《Sustainable Futures》：Influence of wrightia tinctoria and coconut fibers on strength and microstructural properties of geopolymer composites
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本文推荐一项关于天然纤维增强地质聚合物复合材料的研究。为解决传统水泥高污染、地质聚合物材料脆性大等问题，研究人员系统探讨了Wrightia tinctoria种子纤维(WTSFs)与椰壳纤维(CCF)对材料力学性能与微观结构的影响。结果表明，添加2% WTSFs可使28天抗弯强度显著提升59.65%，且微观结构显示其界面结合更优。该研究为开发高性能、低环境影响的绿色建筑材料提供了新思路。
建筑业作为各国经济发展的支柱产业，在推动社会进步的同时也带来了严峻的环境挑战。其中，水泥生产作为混凝土的核心原料，其生产过程不仅消耗大量石灰石等天然资源，更会释放巨量温室气体。据统计，每生产1吨水泥约排放0.87吨二氧化碳(CO2)和3千克氮氧化物(NO)，全球水泥行业贡献了约8%的人为CO2排放总量，对空气和水源造成严重污染。面对资源枯竭与气候变化的双重压力，发展低碳、利废的绿色建筑材料已成为行业可持续发展的迫切需求。
地质聚合物(Geopolymer, GC)正是在此背景下应运而生的革命性材料。由Joseph Davidovits于20世纪70年代提出，地质聚合物以工业废料（如粉煤灰FA、钢渣）和碱激发剂为主要原料，其碳排放量可比传统水泥降低高达80%，且具备优良的耐高温、耐腐蚀性能。然而，与普通硅酸盐水泥混凝土相似，地质聚合物材料本身存在脆性大、抗折强度低的固有缺陷，易导致结构突然破坏，限制了其广泛应用。为克服这些不足，纤维增强是常用技术手段。虽然碳纤维、钢纤维等合成纤维效果显著，但其生产成本高、能耗大且不可生物降解，甚至带来微塑料污染问题。因此，开发可再生、低环境影响的天然纤维增强地质聚合物复合材料，成为近年来的研究热点。
在此背景下，Ramamohana Reddy Bellum等人发表在《Sustainable Futures》上的研究，聚焦于两种颇具潜力的天然纤维——Wrightia tinctoria种子纤维(Wrightia Tinctoria Seed Fibers, WTSFs)和椰壳纤维(Coconut Coir Fibers, CCF)，系统评价了它们对粉煤灰-钢渣基地质聚合物复合材料力学性能与微观结构的增强效果。Wrightia tinctoria（俗称“Indrajau”）是一种广泛分布于印度等地的抗旱树种，其种子纤维富含纤维素（69.47%），具有光滑表面，有利于与基体结合；而椰壳纤维作为大宗农业废弃物，资源丰富，成本低廉。研究旨在探明这两种纤维在提升地质聚合物复合材料性能方面的潜力，为绿色建筑材料的开发提供新选项。
为开展研究，团队采用低钙粉煤灰(Fly Ash, FA)和钢渣作为主要胶凝材料，以8M氢氧化钠(NaOH)和水玻璃(Na2SiO3)溶液为碱激发剂（NaOH:Na2SiO3= 1:2，液胶比S/B=0.35），以天然河沙为细骨料。分别将WTSFs和CCF以0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的体积分数掺入地质聚合物基体中，制备了一系列复合材料试件。试件在环境温度（25-35°C）下养护28天，随后系统测试其流动度、表观密度、抗压强度(Compressive Strength, CS)、劈裂抗拉强度(Splitting Tensile Strength, STS)、抗折强度(Flexural Strength, FS)、弯曲韧性因子(Flexural Toughness Factor, FTF)及压缩弹性模量(Compressive Elastic Modulus)等力学性能，并利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)观察纤维与基体的界面结合情况。研究还建立了用于预测天然纤维增强地质聚合物弹性模量的经验公式。
5.1. 流动性能
研究结果表明，纤维的加入显著降低了新拌地质聚合物复合材料的流动度。与素地质聚合物(GC)相比，当WTSFs和CCF掺量增至2.5%时，流动度分别下降了53%和50%。这归因于纤维增加了混合料的剪切阻力，使其流动性变差。值得注意的是，在相同掺量下，WTSFs对流动度的降低作用略大于CCF，表明其与基体作用产生了更粘稠的混合物，这为后续力学性能的差异埋下伏笔。
5.2. 表观密度与相对密度
纤维的掺入对复合材料的密度产生了明显影响。随着WTSFs掺量从0%增加至2.5%，试件的表观密度从1565 kg/m3降至1405 kg/m3。这主要源于WTSFs自身较低的真实密度（8.07 g/cm3）。CCF的掺入也导致密度下降，但幅度略小（从1565 kg/m3降至1411 kg/m3）。相对密度也呈现类似下降趋势，WTSFs和CCF在2.5%掺量时，相对密度分别降至89.78%和90.16%。密度降低与纤维掺量增加后混合料更难以充分密实有关。
5.3. 抗压强度(CS)
纤维的增强效果在抗压强度上得到明确体现。无论是WTSFs还是CCF，适量掺入均能提升地质聚合物的抗压强度。其中，WTSFs的表现尤为突出。在28天养护龄期时，掺加2% WTSFs的试件(WTSFs2)抗压强度达到最高的66.56 MPa，比素地质聚合物(GC)的53.46 MPa提升了24.50%。而CCF在2%掺量时(CCF2)抗压强度为63.69 MPa，提升幅度为19.13%。研究指出，存在一个最佳纤维掺量（2%），超过此值后，纤维容易团聚，导致基体包裹不匀、界面结合变差，反而引起强度下降。
5.4. 劈裂抗拉强度(STS)
在抵抗拉伸应力方面，天然纤维的桥接和阻裂作用更为显著。28天龄期时，WTSFs2试件的劈裂抗拉强度达到7.50 MPa，比GC(5.35 MPa)提高了40.19%。同样，CCF2试件为6.70 MPa，提升25.23%。WTSFs的增强效果再次优于CCF，这与其纤维表面特性及与基体更优的界面粘结(Interfacial Transition Zone, ITZ)密切相关。
5.5. 抗折强度(FS)与弯曲韧性因子(FTF)
抗折强度是评价材料抵抗弯曲破坏能力的关键指标。研究发现，2% WTSFs的掺入使28天抗折强度从GC的7.36 MPa大幅提升至11.75 MPa，增幅高达59.65%。CCF在相同掺量下，抗折强度为10.05 MPa，增幅为36.55%。更值得关注的是弯曲韧性，它反映了材料在破坏前吸收能量的能力。WTSFs2试件的弯曲韧性因子相比GC提高了230.86%，而CCF2试件提高了165.43%。这表明WTSFs能更有效地阻止微裂纹扩展，使材料在破坏前呈现更大的变形，从而将脆性破坏转化为更具延性的破坏模式，极大提高了结构的安全性。
5.6. 压缩弹性模量
弹性模量是材料刚度的度量。研究通过实验数据，与ACI 318-14、AS 3600等标准中的预测公式进行了对比，并最终提出了一个专门针对天然纤维增强地质聚合物复合材料的经验公式：EC= 0.042 × ρ1.5× √fc(单位: MPa)。该公式能较好地预测此类材料的弹性模量。研究显示，WTSFs的加入能小幅提高弹性模量（WTSFs2试件为32.62 GPa），而CCF的改善效果不明显，甚至因密度降低而略有下降。
5.7. 微观结构分析
SEM观察为力学性能的差异提供了微观解释。对于WTSFs增强的试件，SEM图像显示纤维与地质聚合物基体之间形成了致密、牢固的界面过渡区(ITZ)，地质聚合物浆体紧密包裹在纤维表面，表明二者粘结良好。这种强界面结合是WTSFs复合材料获得高强度的关键。相反，在CCF增强的试件中，尤其是在高掺量(2.5%)时，ITZ处可见微裂纹，粘结较弱。这可能是由于CCF纤维表面光滑且疏水，以及浆体收缩所致，导致了其在较高掺量下强度增长受限。
综上所述，本研究系统揭示了Wrightia tinctoria种子纤维和椰壳纤维作为绿色增强相在地质聚合物复合材料中的应用潜力。研究得出结论：两种天然纤维均能有效改善地质聚合物的力学性能，特别是抗折强度和韧性。WTSFs因其与基体更优的界面粘结性能，其增强效果普遍优于CCF。2%的体积分数被确定为两种纤维的最佳掺量。微观结构分析证实，WTSFs与地质聚合物基体间形成了更致密的界面结构，这是其性能优越的根本原因。此外，研究提出的弹性模量预测公式为这类材料的设计与应用提供了理论工具。
该研究的重要意义在于，它成功将两种农业来源或野生植物来源的天然纤维转化为高价值建筑材料的增强体，不仅提升了地质聚合物这种环保材料的力学性能（尤其是克服其脆性），而且进一步降低了材料的环境足迹，实现了工业固废（粉煤灰、钢渣）与农业/植物资源（WTSFs, CCF）的协同增值利用。这为开发高性能、全寿命周期低碳的下一代绿色建筑材料指明了方向，对推动建筑行业的可持续发展具有重要的科学价值和应用前景。
