低气压环境下剑麻纤维-水泥砂浆收缩性能及微观孔结构研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0183

摘要/Abstract

摘要：

为探究高原低气压环境下剑麻纤维-水泥砂浆收缩性能及微观孔结构的发展规律，本文设置了57.6与95.0 kPa两种气压养护环境，采用5、10、15、20 mm剑麻纤维，制备了剑麻纤维-水泥砂浆试件，研究了其收缩性能、劈裂抗拉强度、微观孔结构及断裂面形貌。结果表明，养护环境气压下降会使各组试件的收缩率显著提升，劈裂抗拉强度下降，微观孔结构劣化。相较于95.0 kPa气压环境，57.6 kPa气压环境下试件的收缩率上升了5.9%~13.1%，劈裂抗拉强度下降了8.3%~10.9%，孔隙率增大了14.9%~21.9%，且孔径粗化。添加剑麻纤维能够抑制水泥砂浆的收缩，并提高其劈裂抗拉强度。相较于无纤维试件，剑麻纤维-水泥砂浆试件在57.6和95.0 kPa气压环境下的收缩率分别下降了5.3%~15.3%和3.0%~9.5%，劈裂抗拉强度分别提升了8.8%~29.4%和7.9%~26.3%。此外，10 mm剑麻纤维可在基体中良好分散并高效传递应力，其抑制水泥砂浆收缩及提升基体强度的效果最优。

关键词: 低气压环境, 剑麻纤维, 水泥砂浆, 收缩性能, 劈裂抗拉强度, 孔结构

Abstract:

To investigate the shrinkage performance and micro-pore structure evolution of sisal fiber-reinforced cement mortar under plateau low atmospheric pressure environments， this study simulated two curing pressure conditions： 57.6 and 95.0 kPa. Cement mortar specimens reinforced with sisal fibers of varying lengths （5， 10， 15， and 20 mm） were prepared. The shrinkage performance， splitting tensile strength， micro-pore structure， and fracture surface morphology were systematically evaluated.The results indicate that reducing the curing environment atmospheric pressure significantly increases the shrinkage rate， reduces the splitting tensile strength， and deteriorates the micro-pore structure of all specimen groups. Compared to the 95.0 kPa atmospheric pressure environment， specimens cured at 57.6 kPa exhibit 5.9% to 13.1% increase in shrinkage rate， 8.3% to 10.9% decrease in splitting tensile strength， and 14.9% to 21.9% increase in porosity， accompanied by pore coarsening. The incorporation of sisal fibers effectively inhibits the shrinkage of cement mortar and enhances its splitting tensile strength. Compared to plain mortar， the shrinkage rates of sisal fiber-reinforced cement mortar specimens decrease by 5.3% to 15.3% and 3.0% to 9.5% under 57.6 and 95.0 kPa， respectively. Meanwhile， the splitting tensile strength increases by 8.8% to 29.4% and 7.9% to 26.3%， respectively. Furthermore， the 10 mm sisal fibers demonstrate the optimal effect in inhibiting shrinkage and enhancing matrix strength， attributed to their excellent dispersion within the matrix and efficient stress transfer capability.

Key words: low atmospheric pressure environment, sisal fiber, cement mortar, shrinkage performance, splitting tensile strength, pore structure

中图分类号:

TU528

孙彬强, 田茂盛, 郑磊, 谢超, 代金鹏, 谢登魁. 低气压环境下剑麻纤维-水泥砂浆收缩性能及微观孔结构研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(9): 3017-3026.

SUN Binqiang, TIAN Maosheng, ZHENG Lei, XIE Chao, DAI Jinpeng, XIE Dengkui. Shrinkage Performance and Micro-Pore Structure of Sisal Fiber-Reinforced Cement Mortar under Low Atmospheric Pressure Environment[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(9): 3017-3026.

图/表 10

表1 水泥性能指标

Table 1 Cement performance index

Item	Specific surface area/（m²·kg^-1）	Initial setting time/min	Final setting time/min	Volume stability	SO₃mass fraction/%	MgO mass fraction/%	Ignition loss mass fraction/%	Cl^- mass fraction/%
Standard requirement	≥300	≥45	≤600	Qualified	≤3.5	≤5.0	≤5.0	≤0.06
Measured value	348	145	220	Qualified	2.4	2.0	1.6	0.012

表2 河砂颗粒级配

Table 2 Grain gradation of river sand

Sieve size/mm	<0.15	0.15	0.30	0.60	1.18	2.36	4.75
Cumulative sieve residual rate/%	100	97.05	89.52	62.29	32.55	11.20	2.45

表3 纤维性能指标

Table 3 Fiber performance index

Fiber type	Length/mm	Diameter/μm	Density/（g·cm^-3）	Tensile strength/MPa	Elasticity modulus/GPa
Sisal fiber	5/10/15/20	300	1.35	500	15

图1 未处理剑麻纤维的宏观形貌及微观形貌

Fig.1 Macro-morphology and microstructure of untreated sisal fiber

图2 碱处理剑麻纤维的宏观形貌及微观形貌

Fig.2 Macro-morphology and microstructure of alkali-treated sisal fiber

表4 剑麻纤维-水泥砂浆试件配合比

Table 4 Mix proportion of sisal fiber-reinforced cement mortar

Group number	Blending amount （volume fraction）/%	Length/mm	Cement-sand ratio	Water-cement ratio
AFM0	0	0	2.5	0.38
AFM5	1.0	5	2.5	0.38
AFM10	1.0	10	2.5	0.38
AFM15	1.0	15	2.5	0.38
AFM20	1.0	20	2.5	0.38

图3 各组试件的收缩率与收缩速率

Fig.3 Shrinkage and shrinkage rate of each group of specimens

图4 试件的劈裂抗拉强度

Fig.4 Splitting tensile strength of specimens

图5 试件的断面形貌

Fig.5 Cross-sectional morphology of specimens

图6 各组试件的孔结构

Fig.6 Pore structure of specimens in each group

参考文献 33

[1]	李雪峰，付　智. 高原低气压环境对引气混凝土含气量及气泡稳定性的影响［J］. 农业工程学报， 2015， 31（11）： 165-172.
	LI X F， FU Z. Effect of low atmospheric pressure of plateau environment on air content and bubble stability of air-entrained concrete［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2015， 31（11）： 165-172 （in Chinese）.
[2]	熊根亿，王怀义，杨桂权，等. 干燥大温差环境下水泥胶凝材料开裂敏感性研究［J］. 水利水运工程学报， 2025（2）： 103-111.
	XIONG G Y， WANG H Y， YANG G Q， et al. Study on the crack sensitivity of cementitious materials in dry and large temperature difference environments［J］. Hydro-Science and Engineering， 2025（2）： 103-111 （in Chinese）.
[3]	王志航，白二雷，周俊鹏，等. VAE乳胶粉/碳纤维复合改性混凝土的力学性能［J］. 建筑材料学报， 2024， 27（6）： 487-495.
	WANG Z H， BAI E L， ZHOU J P， et al. Mechanical properties of VAE latex powder/carbon fiber co-modified concrete［J］. Journal of Building Materials， 2024， 27（6）： 487-495 （in Chinese）.
[4]	王志航，白二雷，任　彪，等. 氧化石墨烯接枝碳纤维增强体改性混凝土的力学性能［J］. 复合材料学报， 2024， 41（10）： 5504-5515.
	WANG Z H， BAI E L， REN B， et al. Mechanical properties of concrete modified by graphene oxide grafted carbon fiber reinforcement［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2024， 41（10）： 5504-5515 （in Chinese）.
[5]	张延年，郭晓钰，王广林，等. 玻璃纤维混凝土抗折性能及弯曲韧性试验研究［J］. 混凝土， 2024（1）： 1-5.
	ZHANG Y N， GUO X Y， WANG G L， et al. Experiment study on flexural properties and bending toughness of glass fiber reinforced concrete［J］. Concrete， 2024（1）： 1-5 （in Chinese）.
[6]	HAN G S， XIANG J H， LU S J， et al. A review of microscopic characterization and related properties of fiber-incorporated cement-based materials［J］. Reviews on Advanced Materials Science， 2023， 62： 20230341. DOI URL
[7]	DE ANDRADE SILVA F， FILHO R D T， DE ALMEIDA MELO FILHO J， et al. Physical and mechanical properties of durable sisal fiber-cement composites［J］. Construction and Building Materials， 2010， 24（5）： 777-785. DOI URL
[8]	OKEOLA A A， ABUODHA S O， MWERO J. Experimental investigation of the physical and mechanical properties of sisal fiber-reinforced concrete［J］. Fibers， 2018， 6（3）： 53. DOI URL
[9]	尤　伟，蔺宝垚，纪耀辉. 剑麻纤维改性水泥稳定碎石收缩性能研究［J］. 交通标准化， 2012（4）： 59-61.
	YOU W， LIN B Y， JI Y H. Shrinkage property of cement-stabilized macadam modified by sisal fibre［J］. Communications Standardization， 2012（4）： 59-61 （in Chinese）.
[10]	熊　燕. 剑麻纤维水泥砂浆收缩开裂性能研究［D］. 武汉：武汉轻工大学， 2014.
	XIONG Y. Study on shrinkage cracking behavior of cement mortar reinforced with sisal fiber［D］. Wuhan： Wuhan Polytechnic University， 2014 （in Chinese）.
[11]	石浡汛，董　莪，刘杰胜，等. 剑麻纤维改性水泥砂浆性能研究［J］. 武汉轻工大学学报， 2020， 39（1）： 40-43.
	SHI B X， DONG E， LIU J S， et al. Study on performance of sisal fiber on cement mortar［J］. Journal of Wuhan Polytechnic University， 2020， 39（1）： 40-43 （in Chinese）.
[12]	程泽三. 改性剑麻纤维增强水泥砂浆性能研究［D］. 武汉：武汉轻工大学， 2021.
	CHENG Z S. Study on properties of modified sisal fiber reinforced cement mortar［D］. Wuhan： Wuhan Polytechnic University， 2021 （in Chinese）.
[13]	左胜浩，元　强，黄庭杰，等. 低气压环境下硬化水泥浆体的水分传输特性［J］. 硅酸盐学报， 2023， 51（5）： 1104-1114.
	ZUO S H， YUAN Q， HUANG T J， et al. Moisture transfer characteristics of hardened cement pastes in low air pressure［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2023， 51（5）： 1104-1114 （in Chinese）.
[14]	LIU X F， LI J X， LI F Y， et al. Study on the properties of an ecotype mortar with rice husks and sisal fibers［J］. Advances in Civil Engineering， 2021， 2021： 5513303. DOI URL
[15]	罗齐鸣，刘肖凡. 植物纤维改性砂浆力学性能试验及机理研究［J］. 混凝土， 2018（1）： 116-120.
	LUO Q M， LIU X F. Experimental study on mechanical properties of plant fiber modified mortar［J］. Concrete， 2018（1）： 116-120 （in Chinese）.
[16]	葛　昕，葛　勇，杜渊博，等. 高原气候条件下混凝土力学性能的研究［J］. 混凝土， 2020（3）： 1-4+8.
	GE X， GE Y， DU Y B， et al. Mechanical properties of concrete under plateau climate condition［J］. Concrete， 2020（3）： 1-4+8 （in Chinese）.
[17]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑砂浆基本性能试验方法标准：［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2009.
	Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. Test methods of basic properties of building mortar：［S］. Beijing： China Architecture & Building Press， 2009 （in Chinese）.
[18]	中华人民共和国交通运输部. 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程：［S］. 北京：人民交通出版社， 2020.
	Ministry of Transport of the People’s Republic of China. Testing methods of cement and concrete for highway engineering：［S］. Beijing： China Communications Press， 2020 （in Chinese）.
[19]	吴泽媚，毛浩宇，郑新颜，等. 高原复杂环境下水泥基材料微结构及性能研究进展［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2025， 52（11）： 227-244.
	WU Z M， MAO H Y， ZHENG X Y， et al. Research progress of microstructure and performance of cement-based materials under complex plateau environments［J］. Journal of Hunan University （Natural Sciences）， 2025， 52（11）： 227-244 （in Chinese）.
[20]	HUANG J， QIU S C， ZHANG Q Z， et al. Parameters analysis on flexural strength of sisal fibre reinforced mortar： the effect of fiber length［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2023， 2539（1）： 012031.
[21]	林志芬. 纤维掺量对水泥砂浆早期塑性抗收缩开裂性能影响研究［J］. 建筑科技， 2023， 7（3）： 114-116.
	LIN Z F. Study on the effect of fiber admixture on the early plastic shrinkage cracking resistance of cement mortar［J］. Build Technology， 2023， 7（3）： 114-116 （in Chinese）.
[22]	TOLEDO FILHO R D， GHAVAMI K， SANJUÁN M A， et al. Free， restrained and drying shrinkage of cement mortar composites reinforced with vegetable fibres［J］. Cement and Concrete Composites， 2005， 27（5）： 537-546. DOI URL
[23]	MARTINIE L， ROSSI P， ROUSSEL N. Rheology of fiber reinforced cementitious materials： classification and prediction［J］. Cement and Concrete Research， 2010， 40（2）： 226-234. DOI URL
[24]	ZHAO X H， WANG H Y， ZHAO X N. Sustainable activation of sisal fiber-reinforced slag composites： mechanical strength and microstructural insights through recycling of alkali-treated wastewaters［J］. Construction and Building Materials， 2024， 424： 135971. DOI URL
[25]	ZHAO L， DING Y X， LI S J， et al. Silane treatment for sisal fibers to improve the degradation resistance and interface with cement matrix［J］. Construction and Building Materials， 2024， 429： 136435. DOI URL
[26]	MURWAMADALA R D， MATHEBELA L B， MUBIAYI M P. Impact of alkali treatment on the internal microstructure， surface topography and the resulting mechanical properties of single sisal fibers［J］. Journal of Natural Fibers， 2024， 21： 2370028. DOI URL
[27]	TARANATH T P， VARUN K S， SWAMY S R. Investigation of mechanical properties of short sisal fiber reinforced phenol formaldehyde and vinyl ester composites［J］. International Research Journal on Advanced Engineering Hub （IRJAEH）， 2024， 2（10）： 2492-2495.
[28]	HANSEN T C. Physical structure of hardened cement paste. A classical approach［J］. Materials and Structures， 1986， 19（6）： 423-436. DOI URL
[29]	于　蕾，张　君，张金喜，等. 水泥混凝土宏观性能与孔结构量化关系模型［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2015， 36（11）： 1459-1464.
	YU L， ZHANG J， ZHANG J X， et al. Quantitative relation model between macro performance and pore structure of cement concrete［J］. Journal of Harbin Engineering University， 2015， 36（11）： 1459-1464 （in Chinese）.
[30]	刘　倩，申向东，薛慧君，等. 基于核磁共振技术对不同粗骨料混凝土孔隙特征试验研究［J］. 功能材料， 2017， 48（10）： 10066-10070+10076.
	LIU Q， SHEN X D， XUE H J， et al. Experimental study on pore characteristics of different coarse aggregate concrete based on NMR technique［J］. Journal of Functional Materials， 2017， 48（10）： 10066-10070+10076 （in Chinese）. DOI
[31]	BISKRI Y， HAMMOUDA A， MOURET M， et al. Improving sisal fiber-reinforced mortar properties using marble as mineral addition and chelating agent treatments［J］. Construction and Building Materials， 2025， 472： 140960. DOI URL
[32]	LAN X L， ZHU H S， ZENG X H， et al. How nano-bubble water and nano-silica affect the air-voids characteristics and freeze-thaw resistance of air-entrained cementitious materials at low atmospheric pressure［J］. Journal of Building Engineering， 2023， 69： 106179. DOI URL
[33]	王海旭. 高原复杂环境下水泥基材料收缩变形与微结构演变规律研究［D］. 长沙：中南大学， 2023.
	WANG H X. Research on shrinkage deformation and microstructure evolution of cement-based materials in complex plateau environments［D］. Changsha： Central South University， 2023 （in Chinese）.