基于 Borassus flabellifer L. 花生物质的木质素磺酸盐基生物基减水剂对 M30 混凝土工作性、力学性能与耐久性的增强作用

《Next Materials》：Lignosulfonate-based superplasticizer derived from Borassus flabellifer L. biomass for enhanced concrete workability

　　

一种木质素衍生生物基外加剂（LSBFB, lignin-derived bio-based admixture）由 Borassus flabellifer L. 花生物质经酸水解和化学改性合成。合成外加剂产率为 55.2 ± 4.8%，呈均一深棕色外观，密度为 1.15–1.25 g cm^?3，含水率为 3–8%。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）、紫外-可见光谱（UV-Visible）、动态光散射（DLS）和扫描电子显微镜（SEM）对其进行表征。将该外加剂以不同掺量掺入 M30 级混凝土，以评价其新拌性能、力学性能和耐久性能。在所研究掺量中，以水泥质量计 1% 外加剂表现出最佳综合性能，使坍落度和 28 d 抗压强度分别提高 21.4% 和 14.3%，抗折强度和劈裂抗拉强度亦相应改善。初凝时间和终凝时间分别增加 20% 和 16.4%。吸水率和快速氯离子渗透试验（RCPT, Rapid Chloride Permeability Test）电荷量分别降低 22.9% 和 35.7%。在硫酸盐暴露下，1% LSBFB 组质量损失降低 50%，与对照相比，抗压强度保留率由 86% 提高至 90.9%。对硬化混凝土的扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）检查进一步支持所观察到的基体形貌和元素特征改变。这些发现表明 Borassus flabellifer 花生物质作为可再生生物基混凝土外加剂来源的潜力，有助于农业废弃物增值和可持续建筑。

研究背景方面，塑化剂用于在不额外加水的情况下提高混凝土工作性（workability）和流动性，通过分离水泥颗粒、降低颗粒团聚，使混凝土更易浇筑、密实和抹面，并可降低水胶比、保持一致性，从而改善强度和耐久性。生物基塑化剂因可再生、可降解及有助于农业废弃物管理而受到关注；木质素衍生物可提高耐久性、强度和所有工作性并降低水比，被视为环保型塑化剂替代物。Borassus flabellifer L. 花（BFF）生物质在印度 Tamil Nadu、Kerala 等地资源丰富，含木质素和纤维素等天然聚合物，成本低且组成较稳定。原文指出，既有研究多集中于木材木质素或木质素磺酸盐基外加剂，尚无将 Borassus 花废弃物作为生物质制备木质素磺酸盐生物基塑化剂并用于混凝土基质的研究；商业木质素磺酸盐常为制浆造纸副产物，组成不受控或可变，而本研究采用酸水解后氧化改性的路线，以期从可再生农业废物流获得组成可重复、可调的生物基减水剂。研究目的是制备 LSBFB，并以不同掺量用于 M30 混凝土，评价其新拌、力学和耐久性能，探讨生物质衍生外加剂改善混凝土性能及支持环保建筑的潜力。

研究人员开展了 LSBFB 的合成、表征及 M30 混凝土性能评价。总体结论是：1% LSBFB（水泥质量）综合性能最佳，可提高工作性、抗压/抗折/劈裂抗拉强度并改善抗水渗透、抗氯离子渗透和硫酸盐侵蚀性能；该研究支持 BFF 花废弃物作为可再生混凝土外加剂来源，促进农业废弃物增值和可持续建筑。

关键技术方法概括（不超过250字）：BFF 花废物采集自 Kanyakumari, Tamil Nadu。经酸水解和氧化改性合成 LSBFB；按 IS 10262 设计 M30 混凝土，LSBFB 掺量为水泥质量的 0.5%、1%、1.5%、2%，每配比每龄期 3 个重复。采用 FTIR、Raman、UV-Visible、DLS、SEM-EDS 表征外加剂；测试坍落度、凝结时间、7/28 d 抗压强度、28 d 抗折与劈裂抗拉强度、吸水率、RCPT、硫酸盐侵蚀及硬化混凝土 SEM-EDS。

研究结果如下。3.1 材料表征：3.1.1 物理分析：通过产率、外观、密度和含水率测定，得产率 55.2 ± 4.8%（n=3）、深棕色均一液体、密度 1.15–1.25 g cm^?3、含水率 3–8%，表明木质素有效提取和磺化改性。3.1.2 FTIR 分析：由 3302 cm^?1 的 O–H、1637 cm^?1 的芳香 C=C、1190 cm^?1 的 C–O 及 750–1000 cm^?1 的 C–H 等峰，确认芳香性和含氧官能团，有利于流动和工作性。3.1.3 Raman 分析：1044.86 cm^?1 归因于 C–O/C–C 醚键和含氧芳香结构，1413.95 cm^?1 确认木质素芳香单元，2826.36 cm^?1 为 CH₃/CH₂ 对称伸缩；磺化未破坏芳香骨架并引入富氧基团。3.1.4 UV 分析：200–280 nm 宽吸收带对应芳香发色团共轭的 π→π* 和含氧官能团 n→π* 跃迁，500–800 nm 弱吸收，支持化学改性。3.1.5 DLS 分析：粒径峰低于 1 μm 且无二次峰，相关函数快衰减后稳定，强度记录约 250–400 a.u.，表明窄粒径分布和良好胶体稳定性。3.1.6 SEM 分析：观察到光滑颗粒簇、约 2.5 μm 棒状、纤维多孔团聚、不规则粗糙表面、簇-多孔/球形及层片状结构，提示较大比表面积和活性位点，有利分散。3.1.7 EDS 分析：O 为 45.04 ± 0.85 wt%、C 为 13.24 ± 0.23 wt%、Na 为 6.3 ± 0.18 wt%、Fe 为 16.87 ± 0.16 wt%、S 为 8.34 ± 0.04 wt% 等，表明材料富氧含碳并含残留无机元素；S 仅作为支持信息，磺化确证需互补表征。3.2 新拌与硬化性能：3.2.1 坍落度试验：C0、SP1–SP4 分别为 70、78、85、82、76 mm，SP2（1%）最大，较对照提高 21.4%；归因于吸附水泥颗粒产生静电排斥和解絮凝，超过最佳掺量后吸附位点饱和使效率下降。3.2.2 凝结时间：初凝由 160 min 增至 175、192、215、238 min，终凝由 275 min 增至 295、320、345、375 min；SP2 初凝和终凝分别延长约 20% 和 16.4%，呈剂量依赖缓凝，可能与木质素衍生物吸附暂时限制溶解和延迟早期水化有关。3.2.3 抗压强度：7/28 d 时 C0 为 22.0/30.8 MPa，SP2 为 25.0/35.2 MPa，SP2 较对照提高约 13.6%/14.3%；SP3、SP4 略低但高于对照，28 d 均满足 M30 特征强度。3.2.4 抗折强度：28 d C0、SP1–SP4 分别为 3.5、3.7、4.0、3.8、3.6 MPa，SP2 提高 14.3%，与分散改善、基体致密及界面过渡区（ITZ, interfacial transition zone）强化有关。3.2.5 劈裂抗拉强度：28 d C0、SP1–SP4 分别为 2.9、3.1、3.4、3.2、3.0 MPa，SP2 提高约 17.2%，与致密基体和 ITZ 强化有关。3.2.6 吸水率试验：C0、SP1–SP4 分别为 4.8%、4.3%、3.7%、4.0%、4.5%，SP2 降低 22.9%，表明连通毛细孔减少、抗渗性改善。3.2.7 RCPT：C0、SP1–SP4 分别为 2800、2400、1800、2100、2600 C，SP2 降低 35.7%，分类为低渗透，其余多为中等；致密低渗透基体限制氯离子进入。3.2.8 硫酸盐抵抗性：质量变化 C0 为 ?1.50%，SP2 为 ?0.75%（质量损失 0.75%）；残余抗压强度 C0 为 26.5 MPa、保留率 86%，SP2 为 32.0 MPa、保留率 90.9%，SP2 最佳且与低吸水率和低 RCPT 一致；高掺量可能因过量吸附、缓凝或孔隙结构变化而降低性能。3.2.9 微观结构表征：28 d C0 与 SP2 的 EDS 显示 O、Ca、C、Si 等主元素及局部元素差异，Ca/Si 原子比约 2.15 与 3.62；Ca、Si、O 与钙硅酸盐水合物（C–S–H, calcium silicate hydrate）等水化产物元素组成一致，但 EDS 不能确认水化程度或特定产物。SEM 显示 C0 基体异质、颗粒团聚和角状碎片，SP2 见较连续基体、紧密堆积颗粒簇和不规则水化产物样沉积；形态差异提示 LSBFB 可能影响颗粒分布和硬化基体发展，与 28 d 抗压强度提高 14.3%、吸水率降低 22.9% 一致，但常规 SEM 不能证明 C–S–H 增加、ITZ 强化或定量孔细化，需互补分析。

讨论部分总结：原文讨论强调 1% LSBFB 为最佳掺量，性能改善可能与水泥颗粒吸附分散、静电排斥、解絮凝、水化改善、基体致密化、ITZ 强化和孔细化有关；超过最佳掺量时吸附位点饱和、缓凝及孔隙结构变化可能削弱效果。SEM-EDS 结果仅提供补充性形貌和元素证据，不能直接证明水化程度、C–S–H 形成、ITZ 强化或孔细化，相关机制仍需进一步验证。

研究结论翻译：开发的 Borassus flabellifer L. 衍生木质素磺酸盐基生物基减水剂（LSBFB）表现出良好的理化特性及混凝土应用潜力。在所研究掺量中，以水泥质量计 1% LSBFB 综合性能最佳。与对照相比，坍落度提高 21.4%，抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度分别提高 14.3%、14.3% 和 17.2%。吸水率降低 22.9%，RCPT 电荷量降低 35.7%，表明抗水吸收和降低电荷通过能力改善。FTIR、Raman、UV-Visible、SEM-EDS 和 DLS 为合成外加剂的理化特性提供了见解。此外，28 d 硬化混凝土 SEM-EDS 检查显示对照与最佳组胶凝基体形貌和局部元素组成存在差异。这些观察提供了补充性微观结构证据，与水泥颗粒分散、水化改善、C–S–H 形成增加和孔细化机制一致，但需进一步实验验证。总体而言，这些发现表明 Borassus flabellifer 花废弃物作为开发木质素衍生混凝土外加剂的可再生资源具有潜力，可促进农业废弃物增值和可持续建筑。建议进一步研究磺酸盐官能团、吸附行为、水化动力学、减水效率和长期耐久性，以确立其潜在机制和实际适用性。