综述：用于提升热效率的生物基建筑复合材料：性能、制造方法及应用效果

《Cleaner Waste Systems》：Bio-based construction composites for improved thermal efficiency: Properties, methods, and performance

　　穆罕默德·图伊尔|乌萨马·拉赫蒙|哈利德·埃尔哈蒂|拉希德·萨达尼|米卢德·拉赫蒙
摩洛哥梅克内斯穆莱伊斯梅尔大学FS-EST先进材料研究与应用实验室

**摘要**
本综述重点关注使用生物基材料增强的建筑复合材料及其改善建筑围护结构热性能的潜力。文章分析了用于表征这些复合材料热性能、机械性能和水分特性的主要实验技术，并对其优势、局限性和适用性进行了批判性讨论。此外，还探讨了该领域的实验研究。文献表明，增加生物基材料含量通常会通过提高孔隙率和微观结构变化来改善热绝缘性能，尽管最佳含量很大程度上取决于基体类型。然而，这些热性能的提升往往伴随着机械强度的降低，主要是由于孔隙率的增加和纤维与基体之间的粘结力减弱。此外，纤维增强材料可以提高材料的延展性和断裂行为，但比颗粒添加剂更容易削弱基体。生物基材料还会影响水分行为，根据其类型的不同，可以增强水分缓冲能力或减少水分吸收。最后，纤维表面处理和轻质涂层是加强界面粘结和限制机械降解的有效策略。

**术语表**
BBM：生物基材料
BET：布鲁诺尔-埃梅特-泰勒法
DCL：包含液晶的器件
EDS：能量色散光谱
ES：电致变色系统
HB：布氏硬度
HRR：洛克威尔硬度
HV：维氏硬度
HVAC：供暖、通风和空调系统
PCM：相变材料
RER：可再生能源
SEM：扫描电子显微镜
TCT：热表征技术
TEZ：热激励区
TEM：透射电子显微镜
VIP：真空绝缘板

**1. 引言**
在当今世界，能源效率已成为应对气候变化和实现可持续发展目标的重要支柱（Elizabeth, 2018）。除了这些关键问题外，能源效率还在于加强能源安全、促进金融节约以及创造清洁能源技术领域的就业机会（Maestroni, 2018）。实际上，“能源效率”是指在减少不必要的能源消耗和浪费的同时最大化服务产出的概念（Abdulrasheed et al., 2022）。这一术语广泛适用于工程学、物理学、环境科学和经济政策（Faz?l and Mustafa, 2018）。然而，这一概念的起源可以追溯到20世纪末人们对能源节约和可持续性的日益重视。它是在1970年代石油危机以及对环境退化和能源资源有限的担忧背景下出现的。特别是1973年、1979年和2008年的石油供应突然变化导致能源消费相对于生产水平显著增加（Salameh, 2001）。这种非弹性主要是由于全球经济对石油的更大依赖性和某些天然石油资源的枯竭。这些危机促使经济行为体和运营商采取立即措施来应对油价上涨和随之而来的货币不稳定。自这些戏剧性事件以来，政府和科学界一直在能源领域进行讨论，以制定新的能源优化策略（Papadopoulos, 2016）。

能源效率涵盖多个领域，如建筑、工业、交通和家用电器以及可再生能源。工业效率涉及实施更高效的实践和技术以优化生产并减少能源消耗（Tanaka, 2011）。而交通领域的效率则旨在具体减少燃料消耗和温室气体排放，这可以通过改善交通基础设施和鼓励使用可持续的交通方式和节能车辆来实现（Brenna et al., 2020）。对于电子设备和家用电器来说，能源效率意味着减少电力消耗，这可以通过负责任的做法和使用节能设备来实现（Bhutto et al., 2020）。集成可再生能源也在提高能源效率方面发挥着关键作用，它们有助于减少对化石燃料和能源成本的依赖（Liu, 2019）。

建筑和建筑行业也被视为对全球最终能源消耗有直接影响的一个领域，它们已成为当前的重要话题，纳入了能源效率标准和措施。这引起了科学界的浓厚兴趣，以开发新的方法和技术来实现这一目标。实际上，所做的重大努力涉及特定维度，无论是监管、技术还是社会方面的。这一趋势得到了投入的项目和科学出版物的巨大预算的支持，这清楚地表明了人们对建筑能源效率管理和改进的重视（Lee and Cheng, 2016a）。然而，建筑能源效率主要受到建筑规范（热法规）的指导，这些规范定义了建筑物的最低能源性能要求和合规标准，同时也有助于环境保护。此类框架已在世界各地得到实施和更新，以促进能源节约（Fran?ais, 2019; 西班牙政府, 1979; Allouhi et al., 2015）。此外，居住者的行为通过影响供暖、制冷和照明的使用来影响建筑能源消耗，热舒适度是一个关键因素（Zhang et al., 2018）。研究表明，习惯、态度和社会人口统计因素可以影响能源需求（D’Oca et al., 2018; Hong et al., 2017）。因此，在提高建筑能源效率时应仔细考虑这一方面。

此外，人工照明也会增加建筑能源消耗，其效率取决于技术选择和控制策略（例如，白炽灯、荧光灯和LED灯）（Montoya et al., 2017）。LED灯和荧光灯通常是能效最高的照明选项（None, 2008），而智能控制装置如occupancy传感器可以进一步提高效率（Pandharipande and Caicedo, 2015）。同样，HVAC系统对于维持热舒适度至关重要，并占建筑能源使用量的很大一部分（Pérez-Lombard et al., 2011）。通过选择高效设备（Lee and Cheng, 2016b）、合理的流体分配系统设计（Da?demir et al., 2017）、热分区（Shin and Haberl, 2019）以及使用先进的控制装置（如变速风扇和恒温调节器Nassif and Ridwana, 2021），可以提高能源效率。此外，集成可再生能源（RE）系统也是提高建筑能源效率的关键策略（Yuan et al., 2013; Khan and Al-Ghamdi, 2021）。太阳能被广泛用于电力和热水，而风能、地热能和生物质能提供了额外的清洁能源生成机会（Khan and Al-Ghamdi, 2021; Zouiri and Elmessaoudi, 2019）。

大多数这些方法被认为是主动的，因为它们利用了电能。因此，科学研究转向了所谓的被动能源效率。这种方法专注于研究建筑围护结构的热性能，并旨在提出被动解决方案。提高建筑围护结构的保温能力仍然是核心关注点。本综述重点分析了主要由生物基材料和建筑材料制成的新型复合材料的理化性能，这些材料具有低热导率。这种方法是在提高建筑热性能的各种方法之一，例如热绝缘和相变材料（PCM）的集成（Kaln?s and Jelle, 2015）。

20世纪，材料科学的发展催生了一代新的材料——复合材料。这项革命性技术为创造具有卓越和有前途特性的结构铺平了道路，使它们适用于多种工业应用，特别是在汽车行业（Mallick, 2012）、航空航天（Schuhler et al., 2018）、农业（Zhao et al., 2021）等多个领域。这些材料以其显著的物理和机械性能而著称。同时，建筑行业也被证明是将各种复合材料整合到建筑物中的肥沃土壤。该领域的先进研究表明，传统建筑材料在惯性和热声绝缘方面可以提供优异的性能，同时通过在主要基体中包裹高热性能材料来显著节省能源。

复合材料的复杂性体现在增强材料的兼容性和在主基体中的粘结度上（Brigante, 2014）。这些因素直接受到孔隙率的影响，孔隙率特别是在复合材料各元件接触表面处集中。这一特性是影响基体性能的基本标准之一，尤其是在机械方面。此外，其他参数如尺寸、几何特性以及将增强材料插入基体的方法在决定复合材料的整体物理行为方面起着至关重要的作用。因此，这些元素的组合以及涉及的现象构成了理解和优化复合材料性能的核心方面。

另一方面，使用表征工具对于理解复合材料在所有物理方面的形态和行为至关重要。这些方法是多样的，它们由一组条件定义，包括测量的难度和应遵循的测量方法，包括实验过程和相关计算方法。这种方法的多样性强调了根据每个实验协议的具体情况和所需测量时间仔细选择适当表征技术的必要性。

本文强调了能源效率在建筑行业中的关键重要性，深入探讨了提高建筑围护结构热性能的技术，并探讨了生物基材料的潜力，突出了它们的绝缘性能及其与建筑材料的相互作用，以开发具有改进热特性的环保复合材料。在此基础上，本文研究了用于建筑的生物复合材料。首先介绍了建筑中的能源效率，介绍了用于提高建筑围护结构热性能以减少能源消耗和相关环境影响的主要方法。然后重点讨论了生物复合材料，它们是节能建筑的关键方面，详细描述了其类型、选择标准和潜在应用。第三部分探讨了这些生物复合材料的热物理性能和表征方法，说明了在实际应用之前如何评估其性能。最后，本文提供了相关研究的最新进展，为未来的研究人员提供了全面的参考和对该领域的初步概述。

**2. 建筑围护结构的热性能改进**
**2.1. 窗户和玻璃表面**
玻璃表面是建筑围护结构的关键组成部分。这些元件促进了自然光在室内空间的传播，从而减少了白天的人工照明能耗。此外，当窗户打开时，它们有助于通过自然循环改善空气更新。然而，这些表面的不适当尺寸可能导致居住者舒适度的中断、冬季的热量损失和夏季的过热，尤其是在暴露于强烈阳光下的区域（Friess and Rakhshan, 2017）。常用的窗户分为两类：静态窗户和动态窗户（Akram et al., 2023）。前者是指具有固定热光学特性的表面。这种类型的早期版本由单层玻璃制成，虽然成本较低，但由于厚度较大而导致显著的热量损失。然而，双层或多层玻璃系统作为一种有效的解决方案应运而生，通过在玻璃层之间插入低热导率的流体来解决问题（表1）。

另一方面，动态表面是指具有可调热光学特性的所有玻璃。这些系统对外部电脉冲做出反应，改变其光学特性以适应内部和外部条件的变化。实际上，有多种动态玻璃可供选择，其中电致变色系统（ES）和包含液晶（DCL）或悬浮颗粒（SP）的器件特别突出（Casini, 2018）。技术选择很大程度上取决于成本、用户目标和每个器件的特性（表2）。

**表1. 静态玻璃的热性能参数**
| 单层玻璃 | 双层空气玻璃 | 双层氩气玻璃 | 三层氪气玻璃 |
| --- | --- | --- | --- |
| 透射系数 | 5.68 | 2.83 | 1.40 |
| 外部太阳反射系数 | 0.075 | 0.126 | 0.266 |
| 可见光透射率 | 0.90 | 1.081 | 0.706 |
| 太阳得热系数 | 0.855 | 0.755 | 0.589 |
| 其他 | | | |

目前正在市场上出现并正在改进的其他新兴技术包括热致变色系统、光伏玻璃、集成相变材料或气凝胶的器件（Hee et al., 2015）。此外，如百叶窗或日光遮帘等装置有助于减少因阳光照射引起的过度热量，从而保持舒适的室内温度（Akram et al., 2023）。

**表2. 主动变色技术的特性**
| 参数 | ES | DCL | SP |
| --- | --- | --- |
| 可见光透射率（透明-暗） | 0.6–0.01 | 0.65–0.05 | 0.75–0.5 |
| 太阳得热系数（透明-暗） | 0.46–0.06 | 0.57–0.06 | 0.69–0.55 |
| 暗状态下的隐私性 | 否 | 是 | 是 |
| 工作温度 | 20至70°C | 40至120°C | 20至70°C |
| 切换速度 | 5–12分钟 | 1–3秒 | ≈ 40毫秒 |
| 成本 | 中等 | 高 | 非常高 |
| 耐用性 | >30年 | >20年 | >10年 |

**2.2. 热绝缘**
目前，热绝缘是公认的提高能源效率的被动方法之一（Pásztory et al., 2021）。应用热绝缘的基本策略在于使用具有优异热性能的材料。这些材料作为多层分布在所有建筑表面上，形成额外的热阻。然而，选择使用哪种材料取决于多种因素，包括建筑类型、热代码以及材料和安装成本。根据热传导性能对绝缘材料进行分类时，主要分为两大子类别：整体绝缘材料和反射绝缘材料（图1）。前者包括所有能够通过传导减少热量传播的固体材料，而后者则指的是具有低辐射率的绝缘材料。另一方面，基于成分的分类则关注材料的来源，包括有机材料或无机材料（Abu-Jdayil等人，2019年）。无机材料由非生物资源制成，如玻璃棉、岩棉、蛭石等。相比之下，有机材料来自生物和可再生资源，如膨胀聚苯乙烯、聚氨酯、棉花和大麻纤维等。目前，市场将绝缘材料分为四大主要类型：松散填充材料、喷涂泡沫、卷材和刚性面板。

表3展示了各种绝缘材料的热物理特性比较（Pásztory等人，2021年）。确实，某些绝缘材料的热导率似乎处于相似的范围内，介于0.018至0.07 W/m·K之间。然而，其他材料如膨胀聚苯乙烯、挤出聚苯乙烯和聚氨酯则表现出更可靠的热导率，范围在0.018至0.04 W/m·K之间，这解释了它们在市场上的广泛使用。相反，先进材料的热导率较低，特别是真空绝缘板和气凝胶（分别为0.002至0.008 W/m·K和0.013至0.014 W/m·K）。在密度方面，无机材料通常具有较高的密度，表明它们能够减少噪声干扰。此外，它们似乎能够在较大的温度范围内保持其热性能。在这方面，蛭石表现出色，其操作温度范围为700°C至1600°C。

绝缘材料 | 热导率（W/m·K） | 密度（kg/m3） | 操作温度（°C）
---------------------------------|-------------------|--------------|-------------------
玻璃棉 | 0.03 ～ 0.045 | 13 ～ 100 | ?100 ～ 500 |
岩棉 | 0.033 ～ 0.045 | 30 ～ 180 | ?100 ～ 750 |
硅酸钙 | 0.045 ～ 0.065 | 115 ～ 300 | 300 |
蛭石 | 0.046 ～ 0.077 | 70 ～ 160 | 700 |
膨胀聚苯乙烯 | 0.035 ～ 0.041 | 15 ～ 35 | ?80 ～ 80 |
挤出聚苯乙烯 | 0.03 ～ 0.042 | 25 ～ 45 | ?60 ～ 75 |
聚氨酯 | 0.024 ～ 0.033 | 30 ～ 100 | ?50 ～ 120 |
羊毛 | 0.04 ～ 0.045 | 25 ～ 30 | 130 |
大麻 | 0.04 ～ 0.05 | 20 ～ 68 | 100 |
木纤维 | 0.04 ～ 0.09 | 30 ～ 270 | 110 |
PIV | 0.002 ～ 0.008 | 150 ～ 300 | |
气凝胶 | 0.013 ～ 0.014 | 60 ～ 80 |

**2.3 热惯性**
通过建筑墙体的热流随时间动态变化，无论季节如何，白昼和夜晚之间都会出现显著的温度差异。因此，其他参数如热容量、热扩散率和热传导率可以控制建筑的热环境（Soret等人，2021年）。为了提高建筑围护结构的热惯性，有多种方法可用。其中最显著的方法是使用高热容量材料，这些材料能够在白天储存热量并在夜间释放（Gil等人，2010年）。这种储存方式被称为显热储存，通常建筑材料的储热容量大约在0.75至1 kJ/kg·K之间（Pomianowski等人，2013年）。然而，这种储存方式有其局限性，因此开发了更先进的技术，如相变材料（PCMs）（Cabeza等人，2011年）。这些材料通过在炎热时期吸收多余的热量并在寒冷时期释放热量来平滑建筑内部的温度波动（Pomianowski等人，2013年）。相变材料可以直接作为构成建筑墙体的层，或者集成到供暖地板或天花板中。根据状态变化方式，它们可以分为四类：固态-固态、固态-液态、气态-固态和气态-液态。此外，还可以根据其来源和成分进行选择：有机、无机和共晶（图2）。但在建筑背景下，固态-液态变体最为常用，因为其在熔化过程中的体积变化很小，无论是用于冷却还是加热。

在建筑中选择相变材料通常取决于所需的潜热储存能力，如表4所示。有机相变材料以其高潜热储存能力和热稳定性而闻名。然而，它们也有缺点，例如热导率低（通常低于0.2 W/m2·K）、熔点低以及易燃性。另一方面，无机相变材料提供高潜热储存能力，有些具有较高的熔点（Iten和Liu，2014年）。不过，它们也有不足之处，如缺乏热稳定性、易腐蚀和分解。此外，共晶材料是通过结合至少两种其他相变材料制成的化合物，无论是有机的还是无机的。这种方法可以根据需要定制相变材料的热性能和热稳定性。

**3. 建筑材料**
关于提高建筑能源效率的这部分内容涉及增强建筑材料的热物理性能（Pásztory等人，2021年）。现代建筑中使用的材料多种多样，如砖块、砂浆、混凝土、水泥、灰浆等。这些材料构成了建筑结构的基本元素，其组合形成了建筑围护结构。因此，优化其物理性能可以为减少热量传递和提高居住者的热舒适度提供解决方案。实现这些目标的技术包括修改建筑材料的化学成分以开发特定性能。还有一些方法侧重于优化关键元素，如水分含量。还有方法基于精确控制制备条件，如温度和湿度（Kim等人，2003年）。此外，还有一些方法依赖于确定骨料的比例、尺寸和类型，例如砂浆和混凝土中的砂（Arulmoly等人，2021年）。此外，还有一些方法依赖于生产所谓的复合材料。这些方法涉及将建筑材料与其他材料结合，以创造在热性能方面更先进的材料。这些材料包括所有具有优异热性能的材料，如绝缘材料和相变材料（Marani和Nehdi，2019年）以及废弃物材料（Awoyera和Adesina，2020年）。

**3.1 建筑用复合材料的介绍**
复合材料通常由基础材料（通常是主要建筑材料，称为基体）和一个或多个添加剂元素（称为增强剂）组成（Hashin，1983年）。这些增强剂经过精心挑选，以便专门增强基体的性能。在大多数情况下，基体在稳定和保持添加剂的位置方面起着关键作用，这通常意味着基体材料在混合物中的比例高于添加剂。另一方面，增强剂负责将它们的独特物理性能传递给基体，无论是更好的热绝缘性、更高的机械稳定性，还是根据应用需求调整的孔隙率。建筑中使用的复合材料可以根据多个标准进行分类，包括其来源、化学成分、物理性能和特定应用。然而，最常用的分类是根据增强剂在基体中的形状、排列方式和分散方式（图4）。

根据这种分类，复合材料可以由颗粒、纤维或多层结构进行增强（Sauget，2014年）。基于颗粒的复合材料的特点是在建筑材料基体中分散小颗粒（宏观或微观），如球体、粉末或其他不规则形状。这种分散使基体均匀，从而增强材料的机械强度，尤其是在抗压缩载荷方面。另一方面，纤维增强复合材料根据纤维增强剂的尺寸（连续或不连续）及其在基体中的分散方式有多种形式。纤维可以随机集成、定向或分层，以创建夹层复合材料（单层增强）或层压复合材料（多层）。每种模型根据预期应用具有特定的优势。在建筑材料中使用纤维可能会降低均匀性，但可以改善机械性能，特别是抗拉强度和延展性，尤其是在随机模式下。相比之下，层压模型可能在机械强度上稍差，但在热绝缘应用中更为可靠。然而，复合材料的选用通常基于具体要求，以选择最适合预期应用的类型。

为了减轻建筑物的重量并便于材料运输，增强剂的选择集中在提高建筑材料的轻量化上。使用低密度增强剂，如植物来源的大麻和棉花，在这方面被证明是一种有前景的策略（Jami等人，2019年；Zhou等人，2010年）。此外，集成具有优异吸音性能的添加剂，如丝瓜络和玉米纤维，可以提高建筑材料的吸音系数，从而改善建筑物的声学和振动绝缘性能（Koruk和Genc，2015年）。此外，引入其他添加剂，如相变材料，可以增强建筑材料的热惯性性能，特别是在阻尼系数和热滞后方面（Marani和Nehdi，2019年）。最后，许多具有优异热性能的材料，如绝缘材料和生物基材料（第3.2节），被用来提高材料的隔热能力。另一方面，根据建筑材料的类型及其与添加剂的兼容性选择增强剂也至关重要。结构材料，如用于板和梁的混凝土，必须能够承受施加在建筑上的所有载荷。它们的增强主要旨在提高其抗弯曲、剪切和压缩力的机械性能。这些组件通常用刚性材料进行增强，如钢、玻璃纤维或碳纤维增强剂（Behbahani等人，2011年；Muthukumarana等人，2023年）。这一要求也适用于砖块，作为建筑的基本元素，必须具备机械可靠性。然而，使用低刚度的增强剂可能会削弱其机械性能，即使它们具有其他重要的物理特性（Khaleel等人，2021年）。因此，必须在提高性能与不损害其主要功能之间找到平衡。另一方面，虽然砂浆和灰浆等材料也具有机械要求，但如果它们的机械性能不是绝对必需的，通常不会对安全构成重大风险，因此往往使用多种增强剂进行增强。

此外，地理环境和当地环境条件在增强剂的选择中起着关键作用。某些增强剂可能对极端条件（如湿度和太阳辐射）敏感。有机材料，包括天然纺织纤维和木材，是能够根据环境自然吸收和释放水分的吸湿性材料的例子（Vololonirina等人，2014年）。这些条件的显著变化可能导致增强剂膨胀，从而引起变形并降低基础材料的机械和热性能。最后，还需要考虑增强剂的成本和可用性。一些添加剂可能比其他添加剂更昂贵，且其可获得性可能因地区而异。其中一些添加剂还需要复杂的加工方法，从而产生额外成本（Abbass等人，2020年）。因此，必须在所需的性能和可用预算之间找到平衡，以确保建筑的有效和经济性。

**3.2 生物基材料及其在建筑复合材料中的重要性**
继前一节之后，深入了解生物基材料（BBM）是必要的，这是生物复合材料区别于其他复合材料的关键因素。这些增强剂来自有机材料，通常称为生物质，可以分为三个主要类别（Ada，2022年）。每个类别可以包含多种材料。例如，动物部门可以生产羊毛、鸡毛和鸭毛等材料。另一方面，由于植物来源的多样性，植物部门可以包含各种材料，如α纤维、棕榈纤维和大麻。最终，回收行业可以包括纤维素填充物、再生棉和纸板等材料。这些材料来源于三个主要领域：农业、林业和再生环保产品。这种资源上的多样性为各种应用提供了广泛的基于生物的材料选择，适用于纺织品、食品、化妆品，尤其是在建筑领域。目前，在建筑中，基于生物的材料被用于热绝缘过程，并整合到现代建筑材料中以提高其性能（Yadav和Agarwal，2021；Ba等人，2020）。这些材料具有多种优势，包括良好的热性能、隔音性能和湿度调节性能，有助于提高居住者的舒适度，并且非常易于适应各种类型的建筑。基于生物的材料还提供了经济上的好处，例如降低原材料和制造成本，同时为多种材料提供回收解决方案。然而，在本综述报告中，我们最感兴趣的方面是基于生物的材料的绝缘能力以及它们将这种特性传递给建筑材料的能力（Ba等人，2020）。实际上，表5展示了按来源分类的一些基于生物的材料的导热率和密度。通过分析这些数据可以看出，大多数材料都表现出出色的绝缘性能，可以被视为绝缘体。其中，最好的绝缘材料是鸡羽毛废弃物，其导热率为0.33 W/m·K。亚麻和大麻纤维也具有相当好的绝缘潜力，导热率分别为0.38 W/m·K和0.04 W/m·K。其他材料也显示出一定的导电性，尽管稍高一些，例如Typha australis（0.061 W/m·K），这种材料的优点是易于获取。需要注意的是，这个列表只是一个例子，已有大量具有相似热性能的材料得到了科学研究的验证。此外，即使材料的绝缘性能相似，它们的密度也可能有所不同。例如，棕榈纤维和聚酯服装裁剪废弃物的密度较高，分别为289.55 kg/m3和209.1 kg/m3，而羊 wool、亚麻和大麻的密度较低，分别为20 kg/m3、5 kg/m3和20 kg/m3。这项分析清楚地表明，基于生物的材料为建筑行业提供了有效的解决方案，可以替代传统材料。

除了在减少热量传导方面的卓越表现外，基于生物的材料在减少噪音污染方面也具有显著潜力，使其成为优秀的隔音材料（Margaritis和Kang，2017；Van Renterghem等人，2012）。这种能力主要源于它们内在的多孔结构，使得它们能够吸收声音振动并将其转化为困在材料孔隙中的热量，从而有助于减弱不需要的噪音。此外，这些材料还具有自然调节周围空气湿度的能力，提供了一种被动的方法来改善室内空气质量并预防过敏问题，这对健康有益（Collet等人，2013）。基于生物的材料的重要性还体现在它们与循环经济和环境保护原则的兼容性上（Dams等人，2023）。建筑业因在全球范围内产生大量废物而受到关注，这不仅是一个风险因素，也是可持续发展政策的主要障碍。2018年，英国产生的建筑废物超过1.378亿吨，中国超过23.6亿吨，美国记录的废物约为6亿吨（Ferdous等人，2021；Ginga等人，2020；U.S.E.P.A，2021）。这些废物被送往垃圾填埋场，对健康构成风险。因此，考虑到制备过程中使用的各种化学物质，大多数材料的回收通常很少见。然而，将基于生物的材料与传统材料结合使用，可以设计出可回收的新型环保产品，这与联合国制定的2030年议程中关于废物管理和循环经济的战略相一致（Ogunmakinde等人，2022）。尽管基于生物的材料的利用仍不为人所熟知且得到的政治支持有限，但科学研究和建筑材料制造商正在逐渐进入这一领域。一些国家，特别是美国、中国和巴西，已经制定了战略计划，利用当地的生物质资源来生产基于生物的建筑材料（Européenes，CREE）。目标是将建筑材料纳入可持续性和能源效率的动态中，以应对人们对环境重要性的日益关注。例如，美国推出了“BioPreferred”倡议，鼓励联邦机构在采购时优先考虑基于生物的产品。同样，大多数欧盟国家也支持将生物经济视为环境保护的有希望的方向，并将其纳入住房主题规范中。在非洲，摩洛哥积极推广使用基于生物的材料进行建筑，利用丰富的植物、动物和再生资源（Charai，2021）。阿尔法领域、棕榈树和羊群提供了大量的纤维和羊毛，这些资源越来越多地被用于研究，以开发复合材料并支持国家基于生物的材料行业的发展。此外，许多国家，如法国，通过大学和研究实验室与国际组织（如RILEM——国际建筑材料、系统和结构实验室联盟）合作，收集知识和技术，以开发可持续材料的创新解决方案。

根据《剑桥词典》，表征是指“描述某事物最典型和最重要的属性和特征的过程”。当应用于材料领域时，它成为测量材料内在属性的过程，特别是它们的微观结构、化学、热和机械特性。无论理论还是实验性的表征方法，都能帮助物理学家深入了解材料行为并决定其使用方式。

4.1. 表征孔隙率和孔结构的技术
材料在微观尺度上本质上具有不连续性，通常称为孔隙率。这一属性定义了材料结构中空隙空间（孔隙）的体积比例。这些空隙通常很小，可以容纳液体（如水）或气体（如空气）（Leclaire，2005）。相比之下，复合材料具有高孔隙率，意味着基体或增强材料未占据的小体积。孔隙可以根据形状分为开口孔隙（可能相互连接或不连接）、封闭孔隙或不规则孔隙（图6）。有许多方法可用于表征孔隙率。然而，由于材料多孔结构的复杂性，没有一种方法或技术能够涵盖所有孔径范围。因此，表征尺度成为选择合适方法的关键参数（Zdravkov等人，2007）。实际上，孔隙率测量技术分为两类：成像技术和涉及流体介入的技术。
成像技术，包括光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线微断层扫描，可以直接观察不同长度尺度上的孔隙形态和分布，特别适合分析纤维或颗粒增强复合材料中的基体-填料相互作用。光学显微镜提供了一种简单、快速且可重复的方法来评估宏观孔隙（0.3 μm–1 cm），非常适合评估孔隙分布、填料分散度和基体与添加剂之间的整体均匀性（Araki，2017；Davidson和Abramowitz，2002）。然而，其分辨率有限，无法清晰地观察纳米级孔隙，而这在用细纤维或粉末增强的生物复合材料中往往非常重要。SEM和TEM可将表征扩展到纳米尺度（Anovitz和Cole，2015）。SEM的观察范围大约为10 nm–1 cm，能够详细观察表面孔隙、微裂纹和基体-填料接触区域；结合能量色散X射线光谱（EDS），可以提供局部化学信息，以确定填料分布和界面区域。TEM的分辨率最高（0.1–500 nm），特别适用于评估基体-添加剂界面的细尺度键合和结构连续性。然而，SEM和TEM主要提供局部、基于表面的信息，可能无法完全反映高度异质复合材料的整体孔隙率。X射线微断层扫描可以实现非破坏性的三维可视化，通常适用于大于1 μm的孔隙网络，提供关于孔隙连通性、空间分布和材料不连续性的体积信息，这对纤维增强基体尤为重要（Anovitz和Cole，2015）。其缺点是无法充分捕捉与细生物基填料相关的微孔和纳米孔隙界面区域。

流体侵入方法通过提供不同长度尺度上的定量内部空隙信息来补充成像技术。低压气体吸附法可以表征微孔隙和细中孔隙（0.3–80 nm），并可以确定比表面积和内部孔隙体积，适用于含有细粉末或纳米纤维的生物复合材料（Anovitz和Cole，2015）。其主要局限性在于测量间接性和对湿度的敏感性，这可能会影响吸湿性生物基材料的吸附效果。汞侵入孔隙率测量法的范围较广（3.8 nm–200 μm），适用于评估中孔隙和宏观孔隙，包括由纤维堆积、颗粒聚集或加工缺陷引起的孔隙。它可以快速获取孔径分布和累积孔隙体积，但高压可能会损坏柔软或低密度的基于生物的基体（da Silva等人，2023）。氦气孔隙率测量法适用于0.2 nm–1 mm的范围，用于确定开口孔隙率和真实密度（Profice，2014）。其优点是非破坏性的，适合具有多孔增强材料的致密基体。然而，它无法提供孔径分布或形态信息，最好与成像或其他侵入方法结合使用。每种技术都有其优势和局限性，选择方法主要取决于具体的研究目标和关注的复合材料尺度。成像方法可以直接观察和了解基体-填料相互作用，而流体侵入方法可以提供不同长度尺度上的定量内部孔隙信息。在这些方法中，SEM由于其广泛的观察范围、高分辨率以及能够结合EDS进行化学分析的能力，经常被用于生物复合材料的研究，特别是在评估填料分布、界面键合和表面微观结构方面（Touil等人，2022b；Ouakarrouch等人，2020）。

4.2. 热学测量技术
热力学的历史充满了彻底改变我们对自然理解的基本概念，特别是热力学第二定律。克劳修斯勋爵指出，热量不能自发地从较冷物体流向较热物体，除非有外部功的参与（Xue和Guo，2019）。这一自然现象涉及两个关键概念：温度，描述了热激动的程度并产生导致粒子振动的梯度；热量，则代表了传递的热能的数量、方向和速度。许多热性能可以通过它们来识别，因为它们反映了振动程度、热传递和热储存能力。其中，导热率（λ，单位W/m·K）定义了材料的热行为及其在介质中传导热量的能力。热扩散率（α，单位m2/s）衡量热能传播的速度。热容（Cp，单位J/kg·K）是材料的一个属性，描述了材料在温度变化时能够吸收或释放的热量。此外，密度（ρ，单位kg/m3）是一个指标，用于表示材料的轻质程度，从而表征多孔介质。最后，热传导率（Teff，单位J/(K·m2·s1/2)）衡量材料在吸收热能时改变温度的能力。

然而，热表征结合了实验性热测试和将其重新提炼为理论模型的方法，以确定热性能（Hammerschmidt等人，2015）。主要分类方法是根据时间 regime 将这些方法分为稳态模式和瞬态模式（图8）（Yüksel, 2016）。稳态技术允许在研究系统稳定后进行测量。然而，瞬态模式技术可以利用测量的瞬态部分。另一方面，还可以使用另外两种次要分类方法，根据样品的几何形状和测量类型对技术进行分类（图8）（Degiovanni, 1994）。实际上，几何形状决定了所应用测试中的热传递方向。最著名的分类是平面模式、圆柱模式和球形模式。此外，关于测量类型，这种分类定义了用于温度和/或通量恢复的热传感器数量，以及它们的放置方式，无论是位于热激励区（TEZ）内还是外。

4.2.1 稳态技术
稳态热特性仪器在单一笛卡尔方向上以均匀的热通量工作，其测量是在涉及的热系统完全稳定后进行的（Yüksel, 2016）。这些方法主要侧重于测量热导率和进行材料的热惯性测试。实际上，它们的优势在于能够测试各种材料，包括各向异性和非均匀固体，以及在某些情况下的流体。

两箱法（EI700 电池）是最广泛使用的一种热特性测试方法（图9）。通常，它涉及测量两个基本的热属性，即热导率和热扩散率。使用 EI700 电池测量热导率的协议基于在样品的上表面施加单向热流（使用加热膜，电阻 r 以欧姆为单位）。然而，其下表面暴露在由制冷器产生的冷却流中，并通过热交换器分配。样品的侧面保持绝热状态，从而在其厚度上形成促进热传递的温度梯度（e 以米为单位）。在达到稳态后（通常大约需要 5 小时），记录表面温度 TS 和 TI（以摄氏度为单位）、箱内温度 TB（以摄氏度为单位）以及环境温度 TA（以摄氏度为单位）。然后使用这些值来确定热导率。

在整个测量过程中，必须确保箱内温度略高于环境温度，理想温差为 ΔT≤0.1°C。这一要求是为了确保热流仅通过加热电阻传递，从而将热量损失降到最低（k 以瓦特/开尔文为单位）。这一过程通过电压调节系统（u 以伏特为单位）来调整通过加热膜的电流强度来实现。最后，可以使用公式（1）计算样品的热导率。（1）λ=eS(TS?TI)/(u2r?k(TB?TA))

另一方面，热扩散率是使用 EI700 电池的第二个箱子中的 Flash 方法来测量的（图9）。该技术的原理是在样品的下表面施加一个短脉冲的均匀热功率（1000 瓦特），持续时间最长为 30 秒。然后实时记录未受照射侧的温度 TS（以摄氏度为单位）作为时间的函数，从而形成热图。然而，扩散率是通过部分解释实验热图并使用 Degiovanni 的数学模型（Maillet 等，1993）来确定的。后者使用与记录的最大温度值的 1/2、1/3、2/3 和 5/6 相对应的点的相关矩，从而根据公式（2）计算材料的热扩散率（Maillet 等，1993）。（2）α=e2(5/6)t?/? [(1.15t?/??1.25t2/3)+(0.76t?/??0.92t1/2)+(0.618t?/??0.862t1/3)]。这种方法提供了精确可靠的热导率和热扩散率测量结果，特别适合异质复合材料和生物复合材料。其高度绝缘的设计将热量损失降到最低，确保准确评估样品内的热传递。EI700 包含两个箱子，可以同时测试两种材料在相同条件下的性能，这对于比较热性能或热惯性非常有用。该系统允许调节加热条件（高达 70 伏特），并提供显著的冷却能力，在样品上产生较大的温度梯度。对于热扩散率，白炽灯可以改变脉冲持续时间（最长 30 秒），从而评估不同的加热周期并提高测量精度。这种设置有效地捕捉了基体和纤维或颗粒添加剂的综合影响，同时保持可重复性。

然而，该方法也有一些局限性。要实现高精度，需要大约四小时的仔细监控以确保热稳定性，并且箱子内部与环境之间的温差必须非常小（ΔT≤0.1°C）。此外，局部孔隙率变化或基体-填料界面处的变化无法直接解决。尽管有这些限制，EI700 仍然是一个可靠且多用途的工具，广泛用于研究建筑复合材料和生物复合材料的整体热行为。

下图展示了 several 使用这种方法测量热导率和热扩散率的研究（图10）。Touil 等人（2022b, 2023）进行了一系列关于将不同基于生物的添加剂（包括咖啡渣和 Ferula communis）掺入建筑材料中的研究，以评估它们对石膏和砂浆的热导率和热扩散率的影响。此外，Fekkar 等人（2025）研究了不同剂量的阿甘油壳废物对石膏热导率和热扩散率的影响。在测量之前，作者通过测试具有已知热物理特性的标准商业材料（如聚苯乙烯和聚氨酯）来验证测量电池的可靠性。表 6 将实验获得的热导率值与文献中报告的值进行了比较，显示出良好的一致性，从而确认了测量电池的可靠性。

guarding 热板方法可以追溯到 20 世纪初，是最古老的技术之一。与稳态方法一样，此仪器中使用的材料厚度必须相对于其他两个维度很小。在这种配置中，一个热板放置在两个相同的样品之间，这两个样品又夹在两个导热金属板（如铜或铝）之间（图11）。

该方法基于将单向均匀的通量施加到每个接触热源的表面，通过电流在板中的循环产生热量（电阻）。然而，样品的另外两个表面暴露在来自与金属板接触的恒温浴的较冷且恒定的温度下。与其他技术的不同之处在于，该方法将热板保持在两个加热到恒定温度的相同装置之间，以防止横向热损失（Bankvall, 1973）。此外，设置的对称或不对称特性允许验证结果的准确性以及热板散发的通量与通过测试材料交换的通量之间的对应关系。

该方法的优势在于能够测量低于 1 W/m·K 的热导率，适用于各种材料，如不透明墙壁、绝缘体和低热导率的复合材料。此外，它还允许在 ?160°C 至 250°C 的温度范围内进行测量。由于这些优点、简单的操作以及在许多研究实验室中的广泛应用，该方法已在多个国家得到标准化，包括英国（B.S. 874:1965）、美国（ASTM C 177-63）和德国（DIN 52612）（Yüksel, 2016）。

然而，这种方法也有一些缺点，特别是在测量精度方面，因为达到稳态状态所需的时间较长，这可能在长时间内维持最佳测试条件时带来困难。此外，样品上的显著温度梯度、样品的大尺寸以及样品表面与热电偶之间的热接触阻力可能是误差的主要来源。Kim 等人（2021）通过测量认证参考材料 IRMM-440 在 ?10 至 50°C 温度范围内的热导率来验证了这种方法。测量值与认证的热导率偏差小于 2%，证明了该方法在绝缘材料和复合材料稳态热导率测量中的高精度和可靠性。基于此，许多作者使用该装置测量复合材料的熱导率。例如，Ashour 等人（2010）研究了天然增强纤维（如木屑和大麦秸秆纤维）对草捆建筑用土灰泥的绝缘性能的影响。他们报告说，这种技术提供了高精度的热导率测量结果，详见表 7。他们的发现表明，这些天然纤维的添加提高了基体的热绝缘性能。此外，这种方法还被用于表征不仅用纤维还用相变材料（PCMs）增强的建筑材料。例如，Ricklefs 等人（2017）研究了嵌入微胶囊化 PCMs 的水泥基复合材料，结果显示热导率随着 PCM 含量的增加而降低，详见同一表格。

mini 热板方法被广泛认为是确定热导率的最常用方法之一。这种方法由 Degiovanni 和 Batsale 开发，旨在减小样品尺寸同时更好地控制实验条件（Jannot 等人，2009）。实际上，该仪器由一个测试样品放置在两个金属板之间，两个 Peltier 元件，一个作为通量计，另一个作为冷却器。此外，整个热系统的主要热源是一个电阻器，使用绝缘体以最小化与周围环境的熱交换。所有这些组件都由一个加压装置补充，以确保设备各部分之间的良好接触（图12）。该技术的原理是通过热板施加热通量（? 以瓦特为单位）。然而，为了使通量单向并最小化样品的横向交换，产生的热通量必须在与样品上方的等温板中消散，以使其温度（T2 以摄氏度为单位）与环境温度相等。同时，下金属板与一个 Peltier 元件接触，将其表面冷却到低于环境空气的温度（T1 以摄氏度为单位）。这些条件使一部分消散的通量到达样品下方，另一部分向上导向上方的 Peltier 元件，用于测量向上的通量强度（?1 以瓦特为单位）。某些复合材料的导热系数（W/m K）是使用保护热板法测量的。以下是不同基体的导热系数结果：

| 基体 | 最佳导热系数 |
|---------------|-----------------|
| 石膏-大麦草 | 0.27 | 0.142 (75%纤维) |
| Touil等人 (2022a) |
| 石膏-木屑 | 0.25 | 0.21 (75%纤维) |
| Touil等人 (2022a) |
| 砂浆-PCM | 1.14 | 0.84 (30% PCM) |
| Touil等人 (2022a) |

**图12. 微型热板方法的示意图。**在达到稳态后，通过测量样品周围两块板之间的热阻来计算样品的导热系数，具体公式如下（Jannot等人，2009年）：
$$
\lambda = \frac{e \cdot Se}{(\Delta T_{\phi^2} + Rc_2 + Rc_3 + 2R_{met})
$$
其中，$Rc_1$ 和 $Rc_2$（单位：m2·K/W）代表金属板与样品表面之间的接触电阻，$R_{met}$（单位：m2·K/W）代表金属板本身的热阻，$e$（单位：m）表示样品的厚度，$Se$（单位：m2）表示样品的交换表面积。

另外，只有当样品的热阻大于接触电阻与金属板热阻之和时（公式（5）），测量结果才被认为是可靠的。如果满足此条件且计算出的电阻差异显著，则可以忽略 $Rc_2 + Rc_3 + 2R_{met}$（公式（6）：
$$
e \cdot Se \geq Rc_2 + Rc_3 + 2R_{met}
$$

**图13. 下向热流（?2，单位：W）的计算方法。**根据热源传递的总热流（?，单位：W）与向上热流（?1，单位：W）之间的差异，可以通过以下公式估算下向热流（?2，单位：W）：
$$
\phi_2 = \phi - \phi_1 = \frac{U^2}{r_{pla}}
$$
其中，$U$（单位：V）是施加在热板端子上的电压，$r_{pla}$（单位：欧姆）是热板的电阻。

**图14. 微型热板方法的示意图。**该方法的优点在于其对低导热系数材料的良好适应性，尤其是在样品尺寸较小时——这在生物基复合材料的研究中很常见。其控制方程相对简单，与成熟的保护热板技术相似，便于结果的分析和解释。但在应用于生物基复合材料时，必须仔细考虑一些限制因素。由于这些材料的异质性和多孔性，側向热损失可能较大，因此需要严格控制环境温度并确定有效的侧向损失系数，以准确计算热平衡。此外，生物基复合材料的含水量、密度变化和各向异性可能引入额外的不确定性，影响导热系数的重复性和可比性。

**图15. 径向热流方法的示意图。**与保护热板法和微型热板法不同，径向热流技术（也称为同轴圆柱单元）的特点是样品采用圆柱形结构（Damfeu等人，2016年）。该方法同样在达到稳态后进行测量。实验装置由同轴管组成，内壁管包裹加热元件，外壁管包围样品，并在两管两侧添加空心圆柱形绝缘体以减少与周围空气的热交换。恒温器用于冷却外壁管的外表面，确保外部温度均匀。样品位于内、外管之间，并由绝缘盘固定。温度梯度（$T_1$ 和 $T_2$，单位：°C）通常位于管的中部进行测量。

**图16. 热丝方法的示意图。**热丝法是一种公认的有效方法，用于测量瞬态条件下的导热系数（ISO 8894标准，Jannot和Degiovanni，2019年）。实验装置包括一根无限长的加热丝作为热源，能够以阶跃函数的形式提供线性热功率。这种对称性简化了物理问题，使其变得一维。测试材料的尺寸经过选择，以符合半无限介质的假设，从而维持径向热传输。温度测量使用放置在加热丝上或与其平行的热电偶进行。该方法基于电流在加热丝中产生热量（通过焦耳效应），然后热量传递给样品。通过拉普拉斯变换和卷积形式可得到热方程的通用解（公式（9）：

$$
\Delta T(r, t) = \phi \cdot \ln\left(\frac{r_2}{r_1}\right) \cdot 2\pi \cdot L \cdot \left(T_1 - T_2\right)
$$

径向热流方法的优点包括其通用性和适应性，可以用于固体和流体样品的表征，并有助于减少侧向热损失（Damfeu等人，2016年）。该方法适用于小型或不规则形状的样品，特别适合处理如天然纤维或农业副产品等异质生物基复合材料。Damfeu等人（2016年）的研究中，使用该方法测量了 kapok、椰子壳和藤条纤维的导热系数，并与瞬态非对称热板法的结果进行了比较，结果显示一致性良好（相对误差 < 5%）。

**图17. 温度对数时间图。**热丝法在准确性、灵敏度和实验温度范围方面具有显著优势，适用于异质材料。该方法适用于纤维增强或颗粒增强的复合材料，包括生物基添加剂。此外，所需样品准备简单，能保持低密度或多孔材料的微观结构。

尽管该方法有这些优点，但也存在局限性，如测量达到稳态所需时间较长，且在高异质性或低密度材料中定位温度传感器较为困难。对于生物基复合材料，水分吸收、密度变化或孔隙率的变化可能导致测量误差。因此，必须严格控制或校正这些因素以确保结果的准确性和可重复性。

**图18. 不同瞬态表征技术的比较。**瞬态表征技术基于测量过程中的瞬态阶段来计算热性质。这些方法尤其是评估热扩散率、热传导率和某些情况下的比热容非常有效。其优点在于测量时间较短，可在合理时间内获得可重复的结果。

**图19. 热丝方法的示意图。**热丝法是识别瞬态条件下导热系数和扩散率的最著名方法之一（ISO 8894标准，Jannot和Degiovanni，2019年）。实验装置包括一根无限长的加热丝作为热源。该方法通过电流在加热丝中产生热量，加热丝的升温促使热量以热功率的形式传递给样品。由于实验装置的高度远大于直径，物理问题简化为一维问题。最终形式的导热系数表达式如下：

$$
\lambda = \frac{\phi \cdot \ln\left(\frac{r_2}{r_1}\right) \cdot 2\pi \cdot L \cdot \left(T_1 - T_2\right)
$$

**图20. 温度对数时间图。**需要注意的是，对数项（ln(t)）的出现是因为热流在加热丝上作用迅速，在较远的径向距离上作用较慢。热丝法在准确性、灵敏度和实验温度范围方面的优势显著，适用于异质材料。该方法适用于纤维增强或颗粒增强的复合材料。

**图21. Powa?a等人（2022年）的研究示例。**Powa?a等人使用热丝法研究了添加微胶囊化相变材料和聚合物的石膏基复合材料，研究了三种不同聚合物含量（0.1%、0.5%和1%）对材料性能的影响。**

**图22. Boumhaout等人（2025年）的研究示例。**Boumhaout等人使用热丝法研究了添加摩洛哥枣椰纤维的砂浆复合材料，发现其体积密度（最多降低33%）、体积热容（最多降低51%）和热扩散率（最多降低44%），并通过与EI700箱式方法的对比验证了结果。这些结果表明，热丝技术在建筑和生物基复合材料的热性能表征中应用广泛、可靠。

**图23. “热盘法”的示意图。**热盘法属于瞬态技术，专门用于测量材料的导热系数和扩散率。该技术适用于多种材料，如合金、金属、陶瓷、绝缘体和复合材料（Yüksel，2016）。其设置与热丝法类似，不同之处在于加热元件采用薄片形式，置于两个样品之间（图17）。这种薄片的独特之处在于它既能作为热源，又能作为温度测量探针。它由镀镍的双螺旋结构组成，当电流通过时会产生阶梯函数形式的 heat（焦耳效应）。此外，螺旋表面还有一层薄聚合物，确保电气绝缘和探针保护。而且，确保薄片直径相对于样品尺寸足够小非常重要，以维持半无限介质的假设，这一点在热丝法中已有论述。

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图16. 温度依赖性的热导率。

忽略样品与薄片之间的接触电阻以及薄片的惯性，金属回路中的平均温度可以通过多个同心且等间距的线性热源随时间近似求解，依据方程（10）（Zhang等人，2013）。
(10) ΔT(τ) = ?π3/2rλD(τ)

在此表达式中，ΔT(τ)代表样品暴露于传感器表面的温度升高（单位K），?是薄片向样品传递的热通量（单位W），r是其特征半径（单位m）。τ代表无量纲的特征时间（αtr2），D(τ)是热导率的时间依赖函数（无量纲）。

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图17. 热盘法的示意图。

该技术的优势在于能够在30至1200 K的宽温度范围内精确测量热性能。此外，它还能表征从0.005到500 W/m·K范围内的各种热导率（Yüksel，2016）。另一个主要优势是测量速度快，测量周期可短至（少于10分钟）。然而，其主要缺点是热盘尺寸较小，在供能过程中可能产生干扰，从而影响温度建模。

一项研究将热盘法与保护热板法进行了比较，用于测试绝缘材料，这些材料也可作为添加剂用于建筑材料以提升其热性能（Colinart等人，2021）。研究在同一条件下对五种市售绝缘建筑材料（包括聚氨酯、挤塑聚苯乙烯和泡沫玻璃）进行了测试。结果表明两种方法之间没有显著差异，均提供了可接受的测量结果（表8）。

同一作者还探讨了将这种瞬态热测量方法应用于各向异性纤维增强复合材料（如木纤维绝缘材料和生物基混凝土）时所面临的挑战（Colinart等人，2021）。他们指出，材料异质性和不良的热接触可能导致测量误差较大，传统的各向同性或各向异性模型可能无法准确捕捉热导率。作为解决方案，他们建议调整体积热容，使平面内热导率与保护热板的测量结果一致，从而更可靠地评估材料的各向异性。

表8. 使用热盘和保护热板仪器测得的干绝缘材料的热导率（W/m·K）。

**材料** **保护热板** **热盘** **差异**
聚氨酯 0.0279 0.0269 ?3.9%
挤塑聚苯乙烯 0.0329 0.0328 ?0.5%
泡沫玻璃 0.0390 0.0392 0.7%

4.3. 机械表征技术

在土木工程领域，考虑建筑材料的机械性能至关重要。该方法的主要目的是选择能够有效抵抗结构所受载荷的材料（Timoshenko，1983）。这有助于防止结构元素的损坏和失效，从而保障整个建筑物使用期间的安全（Boucard，2011）。机械表征方法种类繁多，其方法依据需要表征的机械性能而有所不同。例如，有硬度表征方法，如维氏（Vickers）、洛氏（Rockwell）和布氏（Brinell）测试。这些测试可以确定材料行为与其机械性能（如密度和刚性）之间的关系。另一方面，还有与材料强度相关的测试，如拉伸、压缩和弯曲测试（Da Silva，2005；Den Hartog，2012）。这些测试表征材料的失效行为，并确定其弹性和机械强度。特别是基于弯曲和压缩的测试，在建筑中广泛用于验证材料的适用性。

**4.3.1. 硬度表征**
硬度是各个领域（尤其是材料和复合材料科学）中重要的物理属性，代表材料抵抗硬物压痕引起的变形的能力。硬度测试使用非破坏性仪器——硬度计进行。这些仪器通常包含钢或钨制压头，以及配备焦距镜头的相机以观察压痕表面。这些测试还能帮助理解材料的机械行为、评估耐磨性和延展性。最常用的硬度测试有布氏、维氏和洛氏测试。

布氏测试是在特定载荷（F，单位N）下将球形压头压入试样中（Riggio和Piazza，2011）。计算硬度的关键参数是压痕表面上测得的特征直径（d1和d2，单位mm）（图18）。布氏硬度值的计算公式如下（Riggio和Piazza，2011）：
HB = (Fg·πD) / (D2 ? d2)
其中，g是重力加速度（g=9.8 m/s2），D是压头直径（单位mm），h是压入深度（h=(D2 ? d2)?，单位mm），d是两个特征直径的平均值（d=(d1+d2)?，单位mm）。

图18. 布氏测试原理。

维氏测试的程序与布氏类似，不同之处在于压头的几何形状为正方形底的直角金字塔（图19）。压头顶角通常约为136°，压头材质为钻石（Ghorbal等人，2017）。根据维氏硬度（HV）计算硬度的关键参数是压头底面的对角线长度（di1和di2，单位mm）。硬度计算公式如下（Ghorbal等人，2017）：
HV = (Fg·sin(136°/2)) / (di1·di2)
其中，di是测得的特征对角线平均值（单位mm）。

图19. 维氏测试原理。

洛氏测试与前面两种测试有显著不同（Yazdanshenas和Goh，2020）。首先将压头压入样品表面（图20），初始载荷为F0（单位N），直至达到参考深度h1（单位mm）。随后对同一压痕施加第二个载荷F1（单位N）一段时间，产生新的压入深度h2（单位mm）。移除载荷F1后，在相同初始载荷下再次测量，通过h3和h1的差值计算压入深度h（单位mm），从而得出洛氏硬度。需要注意的是，压头可以是钻石锥或钢球。这种过程的变化性以及施加的载荷不同，可能导致不同的洛氏硬度标度（Costa，2019）。

表9展示了不同的洛氏硬度标度及其计算公式：

| 标度 | 压头 | 总载荷（F0+F1，单位N） | 计算方法 |
|------------|------------------|-----------------------------|-----------------------------------|
| ACone | 5 | 88.4 | HR = 100 - h |
| C | 14 | 71 | DCone = 98 |
| BBall (1.5875 mm) | 98 | HR = 130 - h |
| FBall (1.5875 mm) | 98 | FBall (1.5875 mm) |
| GBall (1.5875 mm) | 147 | HBall (1.5875 mm) |
| 15N | 147 | HCone = 100 - h |
| NCone | 147 | 130 | NCone = 94.2 |
| TBall (1.5875 mm) | 147 | 130 |
| TBall (1.5875 mm) | 41 | TBall (1.5875 mm) |

4.3.2. 三点弯曲测试
三点弯曲测试是一种简单的平面弯曲测试，用于确定材料在弯曲载荷作用下的最大应力（σf??，单位MPa），并表征其弹性和塑性行为（图21）。该测试展示了应力与实际载荷之间的关系，以及位移和相应的弹性变形。28天后测试材料的最大弯曲强度通过公式（Touil等人，2022b）计算：
σf?? = 3F?·L? / (2L?)

与弯曲强度类似，通过三点弯曲测试测得的杨氏模量（Ef，单位MPa）是建筑材料的重要机械性能指标。它量化了材料在载荷下的刚性及抵抗弹性变形的能力，对预测结构性能和确保耐久性至关重要。其计算公式如下（Touil等人，2022b）：
Ef = βL?? / (L?)
其中，F?是弯曲失效时的最大载荷，L?是支座之间的距离（L=100 mm），β是载荷-位移曲线线性部分的斜率（单位N/m），l和e分别是样品的宽度和厚度（单位mm）。

图21. 三点弯曲测试示意图。

4.3.3. 压缩测试
压缩测试是一种有效评估建筑材料在受反向力作用下的机械性能的方法。样品放置在两个压缩板之间，其中一个板可垂直移动以使其变形（图22）。通过绘制载荷与位移的关系图，可以直观了解材料的弹性/塑性行为。该方法能详细展示材料在受较大载荷时的抗压强度和机械性能。

压缩测试的目标是确定材料在压缩载荷下的力和机械行为。根据公式（Touil等人，2023），抗压强度（σc??，单位MPa）由失效时的最大载荷（F?，单位MPa）和受力面积（S，单位mm2）确定：
σc?? = F? / S

压缩杨氏模量（Ec，单位MPa）用于量化材料的弹性范围并验证胡克定律，通过分析压缩测试得到的应力-应变曲线线性部分计算（Δσ/Δ?）。公式如下（Touil等人，2023）：
Ec = Δσ / Δ?

图22. 压缩测试示意图。

4.3.4. 四点弯曲测试
四点弯曲是评估多种材料（特别是复合材料和建筑材料）机械性能的常用实验方法。该方法适用于底部面积较大的梁，通过多个接触点均匀分配载荷，有效控制特定位置的应力集中（Yi等人，2021）。测试过程包括将梁支撑在两个固定支座上，施加特定且可控的载荷。梁受到的载荷分布在两个对称于中点的接触点上（图23）。矩形棱柱几何形状的四点弯曲强度（σf???，单位MPa）的计算公式如下（Yi等人，2021）：
σf??? = F?L?? / (L?2 + l2)
其中，F?是施加的载荷（单位N），L?是梁之间的距离（单位mm），l是梁的宽度，e是梁的厚度（单位mm）。这种方法对于确定杨氏模量非常有用。此外，这些数据还可以用来表征材料从弹性阶段到断裂的机械行为。下载：下载高分辨率图片（401KB）下载：下载全尺寸图片图23. 四点弯曲的示意图。4.4. 水分特性的表征技术理解基于相对湿度的吸湿特性是评估建筑材料湿度行为时需要考虑的基本特性。这一过程有助于选择合适的材料以改善居住者的舒适度。关键的水分特性，如吸水能力、吸附等温线和湿度缓冲值，会影响材料与环境湿度的相互作用。这些因素不仅影响材料的稳定性和抗降解性，还影响其热性能和室内空气质量，因此对其表征至关重要。4.4.1. 吸水能力吸水能力是本综述中讨论的水分参数之一。在此实验中，将样品浸入水中24小时（直到部分饱和），然后在50°C的温度下使用表面干燥法监测其重量的变化。当连续三次称重之间质量变化稳定时，停止实验。吸水量表示如下（公式（18）（Chennouf等人，2018）。(18)W = (Ms ? Md) / Md × 100其中Ms和Md分别表示样品的湿态和干态质量。4.4.2. 吸附等温线吸湿吸附等温线是表示材料在给定温度下水分吸附和脱附的曲线。它们可以准确预测建筑物室内湿度的动态变化。用于表征吸附的实验方案是在气候室中进行的（图24）（±0.3°C和±2%相对湿度），遵循EN ISO 12571标准（ISO标准12571，2013）。该实验包括在23°C的恒定温度下，测试材料在几个相对湿度水平（10%、30%、50%、75%和90%）下的水分传输能力。首先，将样品在50°C的干燥箱中干燥，直到所有水分去除。然后将其放入气候室，在上述条件从低相对湿度到高相对湿度开始测试。每种湿度-温度组合下保持直到质量稳定，这一过程通过每隔12小时测量样品的重量来实现。脱附实验采用相同的方法，但顺序相反，从最高相对湿度开始，以评估质量损失曲线并与吸附过程中的曲线进行比较。最后，通过公式（19）（Chennouf等人，2018）计算平衡水分活度（%）。(19)ω = (Mω ? Md) / Md其中Mω和Md分别表示样品的湿态和干态质量。还有另一种基于理论模型的吸附机制解释。这些模型用于利用实验数据描述多孔介质中水分的动态行为。文献中使用了多种模型来强调相对湿度与水分含量之间的关系，例如Langmuir模型（Rossi等人，2012）、VG模型（Van Genuchten，1980）、BET模型（Brunauer、Emmett和Teller，1938）以及GAB模型（Guggenheim、Anderson和de Boer，2003）。由于GAB模型适用于在广泛的相对湿度范围内（0%–95% HR）准确模拟材料的吸湿行为，因此本文仅对其进行了研究。GAB模型是一个通用方程，因此引入了校正因子KGAB来考虑多层分子与材料之间的能量相互作用。其表达式为（20）。(20)ωGAB = ωm / (KGAB × φ) × ((1 + (KGAB ? 1) × KGAB × φ))GAB模型可以重新排列为多项式表达式，如公式（21）所示。（21)φωGAB = KGAB × ωm / (1 ? KGAB × φ2 + (KGAB ? 2) × KGAB × ωm × φ + 1 × KGAB)其中KGAB和CGAB是表示GAB拟合参数的常数，可以通过对水分含量与相对湿度实验数据的线性回归来确定。ωm是单层水分含量，φ是相对湿度。通过统计测量决定系数R2（公式（22）来验证模型的准确性。（22)R2 = 1 ? ∑(j = 1)^N(ωj ? ωj?)^2 / ∑(j = 1)^N(ωj ? ωj?)^2其中j和N分别表示实验点的数量和实验数据的数量。ωj、ωj?和ωj?分别表示测量的平衡水分含量、平均值和预测值。下载：下载高分辨率图片（544KB）下载：下载全尺寸图片图24. 气候室。4.4.3. 湿度缓冲值湿度缓冲值（也称为MBV）是一个重要的水分特性，表示材料在相对湿度发生显著变化时通过其开放表面交换的平均水分量。这一特性用于评估材料调节建筑物内湿度波动的能力。用于确定这一特性的实验方案基于NORDTEST方法。该方法包括将样品暴露在特定时间内的定义良好的温度和相对湿度组合下。具体来说，气候室中的循环在23°C的等温环境中在两个相对湿度水平（33%和75%）之间变化。此外，为了使实验条件更接近实际情况并模拟建筑物的日常使用情况，最低和最高的湿度分别持续16小时（清醒）和8小时（睡眠）。接下来，定期在吸收期间进行三次称重，在释放期间进行两次称重。还需注意，在执行测试之前必须满足两个条件：首先是确保暴露表面上的水分传输是单向的，为此用防水胶带密封样品的其他五个区域；其次是将在23°C和50%相对湿度下预处理材料，直到达到平衡状态（重量稳定）。MBV（kg/m2.%RH）根据五个连续气候循环的平均测量值通过公式（23）确定（Chennouf等人，2018）。（23)MBV = Δm? / S × (φhigh ? φlow)其中Δm?是循环期间储存或释放的水分含量，S是暴露于水分传输的开放面积，φhigh和φlow分别是最高和最低的相对湿度水平。5. 文献综述：用生物基材料增强的复合材料的熱、机械和水分表征传统材料和生物基材料在建筑结构中的变化性导致了大量相关实验的出现。这篇文献综述重点介绍了一些关于用生物基材料增强的建筑复合材料的相关研究。5.1. 生物基增强成分对建筑材料复合材料热物理特性的影响Touil等人（2022b）、Ouakarrouch等人（2020）、Lamrani等人（2017）、Saghrouni等人（2020）、Lecompte等人（2015）和Belhadj等人（2016）的研究比较分析表明，生物基增强成分在控制建筑材料复合材料的热物理行为方面起着重要作用（表10）。无论基体类型如何，增加增强比例通常会提高热性能，这主要是由于复合材料内部微观结构的变化。对于基于灰泥的复合材料，Touil等人（2022b）发现逐步增加咖啡渣的含量（按重量计0%–6%）可以使热导率从大约0.372 W/m.K降低到0.289 W/m.K，热扩散率从5.23 ×10^-7 m2/s降低到3.67 ×10^-7 m2/s。Ouakarrouch等人（2020）也观察到类似的趋势，他们报告称，加入0%–5%的鸡羽毛废料可以使热导率从0.481 W/m.K降低到0.309 W/m.K，热扩散率从3.07 ×10^-7 m2/s降低到2.69 ×10^-7 m2/s，这主要是由于用低导热性的生物基添加剂替换了致密的建设材料相，并形成了更有效的多孔结构。另一方面，Lamrani等人（2017）的研究进一步表明，当生物基相改变复合材料的整体结构时，增强成分的影响变得更加明显。对于较高比例的花生壳增强材料（0%–20%），热导率从0.3 W/m.K降低到0.141 W/m.K，热扩散率从3.75 ×10^-7 m2/s降低到2.12 ×10^-7 m2/s，表明改进效果源于热传递路径的广泛修改，而不仅仅是局部效应。表10. 不同生物基增强成分的建筑复合材料热物理特性。研究 基体-增强成分 最佳比例 热导率 [W/m K] 热扩散率 [m2/s] Touil等人（2022b） 灰泥 – 咖啡渣 0%–6% 0.372–0.289 5.23 ×10^-7–3.67 ×10^-7 Ouakarrouch等人（2020） 灰泥 – 鸡羽毛 0%–5% 0.481–0.309 3.07 ×10^-7–2.69 ×10^-7 Lamrani等人（2017） 灰泥 – 花生壳 0%–20% 0.3–0.141 3.75 ×10^-7–2.12 ×10^-7 Saghrouni等人（2020） 砂浆 – 海滨灯心草 0%–10% 0.521–0.171– Lecompte等人（2015） 砂浆 – 相变材料（PCM） 0–14.4% 0.3–0.141– Belhadj等人（2016） 砂浆 – 大麦秸秆 0–15 kg/m3 1.4–1.32 5.75 ×10^-7–4.51 ×10^-7对于基于砂浆的复合材料，Saghrouni等人（2020）和Lecompte等人（2015）报告了相似的趋势，尽管通常需要更高的增强比例才能实现类似的热导率降低。Saghrouni等人（2020）测试了0%–10%的增强成分，发现热导率从约0.521 W/m.K降低到0.171 W/m.K，而Lecompte等人（2015）观察到在14.4%的剂量下，热导率从0.7 W/m.K降低到0.57 W/m.K。这种差异归因于水泥基基体的较高密度和固有热导率，以及添加增强剂的绝缘效果。灰泥和砂浆材料的比较表明，最佳增强成分强烈依赖于基体类型。基于灰泥的复合材料在低增强比例下就能显著改善热性能，而基于砂浆的复合材料则需要更高的增强比例来克服其较高的初始热导率。最后，Belhadj等人（2016）强调增强成分的效果（即使是少量秸秆）与生物基添加剂的形态和分散密切相关。在较高的增强比例（15 kg/m3）下，更均匀的分布和有利的生物基相结构提高了热效率，这与Touil等人（2022b）和Ouakarrouch等人（2020）的观察结果一致，强调了诱导孔隙度的重要性。总体而言，这些研究的综合讨论表明，改善建筑材料复合材料的热物理性能需要增强成分、基体类型和诱导微观结构之间的平衡。虽然增加生物基增强成分的比例可以一致地提高热性能，但确定最佳成分对于确保材料的效率和实际应用仍然至关重要。5.2. 生物基添加剂对机械性能的影响如前所述，增加生物基添加剂的比例可以提高建筑复合材料的热性能。然而，这种改进通常伴随着机械强度的显著降低（图25）。然而，对纯基体的机械性能测试表明，它们本质上非常脆弱，即在载荷作用下会突然断裂且变形很小，这与它们的低弹性有关（Touil等人，2022b）。当以颗粒形式添加添加剂时，基本的脆性行为仍然存在，材料在断裂时几乎没有变形（Touil等人，2022b）。相比之下，纤维添加剂（例如Alfa纤维、Ferula communis或椰枣纤维）的加入从根本上改变了材料的行为。纤维桥接微裂纹，改善了载荷传递，并延迟了完全断裂，从而提高了延展性，即复合材料在失效前变形的能力。在Touil等人（2022a）的研究中清楚地观察到了这一点，其中用Alfa纤维增强的灰泥表现出从脆性断裂向延性断裂行为的转变（图25）。Boumhaout等人（2025）进一步证实，用椰枣纤维增强的砂浆在断裂后的响应发生了显著变化，从脆性断裂模式变为具有较大位移和增强能量吸收的延性行为（图25）。下载：下载高分辨率图片（399KB）下载：下载全尺寸图片图25. 增强纤维添加剂的复合材料受力与位移的关系图。对于弯曲强度（图26），Touil等人（2022a）报告称，在基于灰泥的复合材料中加入4%的Alfa纤维后，弯曲强度从5.79 MPa降低到2.18 MPa。Sair等人（2019）发现，在灰泥中添加60%的软木后，弯曲强度从3.12 MPa急剧降低到0.014 MPa。此外，Cheboub等人（2020年）观察到，将沙子替换为100%的碎橄榄石后，轻质砂浆的抗弯强度从9.5 MPa下降到3.5 MPa。Tangboriboon和Niyasom（2020年）的研究表明，香蕉纤维和蛋壳粉可以改善混凝土的延展性和抗拉性能，但抗弯强度有所下降，其中添加0.02%香蕉纤维时抗弯强度最高为4.69 MPa。关于抗压强度（图27），Touil等人（2023年）发现，在砂浆中加入6%的Ferula communis会导致抗压强度从11.58 MPa降至1.46 MPa。Bicer和Kar（2017年）发现，添加Tragacanth胶的膨胀聚苯乙烯会使石膏的抗压强度从3.29 MPa降至0.35 MPa。在烧结砖中，Ozturk等人（2019年）注意到，加入12.5%的茶渣后抗压强度从34.2 MPa降至6.7 MPa。在黏土复合材料中，Dieye等人（2017年）发现，当使用最大比例的Typha australis时抗压强度为0.279 MPa，而纯基体材料的抗压强度为0.796 MPa。