高性能椰纤维增强再生骨料混凝土的实验评估：超塑剂与可持续性设计的协同效应

为解决传统高性能纤维增强混凝土(HPFRC)资源消耗高、环境影响大的问题，研究人员开展了掺超塑剂(PCEs)与椰纤维(CFs)的再生骨料(RA)高性能混凝土研究。结果表明，添加0.6% PCEs可显著提升力学性能（抗压强度+14.3%，劈裂抗拉强度+19.2%，抗剪强度+41.4%）与耐久性（冻融残余强度+18.6%，耐酸性+18.5%），证明CFs与RA在超塑剂协同下可实现高性能可持续混凝土设计。

　　

在全球建筑行业迈向可持续发展的背景下，传统混凝土因其高碳排放和资源消耗问题面临严峻挑战。特别是高性能纤维增强混凝土(HPFRC)，虽然具有优异的力学性能和耐久性，但其生产过程中大量使用天然骨料和工业纤维（如钢纤维、合成纤维），不仅加剧自然资源枯竭，还导致显著的二氧化碳排放——例如含1%钢纤维的混凝土碳足迹比普通混凝土高出58%。更棘手的是，随着全球气候变化的加剧，传统混凝土结构的寿命可能进一步缩短，迫切需要开发更环保、更耐久的替代材料。

为此，来自约旦、巴基斯坦和马来西亚研究机构的Rayeh Nasr Al-Dala'ien、Osama Zaid、Muhammad Yasir和Mohammed Jalal Al-Ezzi共同开展了一项创新研究，探索将农业废弃物椰纤维(CFs)和建筑再生骨料(RA)融入高性能混凝土的可行性。他们的研究成果发表在《International Journal of Low-Carbon Technologies》，为绿色建筑材料设计提供了重要理论与实践依据。

研究人员通过系统的实验设计，重点解决了以下关键问题：首先，椰纤维虽然具有高韧性（抗拉强度75-145 MPa）和可再生优势，但其亲水性和粗糙表面会显著降低混凝土工作性并增加孔隙率；其次，再生骨料因附着旧砂浆而吸水率高、密度低，直接替代天然骨料会削弱混凝土的力学性能和耐久性。为克服这些瓶颈，团队引入聚羧酸醚基超塑剂(PCEs)以优化纤维分散性和界面粘结，并系统评估了CFs（0%、1.5%、3%体积掺量）和RA（0%、35%、70%替代率）与PCEs（0.3%、0.6%）的协同效应。

研究采用多尺度实验技术方法，主要包括：1）材料表征：测定普通波特兰水泥(OPC)、天然/再生骨料的物理化学性质，椰纤维经清洗、梳理和定长（25 mm）处理；2）配合比设计：按ACI 211.1设计15组混凝土混合物，固定水胶比(w/b)为0.4，通过预试验确定超塑剂掺量以保障工作性；3）性能测试：新鲜混凝土测试坍落度和含气量（ASTM C231）；硬化性能包括抗压/劈裂抗拉强度（ASTM C39/C496）、抗剪强度（双面剪切试验）、弯折模量（ASTM C78）；耐久性测试涵盖氯离子渗透（NaCl溶液浸泡）、吸水率、酸侵蚀（5% H₂SO₄）和冻融循环（-15°C~20°C，600次）；4）统计分析：所有数据取三个试件平均值，采用ANOVA验证显著性（p<0.0001）。

5.1 坍落度测试

结果显示，纯RA混凝土工作性良好（坍落度115 mm），但添加3% CFs后骤降至65.8 mm，主因纤维缠结和吸水性。加入0.6% PCEs后坍落度恢复至104-132 mm，证实PCEs通过静电排斥作用改善纤维分散性和润滑效果。

5.2 含气量测试

RA和CFs单独使用会显著增加含气量（最高+68%），但PCEs通过减少孔隙互联性使含气量降低至可控范围，提升了混凝土密实度。

5.3 硬化密度

RA替代使密度降低3-6%，CFs进一步降低密度（最高-2.3%）。而PCEs的加入通过优化堆积密度和减少孔隙，使混合料密度反超基准组。

5.4 抗压强度

70% RA使抗压强度下降18.1%，但3% CFs与0.6% PCEs联用使RA70混凝土强度提升14.3%。超塑剂增强了纤维-基体界面粘结，抵消了RA的弱势。

5.5 劈裂抗拉强度

CFs的桥接效应显著提升抗拉性能（3% CFs+RA0组强度+19.2%），且PCEs的加入使RA70混凝土抗拉强度甚至超过基准组10.2%。

5.6 抗剪强度

CFs的高韧性使抗剪强度大幅提升（3% CFs+RA0组+41.4%），PCEs进一步通过增强纤维分布和界面粘结，使RA70混凝土抗剪强度反超基准组31.2%。破坏模式分析表明纤维断裂而非拔出是强度提升的主因。

5.7 弯折模量

CFs的增韧效应使弯折模量最高提升至7.89 MPa（基准组5.24 MPa），超塑剂通过提高基体均质性进一步强化了这一效果。

5.8 氯离子渗透

RA和CFs单独使用会增加渗透深度，但PCEs通过降低孔隙率使氯离子渗透减少13.4-18.2%，显著提升抗腐蚀性。

5.9 吸水率

CFs和RA使吸水率上升26.1%，而PCEs与CFs联用使RA70混凝土吸水率降低13.7%，证实超塑剂对孔隙结构的优化作用。

5.10 酸侵蚀测试

3% CFs与0.6% PCEs组残余抗压强度达44.3 MPa（基准组37.4 MPa），CFs的木质素碱性和超塑剂的密实化作用共同延缓了酸液侵蚀。

5.11 冻融测试

经过600次冻融循环，含超塑剂和CFs的混凝土残余强度保持率比基准组高18.6%，纤维的吸水缓冲作用和裂纹桥接效应显著提升抗冻性。

研究结论强调，椰纤维与超塑剂的协同使用可有效克服再生骨料混凝土的性能缺陷，实现力学性能与耐久性的双重提升。该研究不仅为建筑废弃物和农业废料的资源化利用提供了技术路径，更证明了通过材料优化设计可在不牺牲性能的前提下显著降低混凝土碳足迹（RA生产碳排放比天然骨料低50-70%）。这项成果对推动循环经济原则在建筑领域的应用、发展低成本高性能绿色混凝土具有重要实践意义，尤其适用于热带地区的道路、预制构件和抗震建筑中。未来研究可进一步探索纤维表面改性、多废料耦合利用及长期耐久性评估，以加速该技术的工程化推广。