醇乳液均匀地分散在石膏浆体中，随着石膏基体中的水化反应耗费和消散大量水分，PVA缩水并且聚合，形成具有一定韧性的凝胶质地网状结构，使石膏基体更加紧密，力学强度得到提升。但是 PVA 为亲水物质，PVA 在浸泡过程中胶体脱落，导致复合材料不耐水。PVA 与石膏内部物质之间的连接方式为物理黏结，两者之间无化学 反应。3）水泥和 PVA 协同使复合材料水化产物和凝胶物质附着在晶体和木纤维表面，聚乙烯醇和水泥之间有很强的分子作用力，纤维状的聚合物与水泥的孔隙紧密结合增强了物质之间的黏结力，复合材料力学强度和耐水性能得到提升。水泥和PVA 的协同增效弥补了单掺 PVA 耐水差和单掺水泥复合材料强度下降的缺点。4 讨 论本研究使用的是普通建筑石膏材料，其性能本身较低，对复合材料性能提升有限。另一方面木纤维过筛中可能含有更细小的颗粒没有分拣，试验过程存在一定的局限性。在今后的研究中会考虑到原材料的性能，并且对木纤维进行严格的筛分减少误差，为复合材料实际生产加工提供理论依据和现实 基础。参考文献：1 张付奇,李刚,李洁,等.复合无机改性剂对石膏性能影响研究 J.新型建筑材料,2016,43(3):20-22,25.ZHANG F Q,LI G,LI J,et al.Study on the effect of composite inorganic modifiers on gypsum propertiesJ.New Building Materials,2016,43(3):20-22,25.2 WU Q S,ZHU Z Y,LI S P,et al.Effect of polyacrylic ester emulsion on mechanical properties of macro-defect free desulphurization gypsum plasterJ.Construction and Building Materials,2017,153:656-662.3 ZHAO F Q,LIU H J,HAO L X,et 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