《Scientific African》：Evaluation of the physical and thermomechanical properties of compressed earth bricks reinforced with raw and treated alfa fibers for sustainable rural construction
编辑推荐：
摘要：在建筑领域使用本地化且环境友好的材料，为提升环境可持续性与能源效率提供了一条切实可行的路径。在此背景下，本研究旨在利用本地资源，特别是土壤与阿尔法纤维（alfa fibers），开发一种高性能建筑材料，以改善摩洛哥Draa-Tafilalet地区Jbel
摘要：在建筑领域使用本地化且环境友好的材料，为提升环境可持续性与能源效率提供了一条切实可行的路径。在此背景下，本研究旨在利用本地资源，特别是土壤与阿尔法纤维（alfa fibers），开发一种高性能建筑材料，以改善摩洛哥Draa-Tafilalet地区Jbel Saghro–Tinghir区域乡村及山区土结构建筑的耐久性。主要目标是分析掺入未经处理（RAF）与经处理阿尔法纤维的压缩土砖（compressed earth bricks, CEB）的物理力学与热学性能。纤维经两种处理：碱处理（alkaline treatment）与水热处理（hydrothermal treatment），分别得到碱处理阿尔法纤维（ATAF）与水热处理阿尔法纤维（HTAF）。首先，对土壤及处于原始与处理状态的纤维进行了理化表征，并对土壤进行了岩土工程测试；随后，制备了掺入质量分数0%至2%未经处理与处理阿尔法纤维的CEB。结果表明，所研究土壤满足制造CEB的最低要求。此外，施加于纤维的处理降低了非晶相比例。对CEB进行的测试表明，掺入未经处理或经处理的阿尔法纤维均显著改善了热学性能。掺入2%的RAF、HTAF与ATAF纤维分别使热导率降低37.87%、36.33%与33.80%，同时导致密度轻微下降。然而，纤维的掺入伴随着抗压强度的下降，未经处理纤维的降幅约为31.76%。但所施加的处理有效缓解了这种力学损失，HTAF与ATAF的降幅分别为24.14%与15.71%，相较于掺入2% RAF的CEB，分别改善了10%与19%。这些结果表明，使用阿尔法纤维改善了CEB的热学性能，且对纤维进行处理有助于限制力学性能的损失。
论文解读：碱处理与热处理阿尔法纤维增强压缩土砖的物理与热力学性能评价
一、研究背景与问题
全球气候变化已成为当今人类社会面临的最严峻挑战之一，推动国际社会寻求切实可持续的解决方案以推动能源部门脱碳。建筑行业在此进程中扮演关键角色，其约占全球温室气体排放总量的30%，且建筑材料尤其是水泥的生产是向环境排放二氧化碳（CO?）的主要来源。据统计，每生产1千克水泥约排放0.5至0.9千克CO?。在能源消耗方面，建筑物约占全球能源消耗的36%，而供暖、通风与空调系统因传统建筑材料热性能不佳，约占建筑总能耗的45%。在摩洛哥，建筑部门约占全国总能耗的33%，并产生约30%与能源相关的CO?排放。随着全球住房存量预计至2050年增长约50%，降低建筑行业的环境影响以确保建筑可持续性至关重要。
在此背景下，土基建筑材料因其储量丰富、环境影响低、制造能耗低及热性能良好，被科学界视为可行的可持续替代方案。夯土与土坯砖（adobe）是北非特别是乡村地区广泛使用的传统建造方法。土坯技术的进步催生了压缩土砖（CEB）方法。尽管土结构具有诸多优势，但其仍存在力学性能与耐久性方面的局限。为弥补这些不足，水泥与石灰等稳定剂被普遍使用，然而这些稳定剂的使用与旨在降低建筑材料碳足迹的生态策略不相容。相比之下，天然纤维的掺入更为适宜。多种天然纤维因其生态与可生物降解特性被用作土砖的增强材料。已有研究证实，掺入纤维虽能改善土砖的热绝缘性能，但增加纤维含量会劣化力学性能，其机理被归因于纤维与基体间较差的粘附性。为增强粘附性，碱处理与水热处理被广泛用于去除杂质并使纤维表面粗糙化。在摩洛哥，阿尔法纤维在干旱地区广泛野生分布，总面积约220万公顷。尽管已有研究探讨阿尔法纤维在水泥基复合材料中的应用，但将其用于增强土基材料的研究仍相对有限，且纤维处理与纤维长度对CEB热力学行为的综合影响尚缺乏充分研究。因此，亟需开展进一步研究以理解经处理阿尔法纤维提升生态友好型土建材料性能的潜力。
二、研究内容与结论
本研究旨在探究掺入阿尔法纤维的压缩土砖（CEB）的热力学性能，并与未掺纤维的基准砖进行比较。CEB采用来自摩洛哥Saghro–Tinghir地区的本地土壤制造，该土壤被当地社区用于生产土坯砖。为改善纤维与基体间的界面结合，对阿尔法纤维施加了碱处理与水热处理两种处理。研究首先考察了处理对纤维特性的影响，随后对使用未经处理与经处理阿尔法纤维进行了比较分析，并分析了纤维长度对CEB热学与力学行为的影响。研究主要目标是改善干旱与半干旱地区压缩土砖的热绝缘性能，同时限制其力学性能的退化，以开发适用于摩洛哥乡村地区的可持续、经济型建筑解决方案。研究意义在于为利用本地可再生资源开发高性能生态建筑材料提供了实验依据，有助于降低建筑能耗与碳排放。
三、主要关键技术方法
研究人员采用了多种表征与测试技术。土壤方面，运用X射线荧光光谱（XRF）分析化学组成，X射线衍射（XRD）评估矿物组成，傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证物相，并依据相关标准开展粒度分布、阿特伯格界限（Atterberg limits）、亚甲蓝值（MBV）及改良普氏击实（modified Proctor）等岩土工程测试。纤维方面，采用XRD结合Segal法计算结晶指数（CrI），FTIR分析化学结构变化，并依据相关方法量化纤维素、半纤维素与木质素含量。CEB试样经2.7 MPa液压压实成型，养护28天后测定抗压强度、热导率（Hot Disk TPS 1500装置）及密度，并通过扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构与纤维-基体界面。
四、研究结果
土壤理化与矿物学表征： 土壤化学组成以二氧化硅（SiO?）、氧化铝（Al?O?）与氧化铁（Fe?O?）为主。XRD分析显示土壤主要由石英构成，并含有钠长石、方解石、伊利石、高岭石与蛭石等矿物。FTIR分析验证了上述物相的存在。SEM观察显示土壤呈致密结构，颗粒间结合显著，EDX分析证实土壤富含硅、氧与铝元素。
土壤岩土工程表征： 土壤含水率为2.83%，绝对密度为2.65 g/cm3。液限、塑限与塑性指数分别为48%、23%与25%，塑性指数处于XP P 13–901标准推荐范围内。粒度组成为3%砾石、38%砂、33%粉砂与26%粘土，粘土含量处于CEB推荐范围（9–31%）内。亚甲蓝值为1.48 g，比表面积为30.9 m2/g。改良普氏击实试验得出最大干密度2.02 g/cm3，最优含水率11%，符合CRAterre-EAG对适宜建造土壤的要求。
阿尔法纤维处理效果： 未经处理阿尔法纤维（RAF）的结晶指数（CrI）约为39%。化学组成分析显示RAF含40.24%纤维素、26.14%木质素、23.06%半纤维素与6.62%灰分。经水热处理（HTAF）与碱处理（ATAF）后，结晶指数分别提升至44.06%与48.52%，纤维素含量分别增至43.60%与50.97%，而半纤维素与木质素含量相应降低。FTIR分析证实处理导致半纤维素与木质素相关特征峰强度减弱或消失，表明非晶相被部分去除，其中碱处理效果更为显著。
CEB微观结构分析： SEM观察显示，未掺纤维的基准CEB呈相对致密基体并可见孔隙。掺入RAF的CEB在纤维表面与土基体界面处存在空隙，表明纤维-基体粘附性较差。掺入经处理纤维的CEB界面接触得到改善，其中碱处理纤维（ATAF）在基体中嵌入更为良好，表明纤维-基体粘附性显著提升。
纤维对CEB密度的影响： 随着未经处理或经处理纤维的掺入，密度逐渐降低。掺入2%的RAF、HTAF与ATAF分别使密度降低15.1%、14.2%与12.98%，但所得密度仍处于CEB常见的1700至2200 kg/m3范围内。掺入经处理纤维的CEB密度普遍高于掺入未经处理纤维者，其中碱处理纤维的效果最为显著。
纤维对热导率的影响： 增加阿尔法纤维含量显著降低热导率。未掺纤维砖的热导率为1.061 W/m·K。当纤维含量从0%增至2%时，RAF、HTAF与ATAF分别使热导率降低37.87%、36.33%与33.80%。热导率与密度呈显著正相关。经处理纤维增强的CEB热导率略高于掺入未经处理纤维者。
纤维对抗压强度的影响： 抗压强度受纤维掺入率与处理类型共同影响。未掺纤维时抗压强度为8.415 MPa。纤维含量增加导致抗压强度下降，掺入2% RAF时降幅约为31.76%。经处理纤维有效缓解了力学损失，掺入2% HTAF与ATAF的降幅分别为24.14%与15.71%，相较于RAF分别改善了10%与19%。抗压强度与密度呈强正相关。
五、讨论与结论
讨论部分指出，纤维掺入导致的热导率降低主要归因于阿尔法纤维本身较低的热导率（0.056 W/m·K）以及纤维掺入增加基体孔隙率、降低密度。经处理纤维增强砖热导率略高，是因为处理清洁了纤维表面、改善了纤维-基体粘附性。抗压强度的下降与纤维掺入导致的孔隙率增加和密度损失相关。纤维处理通过去除纤维表面杂质、提高表面粗糙度，增强了纤维与土基体间的粘附性，从而限制了力学性能的退化，其中碱处理效果优于水热处理。
研究结论表明，所研究土壤满足制造CEB的最低要求。阿尔法纤维的掺入，无论未经处理或经处理，均显著改善了CEB的热学性能，掺入2%纤维使热导率降低约34%至38%。纤维的掺入虽导致抗压强度下降，但碱处理与水热处理有效缓解了这一力学损失，分别将降幅从31.76%降至15.71%与24.14%。这些结果证实，使用阿尔法纤维可改善CEB的热学性能，且对纤维进行处理有助于限制力学性能的损失，为开发适用于摩洛哥乡村地区的可持续、经济型建筑解决方案提供了实验依据。
