石灰石煅烧粘土水泥（LC3）砂浆的混合纤维增强技术：一种优化强度和耐火性能的方法

《Next Materials》：Hybrid fibre reinforcement of limestone calcined clay cement (LC3) mortar: An approach to optimised strength and fire resistance performance

绿色建材与火灾耐受性优化：LC3基复合材料中PP/BS纤维混合增强机制研究

　　### 绿色建筑材料的未来发展：LC3复合材料与纤维增强的结合

在当今全球关注可持续发展和环境保护的背景下，建筑行业正面临着如何减少碳排放、提高材料性能以及增强火灾安全性等多重挑战。传统混凝土作为建筑中最常用的材料之一，其在生产和使用过程中对环境的影响不容忽视。水泥的生产过程需要高温煅烧石灰石，这导致了大量的二氧化碳排放，对全球气候变化构成了威胁。因此，寻找一种既环保又具备良好性能的替代材料成为研究的重点。近年来，石灰石煅烧黏土水泥（LC3）作为一种创新的绿色建筑材料，因其显著降低碳排放的特性而受到广泛关注。

LC3通过将煅烧黏土和石灰石作为主要成分，取代了传统波特兰水泥（OPC）中的熟料，从而有效减少了水泥制造过程中的碳足迹。煅烧黏土通常由高岭土组成，经过700至850摄氏度的热处理后，会转化为一种无定形的活性铝硅酸盐相——偏高岭石。偏高岭石与熟料水化过程中生成的氢氧化钙发生火山灰反应，进一步增强了LC3复合材料的力学性能和耐久性。此外，由于LC3中熟料含量减少，其生产所需的能源消耗也相应降低，这使得LC3成为一种更加环保的建筑材料。

然而，尽管LC3在力学性能和环境效益方面表现出色，其在火灾条件下的表现仍存在明显的短板。火灾对建筑材料的破坏不仅体现在结构强度的丧失，还可能引发爆炸性破坏，这对高层建筑、隧道等高风险结构的安全性构成了威胁。因此，如何提升LC3的抗火性能成为研究的重要方向。

为了应对这一挑战，研究人员引入了纤维增强技术，通过添加聚丙烯（PP）纤维和玄武岩（BS）纤维，以及它们的混合组合（PP-BS），来改善LC3复合材料的抗火性能。纤维的加入不仅可以提高材料的韧性，还能通过其在高温下的行为来缓解内部蒸汽压力，从而防止爆炸性破坏。PP纤维因其较低的熔点（约160°C）而能够在火灾初期熔化，形成微孔通道，有助于蒸汽释放，从而降低火灾对材料的破坏风险。相比之下，BS纤维具有较高的热稳定性（熔点可达1500°C），在高温下仍能保持其结构完整性，从而在火灾后维持较高的力学性能。

### 纤维增强LC3复合材料的性能研究

在本研究中，研究人员通过实验评估了不同纤维类型和混合比例对LC3复合材料力学性能和抗火能力的影响。实验采用了一种60% OPC替代的LC3配方，即通过将偏高岭石与石灰石按2:1的比例混合，制备出一种具有较高环保效益的替代粘合剂。PP纤维和BS纤维分别以不同的重量百分比加入到LC3基沙浆中，以评估其对材料性能的改善效果。

实验结果显示，PP纤维的加入显著提升了LC3复合材料的抗爆裂能力。在火灾暴露后，PP纤维的熔化过程创造了内部的微孔通道，有助于释放蒸汽压力，从而有效防止了材料的爆炸性破坏。例如，在火灾暴露1小时后，不含纤维的LC3基砂浆完全失效，其残余强度为0%。而0.3% PP纤维的加入则使得LC3砂浆的残余抗压强度和抗弯强度分别达到了66.46%和18.78%。这一结果表明，PP纤维在火灾条件下具有显著的增强作用，能够有效缓解内部压力，从而提升材料的抗火性能。

相比之下，BS纤维在火灾条件下的表现则较为复杂。尽管BS纤维在常温下的抗压和抗弯性能优异，但在高温下却未能有效缓解蒸汽压力，导致了严重的爆炸性破坏。这表明，BS纤维在抗火性能方面存在一定的局限性，无法单独有效防止火灾引发的结构失效。然而，当BS纤维与PP纤维结合使用时，即所谓的混合纤维增强系统（PP-BS），其性能得到了显著的提升。混合纤维系统不仅结合了PP纤维的蒸汽释放能力，还保留了BS纤维的高强度和稳定性，从而在火灾后仍能保持较高的力学性能。

### 混合纤维系统的协同效应

混合纤维系统的协同效应是本研究的一个重要发现。PP纤维和BS纤维的结合使得LC3复合材料在火灾暴露前后的性能得到了全面的提升。在火灾暴露前，混合纤维系统展现出比单一纤维系统更高的抗压和抗弯强度。例如，PP-BS 0.75混合比例的LC3砂浆在火灾暴露前的抗压强度达到了94.34 MPa，比控制组（无纤维）提高了约28%。这一结果表明，混合纤维系统在提升材料力学性能方面具有显著优势。

在火灾暴露后，混合纤维系统的残余强度也表现出优于单一纤维系统的性能。尽管PP纤维的加入使得材料在火灾后保持了较高的抗压强度，但BS纤维的加入进一步增强了材料的抗裂性能和结构稳定性。例如，PP-BS 0.75混合比例的LC3砂浆在火灾暴露后的残余抗压强度达到了49.80 MPa，其残余强度比例为52.79%。这一结果表明，混合纤维系统在火灾后的结构保持能力方面表现突出，能够有效提升LC3复合材料的抗火性能。

### 材料性能与纤维含量的关系

研究还发现，纤维含量对LC3复合材料的性能有显著影响。PP纤维的加入在一定程度上提升了材料的抗压和抗弯强度，但过量的PP纤维会导致材料的流动性下降，甚至出现纤维聚集现象，从而影响其整体性能。因此，PP纤维的最优添加比例为0.3%，此时材料的性能达到最佳状态。同样，BS纤维的添加比例也存在一个最优值，即0.75%，此时材料的抗压强度和抗弯强度均达到较高水平。然而，BS纤维在火灾条件下的表现却不如PP纤维，其抗爆裂能力有限，导致材料在火灾暴露后出现严重的结构破坏。

混合纤维系统的性能则在纤维含量的选择上表现出更高的灵活性。通过调整PP和BS纤维的比例，研究人员发现，当PP纤维含量为0.3%且BS纤维含量为0.75%时，混合纤维系统的抗压和抗弯性能达到最佳状态。这一结果表明，混合纤维系统能够在保持材料强度的同时，有效缓解火灾带来的内部压力，从而提升材料的抗火性能。此外，混合纤维系统的添加还对材料的微结构产生了积极影响，如SEM分析显示，PP纤维的熔化过程创造了微孔通道，而BS纤维则保持了其结构完整性，从而在火灾后维持了较高的力学性能。

### 微结构分析与材料行为

通过扫描电子显微镜（SEM）分析，研究人员进一步揭示了LC3复合材料在火灾暴露前后的微结构变化。PP纤维的熔化过程在材料内部形成了微孔通道，这些通道有助于蒸汽的释放，从而防止了材料的爆炸性破坏。相比之下，BS纤维在火灾暴露后仍然保持其结构完整性，但未能有效缓解内部压力，导致了材料的爆炸性失效。混合纤维系统的SEM分析则显示，PP纤维的熔化过程与BS纤维的保持状态相结合，使得材料在火灾后仍能维持较高的强度和稳定性。

此外，研究还发现，LC3复合材料在火灾暴露后的性能变化与其微结构特性密切相关。PP纤维的加入显著提高了材料的抗爆裂能力，而BS纤维的加入则增强了材料的抗压和抗弯强度。混合纤维系统的引入，使得材料在火灾暴露前后的性能得到了全面的提升，从而为LC3复合材料在高风险建筑中的应用提供了新的可能性。

### 研究的意义与未来展望

本研究不仅为LC3复合材料的抗火性能提供了重要的实验数据，还揭示了纤维增强技术在提升绿色建筑材料性能方面的潜力。LC3作为一种低碳、高耐久性的替代粘合剂，其与纤维的结合为建筑行业提供了一种可持续发展的解决方案。通过优化纤维的种类和比例，研究人员成功提升了LC3复合材料在火灾条件下的性能，使其能够在保持高强度的同时，有效防止爆炸性破坏。

未来的研究方向应包括对混合纤维系统的进一步优化，以探索更高效的纤维配比和更广泛的适用场景。此外，还需要对LC3复合材料在实际建筑结构中的表现进行更深入的评估，以确保其在长期使用中的稳定性和安全性。通过这些研究，可以为LC3复合材料在高风险建筑中的应用提供更加科学和可靠的依据，从而推动绿色建筑材料的广泛应用和可持续发展。