以狭叶香蒲纤维增强的生物基石膏复合材料：用于节能建筑围护结构的力学与热性能研究

《Journal of Natural Fibers》：Bio-Based Plaster Composites Reinforced with Typha Angustifolia Fibers: Mechanical and Thermal Behavior for Energy-Efficient Building Envelopes

本研究开发以阿尔及利亚本地香蒲纤维（TAF）增强的石膏基复合材料，通过替代部分沙子（0-2%纤维含量），发现TAF的加入显著降低材料密度（1403→1210 kg/m3）和导热系数（0.65→0.54 W/m·K），提升隔热性能达17%。尽管抗压强度适度下降（12.88→6.45 MPa），但仍满足非承重墙体要求。热模拟显示TAF墙体在M’sila气候下热惯性提升，年能耗降低21.1%。该材料兼具轻质、隔热与可持续性优势，支持干旱地区绿色建筑发展。

　　本研究聚焦于开发一种可持续的石膏基复合材料，这种材料以阿尔及利亚地区广泛分布的湿地植物——狭叶香蒲（Typha angustifolia）纤维（TAF）作为天然增强剂。该研究的目的是通过改进材料的热绝缘性能和机械性能，为炎热干旱气候下的轻质墙体系统提供更高效的解决方案。TAF纤维因其密度低、纤维素含量高而成为一种极具潜力的天然增强材料。研究通过将0%至2%的TAF纤维按重量比例部分替代传统材料中的砂子，来制备复合材料，并评估其性能表现。

在材料特性方面，TAF纤维具有天然的轻质优势，这使其在建筑行业中具有独特价值。由于其纤维素和木质素的高含量，TAF纤维不仅能够降低复合材料的整体密度，还能显著改善其热绝缘性能。研究发现，随着TAF纤维的加入，复合材料的干密度和导热系数均呈现下降趋势。具体而言，当TAF纤维含量为2%时，导热系数降低了17%，从控制组的0.65 W/m·K降至0.54 W/m·K。这一变化表明，TAF纤维在降低热传导方面表现出良好的性能，同时保持了材料的轻量化特性，这对减轻墙体重量、提升建筑整体结构效率具有重要意义。

尽管TAF纤维的加入会适度降低材料的抗压强度，但研究结果显示，即使在2%纤维含量的情况下，抗压强度仍保持在6.45 MPa，远高于非承重石膏板所需的最低标准（≥6 MPa）。这说明TAF纤维增强的石膏复合材料在非承重墙体和建筑隔墙的应用中具有足够的机械性能。此外，研究还发现，随着纤维含量的增加，材料的延展性和韧性显著提升。在TAF含量为2%时，材料的应变能力达到2.7%，远高于控制组的0.4%。这种延展性的提升主要得益于纤维的桥接作用，它能够有效延缓裂缝的扩展，并在材料发生破坏后仍保持部分结构完整性。因此，TAF纤维的加入不仅提升了材料的热性能，还增强了其在热循环环境下的耐久性。

在机械性能方面，TAF纤维增强的石膏复合材料展现出从脆性到半脆性转变的特征。控制组的材料在受力时表现出典型的脆性破坏模式，即在达到峰值应力后迅速断裂。而加入TAF纤维的材料则表现出更为渐进的破坏过程，其应力-应变曲线显示了纤维在材料断裂后仍能保持一定的连接性，从而提高了材料的韧性。这一特性对于在极端热环境下长期使用的墙体材料尤为重要，因为它能够减少因热胀冷缩导致的裂缝和结构损坏，延长材料的使用寿命。

在热性能方面，TAF纤维的加入显著提升了墙体的热惯性和热阻能力。通过热模拟分析，研究比较了TAF增强石膏墙体与传统空心混凝土砌块（HCB）墙体在阿尔及利亚M’sila地区的气候条件下的表现。结果表明，TAF墙体的热惰性更强，能够更有效地延缓热传导，降低室内温度波动幅度，从而提升居住舒适度。此外，TAF墙体的热通量显著减少，使得建筑在夏季高温期间的冷却需求降低。这种性能优势对于干旱和半干旱地区尤为重要，因为这些地区通常面临较高的室内温度波动和较大的冷却能耗。

研究还进行了年度能源分析，评估了TAF增强石膏墙体在实际建筑中的应用效果。结果显示，与传统HCB墙体相比，TAF墙体的总体能源消耗减少了21.1%。这一显著的节能效果不仅得益于其优异的热绝缘性能，还与材料的轻量化特性有关。由于墙体的重量降低，建筑的整体能耗也相应减少，特别是在需要大量机械支撑的结构中，这种轻质特性能够有效降低施工成本和能源消耗。同时，TAF增强石膏材料的热惰性有助于在白天吸收部分热量，而在夜间释放，从而减少对人工冷却系统的依赖，实现更加自然和可持续的温度调节。

从环境角度来看，TAF纤维的使用有助于推动可持续建筑的发展。这种材料来源于阿尔及利亚的湿地植物，具有高可再生性和本地化特征，因此能够有效减少对进口材料的依赖，同时降低建筑施工过程中的碳足迹。此外，TAF纤维的处理过程相对简单，只需通过水浸泡和干燥等常规步骤即可提取和加工，这进一步降低了其生产过程中的能源消耗。这种低能耗、高可持续性的材料特性，使其成为绿色建筑的理想选择。

在建筑应用方面，TAF增强石膏材料特别适合用于非承重墙体和建筑隔墙。由于其密度较低，可以有效减轻墙体重量，降低建筑对地基和结构支撑的要求。同时，其热绝缘性能显著优于传统材料，有助于提升建筑在炎热气候下的能效表现。此外，材料的延展性和韧性也有助于减少裂缝的产生，提高墙体的耐久性，特别是在温度变化频繁的环境中。

从长远来看，TAF增强石膏材料的应用不仅能够改善建筑的能效表现，还能够促进当地绿色产业的发展。这种材料的本地化特性使其在阿尔及利亚等干旱地区具有较高的推广价值，尤其是在推动可持续建筑和减少建筑行业对环境的影响方面。此外，TAF纤维的使用还能够促进生物多样性保护，减少对非可再生资源的依赖，同时支持循环经济理念。

然而，尽管TAF增强石膏材料在热性能和机械性能方面表现出色，其长期的耐久性和实际应用中的表现仍需进一步研究。特别是在面对湿度、紫外线辐射和冻融循环等复杂环境条件时，材料的性能稳定性需要通过更全面的实验验证。此外，为了更好地推广这种材料，还需要进行生命周期评估（LCA）和技术经济分析，以确保其在大规模应用中的环境友好性和经济可行性。通过这些研究，可以进一步优化材料的性能，并探索其在不同建筑结构中的应用潜力。

总之，TAF增强石膏材料为建筑行业提供了一种兼具环保性和功能性的新选择。它不仅能够有效降低建筑的能源消耗，还能提升建筑在极端气候条件下的热适应能力。随着对可持续建筑需求的增加，这种材料的应用前景广阔，尤其是在干旱和半干旱地区。通过进一步研究和推广，TAF增强石膏材料有望成为未来建筑行业的重要组成部分，助力实现绿色建筑和节能减排的目标。