从多角度评估废弃纤维素纤维混凝土：工程性能、微观结构与可持续性

《African Journal of AIDS Research》：Multi-perspective evaluation of waste-derived cellulose fiber concrete: engineering performance, microstructure and sustainability

混凝土中废纸纤维素纤维的机械性能、耐久性与环境影响研究。掺入1%废纸纤维素纤维可降低干缩率14.4%-22.4%，但显著降低抗压强度（43%-25%）、抗折强度和弹性模量。生命周期评估显示全球变暖潜能分别为1.81E+01和1.50E+01 kg CO?eq/m3·MPa，较基准混凝土高。微观结构分析表明纤维界面结合较弱，孔隙率增加导致水吸收率上升。研究证实纤维素纤维需优化处理和界面改性以平衡可持续性与机械性能。

　　### 混凝土中利用废纸纤维的性能与环境影响分析

在现代建筑行业，对可持续材料的探索已成为一个重要的研究方向。随着全球对环境保护意识的增强，回收和再利用废弃物的技术逐渐受到重视。特别是，来自废纸和纸板的纤维材料因其天然、可降解和可再生的特性，成为研究的重点。本研究评估了使用杂志纸和液体石膏板两种废纸纤维材料对混凝土在机械性能、耐久性、微观结构以及环境表现方面的影响。通过分析这些材料的性能表现和环境影响，本研究旨在为未来的绿色建筑实践提供科学依据和实际指导。

#### 废纸纤维的来源与特性

废纸纤维的来源广泛，包括各种纸质材料，如杂志纸和液体石膏板。这两种材料在澳大利亚的市政固体废弃物中占据重要位置，且由于其表面涂层和粘合剂的存在，回收难度较大。因此，将这些废料转化为建筑材料不仅有助于资源回收，还可能带来一定的环境效益。研究发现，杂志纸纤维的抗拉强度为14.98 MPa，而液体石膏板纤维的抗拉强度仅为5.74 MPa。这表明，杂志纸纤维在物理性能上优于液体石膏板纤维。此外，两种纤维的吸水率分别为1199.6%和1157.9%，显示出它们具有极高的吸水能力，这可能影响混凝土的性能表现。

#### 机械性能的影响

在机械性能方面，研究发现将1%的废纸纤维用于混凝土中会显著降低其抗压强度、劈裂抗拉强度、弯曲抗拉强度以及弹性模量。这种性能的下降主要是由于纤维的吸水特性以及纤维与基体之间的结合力不足。然而，纤维的吸水能力也有助于缓解混凝土的干燥收缩，这在一定程度上改善了混凝土的耐久性。通过逐步释放所吸收的水分，纤维能够维持混凝土内部的湿度，从而减少因水分蒸发而导致的收缩现象。这种收缩控制能力对于防止混凝土开裂具有重要意义。

#### 耐久性与微观结构分析

混凝土的耐久性与其微观结构密切相关。研究通过微CT、纳米压痕和SEM-EDS等先进技术对混凝土的微观结构进行了深入分析。结果显示，废纸纤维的加入导致混凝土的孔隙率增加，尤其是在纤维附近的区域，孔隙体积显著增大。这种孔隙结构的增加使得混凝土的吸水率上升，从而影响其密实度和耐久性。然而，纤维的吸水能力也有助于形成更多的微孔，这些微孔可以促进水分的缓慢释放，减少因水分流失而引起的收缩。

此外，纤维与基体之间的界面特性对混凝土的机械性能具有重要影响。研究发现，纤维与水泥基体之间的结合力较弱，这导致了纤维在混凝土中无法有效传递应力，从而影响了整体的力学性能。为了改善这一问题，研究建议采用化学处理（如碱处理、硅烷偶联剂或聚合物涂层）和物理处理（如热处理或等离子处理）等方法，以提高纤维与基体之间的结合力和分散性。这些处理手段有助于增强纤维对混凝土的增强效果，同时减少因界面结合不良而导致的性能下降。

#### 环境影响评估

在环境影响方面，本研究采用了一种基于性能的生命周期评估（LCA）方法，评估了废纸纤维混凝土在整个生命周期中的环境影响。研究结果显示，与传统混凝土（PC）相比，废纸纤维混凝土（LP和MP）的全球变暖潜能（GWP）分别为1.81E?+?01?kg CO? eq/m3 · MPa和1.50E?+?01?kg CO? eq/m3 · MPa，分别比PC高出44%至51%和19%至30%。这些较高的环境影响主要归因于废纸纤维混凝土的较低抗压强度，导致其在单位强度下的环境负担增加。

值得注意的是，尽管废纸纤维混凝土在某些方面表现出较高的环境影响，但其在减少碳排放、资源消耗和废弃物管理方面仍具有显著的潜在优势。例如，通过替代传统砂料，废纸纤维混凝土可以降低对天然砂的开采需求，从而减少对环境的破坏。此外，研究还发现，废纸纤维混凝土在减少地下水过度开采方面具有积极作用，有助于缓解水资源短缺问题。

#### 工作性与施工挑战

在施工过程中，废纸纤维的加入对混凝土的工作性产生了负面影响。由于纤维具有较强的吸水性，它们会显著增加混凝土的需水量，从而降低混凝土的流动性。这种流动性下降可能导致混凝土在搅拌和浇筑过程中出现离析现象，影响其均匀性和密实度。此外，纤维的不规则形状和粗糙表面也会阻碍混凝土材料的流动，进一步降低其工作性。

为了克服这些问题，研究建议采用化学或物理处理方法，以减少纤维的吸水性并提高其与基体的相容性。例如，使用碱处理可以去除纤维表面的木质素和蜡质，从而改善纤维与水泥基体之间的结合力。此外，使用高范围减水剂（如超塑化剂）可以弥补纤维吸水导致的流动性损失，提高混凝土的施工性能。

#### 未来研究方向与应用建议

尽管本研究已经取得了一些成果，但仍存在一些需要进一步探索的问题。首先，研究仅限于1%的纤维掺量，未来的工作可以探讨更低的纤维掺量，以找到机械性能与环境效益之间的最佳平衡点。其次，由于废纸纤维混凝土的抗压强度和弹性模量较低，其在结构工程中的应用仍受到一定限制。因此，优化混合设计和采用界面改性技术是未来研究的重要方向。

此外，本研究的生命周期评估仅覆盖了“从原材料到建设完成”的阶段，未包括使用阶段（如维护、使用寿命延长和碳化过程）以及拆除、填埋和回收等后期阶段。因此，未来的生命周期评估应考虑这些阶段，以全面评估废纸纤维混凝土的可持续性。

综上所述，废纸纤维混凝土在控制干燥收缩和减少碳排放方面展现出一定的优势，但其机械性能的下降仍然是一个需要解决的问题。通过优化纤维处理和混合设计，可以进一步提高废纸纤维混凝土的性能，使其在可持续建筑领域发挥更大的作用。