剑麻纤维增强活性氧化镁碳化原土块的拉伸性能研究及其在可持续建筑中的应用

这篇研究深入探讨了剑麻纤维（SiF）增强活性氧化镁（MgO）碳化原土块的拉伸性能及其强化机制。通过分裂拉伸和压缩试验，系统分析了不同剑麻纤维含量（0%-5%）和长度（5-50 mm）对材料性能的影响，揭示了其“双峰”（1%和3%含量）和“三峰”（5、15、30 mm长度）的强度变化规律。结果表明，3%剑麻纤维的加入使碳化9天后的分裂拉伸强度提升186.08%，而30 mm纤维长度在1%含量下强度提升达154.21%。灰色关联分析表明，纤维含量的影响（Q1=0.804）>纤维长度（Q2=0.799）>碳化时间（Q3=0.774）。研究为生态友好型建筑材料开发提供了重要数据支持，尤其在CO2固定技术和可持续建筑领域具有显著应用潜力。

　　

1. 引言

原土材料因其保温性、易施工和生态循环等优点曾被广泛使用，但其自重过大、力学性能差（如抗压/剪切/拉伸强度低）及耐久性不足（水敏性、高温脆化）限制了应用。全球建筑行业占温室气体排放30%以上，亟需低碳替代材料。活性MgO碳化技术通过固定CO₂形成碳酸镁胶凝物，可同步提升材料强度和实现碳负排放。剑麻纤维（SiF）作为天然植物纤维，具有高强度（520 MPa）、低成本及可降解特性，是理想的增强材料。本研究创新性地将SiF与MgO碳化原土结合，探究其对材料拉伸性能的协同增强机制。

2. 试验方案

2.1 材料

• 原土：取自南京某油库公园，过2 mm筛，主要成分为SiO₂（66.46%）和Al₂O₃（17.23%）。

• 活性MgO：高活性轻烧氧化镁（活性含量87.1%，比表面积50.43 m²/g）。

• 剑麻纤维：经1% NaOH碱处理，直径172 μm，弹性模量9.5-20.2 GPa。

2.2 方法

• 配比：MgO:水泥:干砂:粉煤灰:原土=15:15:15:6:49，水灰比22%。

• 碳化环境：30°C、80%湿度、30% CO₂浓度，压力200 kPa，碳化时间3-28天。

• 测试：依据GB/T50081-2019进行分裂拉伸（图5）和立方体抗压试验，每组数据取3次重复均值。

3. 结果与分析

3.1 纤维含量的影响

分裂拉伸强度随SiF含量呈“双峰”波动（图8），峰值出现在1%和3%含量。3% SiF使碳化9天后强度提升186.08%（对比无纤维样本），而1%含量提升103.42%。过量纤维（>3%）会导致沉降和分布不均（图9），强度下降。

3.2 纤维长度的影响

强度随长度呈“三峰”曲线（图10），峰值位于5、15、30 mm。30 mm纤维在1%含量下强度提升154.21%（对比无纤维）和732.8%（对比普通原土）。超过30 mm时，纤维团聚导致应力集中，韧性降低。

3.3 破坏模式

短纤维（<30 mm）试样表现为脆性断裂（图11），而长纤维（≥30 mm）呈现延性破坏（图12），主裂纹扩展被纤维锚定效应抑制。

4. 灰色关联分析

影响强度因素排序：SiF含量（Q₁=0.804）>长度（Q₂=0.799）>碳化时间（Q₃=0.774）。表明控制纤维含量是优化性能的关键。

5. 应力-应变曲线

5.1 含量影响

曲线呈单波形（图13），分弹性变形（AB段）、塑性开裂（BC段）和破坏（CD段）三阶段。拟合方程R²达0.99638。

5.2 长度影响

长纤维（30-50 mm）曲线呈双波形（图15），新增“纤维屈服阶段”（CD段），R²为0.88147。

6. 拉压强度关系

拟合模型Y=a-a·e^-bX（R²=0.87035）显示，纤维同时提升抗压和抗拉性能，验证材料整体增强效果。

7. 结论与展望

SiF-MgO碳化原土显著提升力学性能，最佳参数为3%含量和30 mm长度。未来可结合纳米纤维素（如木质素衍生）进一步优化，推动低碳建筑发展。研究为《AR6气候变化报告》提出的减排目标提供了可行解决方案。