《Journal of Cleaner Production》：Energy efficiency and carbon emission reduction of fly ash vacuum insulation boards: A coupled thermal modeling and lifecycle assessment
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粉煤灰基复合材料在孔隙结构调控下实现热导率优化与碳减排，通过纤维体积分数与真空处理工艺研究，揭示孔隙率（φ）、分形维数（D）与热导率（λ）的负相关关系，孔隙结构复杂系数（k2）对λ敏感度达79.28%，真空修正系数（k3）和纤维强化因子（β）敏感性分别为±3%和±1.5%。生命周期评估表明该材料较传统EPS减少10.2%碳排放，区域电网排放因子波动（±30%）导致减碳潜力下降超20%，延长建筑寿命至60年可提升减排17.7%。
蒋琳娜|范志轩|关静轩|白先进|高亚峰
教育部绿色建筑与建筑环境联合国际研究实验室，重庆大学，中国重庆400044
摘要
本研究开发了一种基于粉煤灰的复合隔热材料（FAHM-MF），旨在平衡建筑性能和碳减排目标。该研究量化了纤维体积分数（V_fibre）和真空条件对孔结构参数的影响。增加纤维体积分数会降低孔隙率（φ）和分形维数（D），并使孔结构更加规整，但同时会降低孔隙连通性（C_conn），从而影响热导率（λ）。真空条件通过降低孔隙率来提高热导率（λ）。孔结构复杂系数（k_2）是对热导率（λ）最敏感的参数（敏感度为79.28%），其波动范围为±2SE时会导致热导率变化±8.2%。真空校正系数（k_3）和纤维增强因子（β）的敏感度分别为±3%和±1.5%。生命周期评估显示，与EPS相比，使用FAHM-MF的建筑可减少10.2%的碳排放（464.85吨二氧化碳）。敏感性分析进一步表明，网格排放因子的变化（敏感度为0.96%）会导致二氧化碳排放量波动±28.75%，而在燃煤地区这一减排潜力可降低超过20%。将建筑寿命延长至60年可进一步改善二氧化碳排放量，减少幅度为17.7%。这一框架优化了建筑材料的使用，支持了可持续发展。
引言
全球建筑能耗占总能源消耗的40%（Zhao等人，2025年），其中供暖和制冷占能源消耗的50%以上（Jiang等人，2023年）。作为建筑围护结构的关键组成部分，隔热材料可贡献高达76.8%的节能效果（Shanbhag和Dixit，2024年）。然而，尽管传统材料如膨胀聚苯乙烯（EPS，热导率λ = 0.03–0.048 W/m·K）（Füchsl等人，2022年；Li和Lin，2021年）和岩棉（λ = 0.03–0.057 W/m·K）（Dai等人，2023年；Luo等人，2023年）具有优异的热性能，但它们面临着可持续性挑战。EPS是一种不可生物降解的聚合物材料，回收率低于9%，每生产一吨EPS会排放1.89吨二氧化碳（Hidalgo-Crespo等人，2022年）。这种热效率与环境影响之间的不平衡凸显了在研究和建设中迫切需要低碳隔热材料。
粉煤灰（FA）是煤炭燃烧的副产品，由直径大约在20至425微米之间的细小固体颗粒组成（Feng等人，2024年；Feng等人，2024年；Sinoh等人，2023年）。在发电厂燃烧煤炭过程中产生的粉煤灰空心微球（FAHMs）富含铝硅酸盐，是典型的无机空心颗粒材料。这些微球具有低密度、低热导率（λ）和优异的分散性。粉煤灰的年产量巨大，中国的年产量已达6.86亿吨（Li等人，2022年），但其回收率远低于30%。有效回收粉煤灰可以显著减少环境废物，并为可持续建筑材料提供宝贵资源，从而大幅提高建筑围护结构的性能。
近年来，人们越来越关注在建筑中使用粉煤灰，特别是在混凝土改性和复合材料方面（Feng等人，2024年；Brooks等人，2020年；Charai等人，2023年）。研究表明，在泡沫混凝土中添加粉煤灰可以提高其流动性和抗压强度（5 MPa）（Y?lmazo?lu等人，2025年）。将细磨的高炉矿渣与循环流化床共烧粉煤灰结合使用，开发出一种新型的无水泥粘合剂（AGFA），XRD和SEM-EDS分析显示其具有致密的微观结构，从而增强了机械性能（Chen等人，2020年）。粉煤灰还改善了石膏的热物理、机械和湿性能，当替代高达80%的石膏时，其体积密度、抗压强度和热导率分别为934–1340 kg/m3、1.38–6.98 MPa和0.26–0.57 W/m·K（Charai等人，2023年）。此外，粉煤灰颗粒和改性粉煤灰显著提高了泡沫混凝土的机械性能（抗压强度：3.42 MPa）和隔热性能（热导率：0.0914 W/m·K）（Song等人，2025年）。虽然许多研究集中在提高混凝土的机械性能（抗压强度：5–50 MPa）上，但很少有研究探讨粉煤灰复合材料的隔热性能和碳减排潜力。
将FAHM作为外墙隔热板的核心材料正受到关注。粉煤灰可用作成孔模板，制备出吸水率低（1.2–2.8%/h）的蜂窝状陶瓷颗粒。这些颗粒的微观结构对其热导率（λ）有显著影响（Xiong等人，2024年）。在玻璃纤维增强环氧复合材料中加入5–25%的粉煤灰可以提高防火性能（Shahari等人，2024年）。球形粘土与粉煤灰混合可制成孔隙率为44.69%、热导率为0.38 W/(m·K)的耐火隔热板（Debnath等人，2022年）。玄武岩纤维/FAHM复合泡沫板具有轻质特性，孔隙率为86.3%，体积密度为0.34 g/cm3（Wang等人，2024年）。基于粉煤灰的气凝胶材料在真空隔热板中表现出超低的热导率（34–39 mW/(m·K)、低密度（0.026–0.062 g/cm3）和高孔隙率（96.59–98.42%），是一种环保解决方案（Do等人，2021年）。然而，当前研究存在两个局限性：（1）主要集中在昂贵的、复杂的聚合物基复合材料上（Shahari等人，2024年）；（2）关于可扩展的FAHM复合材料及其微观结构与热导率关系（λ）的研究有限（Do等人，2021年）。本研究提出使用FAHM和矿物纤维（MFs）按梯度比例结合热压和真空辅助加工，开发出经济高效、可持续的隔热板，并探索微观结构与热导率（λ）之间的联系。
复合材料的熱导率（λ）受孔结构、颗粒形态、分形维数（D）和成分比例等因素的影响（Wang等人，2025年）。研究表明，非晶麦芽糊精颗粒的分形维数（D）变化会影响材料的分散性和热导率（Pashminehazar等人，2019年）。从扫描电子显微镜图像得出的分形维数（D）可以量化孔结构复杂性（Kangning等人，2023年；Li等人，2023年）。在稻壳-粉煤灰复合系统中，不同填料体积分数（40%–70%）会改变孔隙网络，使热导率（λ）降至0.195–0.230 W/(m·K）（Narattha等人，2024年）。通过控制混凝土中的微裂纹图案和宏观合成纤维角度（Kangning等人，2023年；Li等人，2023年），揭示了微观结构和宏观结构对热传导的协同效应。
目前对复合材料热导率（λ）的预测主要使用3D CFD模型（Lu等人，2021年；Ni等人，2022年）和机器学习/AI算法（Abid等人，2025年；Chen等人，2024年；Lv等人，2024年；Peng等人，2024年；Sundharam Paulpandian和Neves，2025年；Wang等人，2025年；Yagdjian和Gurka，2025年；Zhang等人，2025年），但这些方法存在三个局限性：（1）简化了颗粒/纤维形状的假设，忽略了FAHM和MF在加工过程中的变形，特别是在热压过程中FAHM微观结构的非线性降解。（2）忽略了经典的热传递理论（例如Maxwell理论（Shirsat等人，2025年；Su等人，2024年）和Bru的有效介质理论（Back等人，2024年；Shen等人，2024年）以及分形维数（D）和孔隙连通性（C_conn）的协同效应（Tian等人，2022b）。（3）真空耦合的盲点：真空包装的屏蔽效应缺乏对多孔材料热导率（λ）与真空水平之间关系的系统描述。
为了解决这些问题，本研究开发了一个多因素耦合模型，结合实验数据、物理机制和统计分析来预测基于粉煤灰的复合材料的热导率（λ）。该模型考虑了基体性质、孔结构、填料含量、纤维取向和真空水平，并引入了真空校正系数来解释气体热传递的抑制效应。此外，还量化了压制引起的微观变形与热传递之间的关系。评估了FAHM-MF隔热材料的生命周期碳减排潜力和可持续性，为通过固定模具压制和真空处理生产的绿色建筑材料提供了系统化的优化框架。
材料与方法
本研究设计了不同比例的粉煤灰空心微球（FAHMs）和矿物纤维（MFs）复合材料。通过使用ImageJ软件（Knoll等人，2024年；Kubheka等人，2025年；Salawu等人，2024年）的扫描电子显微镜图像分析了微观结构，重点关注纤维体积分数（V_fibre）、总孔隙率（φ）、分形维数（D）、孔隙连通性（C_conn）和纤维取向角（θ）等微观特性。
参数拟合
通过迭代优化（收敛容忍度为10^?6，最大迭代次数为500次），获得了表2所示的关键参数。如第2节所述，基体的热导率（λ_matrix）使用瞬态平面源（TPS）方法测量，其值为0.083 W/(m·K)；纤维的热导率（λ_fibre）为10.843 W/(m·K)；填料的热导率（λ_fibre）为0.9 W/(m·K)。拟合结果表明孔结构复杂系数（k）为0.5407，表明孔结构呈椭圆形；实际孔隙形状的拟合系数（k）为1.5。
结论
本研究定量分析了由分形孔隙引起的非线性热导率退化，并提出了一个多因素交互模型。阐明了孔结构与热传导之间的复杂联系，以及这种复合隔热材料相比传统材料的碳减排和可持续性优势。主要发现如下：
(1)纤维体积分数（V_fibre）与孔隙率（φ）之间存在强烈的负相关（R^2 = 0.93）。增加纤维体积分数会降低孔隙率（φ）。
CRediT作者贡献声明
蒋琳娜：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析。范志轩：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论。关静轩：撰写——审稿与编辑、可视化、验证。白先进：撰写——审稿与编辑、监督、软件开发、概念构思。高亚峰：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划：“低碳建筑非透明围护结构高效隔热材料与结构研究项目”（项目编号：2025YFE0105800）的支持。
