压缩稳定土块掺入水泥与废弃棉纤维：力学、耐久性及全生命周期性能

《Next Materials》：Compressed stabilized earth blocks incorporating cement and waste cotton fiber: Mechanical, durability and life-cycle performance

　　

生土建筑为传统砌体结构提供了一种低能耗、低碳排放的替代方案，但未烧制生土有限的强度和湿敏性制约了其结构应用。本研究将纺织工业大量产生的副产物——废弃棉纤维与普通硅酸盐水泥(OPC)复合用于压缩稳定土块(CSEBs)。采用黏质砂土(SC)，按干土质量分别掺入0、6、8%水泥和0、0.5、1.0、1.5%棉纤维，共配制十二种配合比。通过无侧限压缩、劈裂抗拉和弯曲试验评价力学性能，通过湿抗压强度、吸水率、浸水和泛碱试验评价耐久性。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、热重-差示扫描量热法(TGA-DSC)和因子方差分析分别考察微观结构、水化相关行为以及水泥掺量、纤维掺量及其交互作用的影响。水泥稳定混合料的28天干抗压强度为0.70–2.28?MPa，最高约为未稳定对照组的十七倍，劈裂抗拉和抗弯强度分别达到0.60和3.10?MPa。强度通常在1.0%纤维掺量时达到峰值，在1.5%时下降，其中C8Co1在 tested 混合料中表现出最优的综合力学性能。力学和微观结构观测表明，水泥基体胶结与棉纤维裂纹桥接存在互补贡献。C8Co1满足多项区域性生土建筑标准，且相对于烧结黏土砖，代表性单层住宅的累计能量需求降低约90.4%，GWP₁₀₀降低约66.6%。低水泥敏感性情景进一步降低了环境影响，而C8Co1保持了经实验验证的最优综合性能。项目专项成本分析显示上部结构可节约约8.9%。

**论文解读：基于废弃棉纤维与水泥协同稳定的压缩稳定土块综合性能研究**

**一、研究背景与问题提出**

建筑业是全球能源消耗和原材料消耗的主要部门之一，也是温室气体排放的重要来源，仅水泥和钢铁制造就占全球人为二氧化碳排放的相当大份额。在南亚大部分地区，烧结黏土砖(FCB)仍是默认的墙体材料，其烧制过程消耗大量燃料并剥离肥沃表土，加剧了环境负担。这些压力促使学界重新关注生土作为结构材料：土壤可就地取材，加工能耗低，且在建筑寿命结束后可回归大地。在现有生土技术中，压缩稳定土块(CSEB)因机械压实与少量胶凝材料相结合，可获得比土坯、垛泥墙或夯土明显更强、尺寸更稳定且更耐候的块体，同时其隐含能耗和隐含碳足迹远低于烧结砖或混凝土砌体，因此得到最广泛采用。

生土建筑的核心局限在于强度有限和湿敏性强。水泥是对砂性土最有效且应用最广泛的稳定剂，其水化产物胶结颗粒骨架并填充孔隙网络，砂性土通常需5–9%水泥以获得足够性能。然而，水泥既是碳密集材料，也是CSEB中最昂贵的组分，因此在保证性能的前提下尽量减少水泥用量是持续的研究目标。互补策略是在脆性水泥-土基体中掺入离散纤维。纤维以机械方式发挥作用：桥接初始裂纹、跨裂纹面传递应力，将脆性破坏转化为渐进的能量吸收过程。天然及废弃纤维在低至中等掺量下可改善拉伸/弯曲响应、韧性和裂纹后行为，但过量纤维会因分散不良、成团和孔隙率增加而降低强度。棉纤维尽管作为工艺废料和消费后纺织废料大量产生，但在该领域的关注相对较少。棉纤维主要成分为纤维素，长径比高、表面粗糙、沿纤维轴向具有可观拉伸强度，是水泥基体离散增强的有利特性。将废棉纤维流引入建筑材料，既为纺织废料增值利用提供了潜在途径，又减少了处置需求并支持更可持续的建造实践。

尽管已有若干纤维增强土块研究，仍存在重要空白：专门针对棉纤维增强水泥稳定CSEB的报道稀缺；现有研究通常仅报道狭窄的性能范围，最常见的是单一干抗压强度，缺乏在同一内在一致研究中综合压缩、拉伸和弯曲强度、湿耐久性、微观结构、热表征、统计显著性和环境性能的集成实验；惰性纤维素纤维对水泥稳定土的影响机制常与矿物掺合料的火山灰机制混淆；此外，允许与现行烧结黏土砖公平比较的全生命周期和成本证据很少提供。

**二、研究内容概述**

针对上述空白，本研究在力学、耐久性、微观结构、统计、环境和成本评估框架下，系统表征了含0–8%水泥和0–1.5%碱处理废弃棉纤维的压缩稳定土块。十二种配合比涵盖三种水泥掺量和四种纤维掺量，测试了干抗压强度、劈裂抗拉和抗弯强度（含应力-应变响应、韧性和破坏模式），以及湿抗压强度、吸水率、浸水和泛碱性能。采用FE-SEM考察基体形貌和纤维-基体交互作用，TGA-DSC提供水泥稳定基体热行为支撑信息。实验结果通过因子方差分析进行统计评估，并依据多项区域性生土建筑规范评价标准符合性。对选定的C8Co1配合比进行了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的全生命周期评估(LCA)和成本分析，并与烧结黏土砖进行对比。论文发表于《Next Materials》。

**三、主要关键技术方法**

研究人员采用了以下主要技术方法：(1) 标准Proctor击实试验确定土体最优含水率与最大干密度，drop-ball法校准各配合比实际拌合用水量；(2) 按等效单位体积击实功制备38 mm×76 mm圆柱试件（压缩与劈裂试验）和241 mm×114 mm×70 mm砌块试件（弯曲与耐久性试验）；(3) ASTM D1633和ASTM C496分别测定干/湿无侧限抗压强度(UCS)和劈裂抗拉强度(STS)，ASTM C293中心点加载测定抗弯强度，ASTM C67测定吸水率与泛碱；(4) 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观察纤维-基体界面与微观形貌；(5) 同步热重-差示扫描量热法(TGA-DSC)表征水泥稳定基体的热行为；(6) 固定效应因子方差分析(ANOVA)及Tukey HSD事后比较、正交多项式对比分析各因素效应；(7) 依据ISO 14040/14044的从摇篮到大门LCA框架及项目专项成本分析。土壤样本采集自孟加拉国工程技术大学(BUET)达卡校区地下约2–3 m深处。

**四、主要研究结果**

**4.1 干抗压强度**：在任意纤维掺量下，强度随水泥掺量显著增加，28天含水泥混合料达到0.70–2.28 MPa，最高约为未稳定对照（0.13 MPa）的十七倍。各水泥掺量下强度随纤维增至1.0%达到峰值后下降，C8Co1（8%水泥+1.0%纤维）在各龄期均提供最高干抗压强度。纤维增强混合料吸收了显著更多能量，峰值应变和韧性同步提高。

**4.2 劈裂抗拉强度**：规律与压缩一致，8%水泥时劈裂抗拉强度从素混合料的0.25 MPa增至1.0%纤维时的0.60 MPa（提升140%），1.5%时回落。抗拉强度随龄期发展比例大于压缩，表明纤维-基体界面黏结随水泥基体成熟持续增强。

**4.3 弯曲行为**：8%水泥条件下，抗弯强度从素块体的1.29 MPa增至1.0%纤维时的3.10 MPa（约提升141%），1.5%时降至1.43 MPa。纤维增强块体表现出更大跨中变形和渐进的峰后响应。

**4.4 湿抗压强度**：湿强度随水泥掺量增加并在0.5–1.0%纤维范围达到峰值，C8Co1达到最高实测湿抗压强度1.32 MPa。湿干强度比范围为0.33–0.80，所有水泥稳定混合料均满足耐久性阈值约0.33；未稳定对照浸水后崩解。

**4.5 吸水率**：稳定块体吸水率为10.0–23.5%，未稳定对照为26.8%。0.5%纤维时吸水率最低（6%水泥为10.00%，8%水泥为11.28%），1.5%时升至18.00–23.54%。吸水率响应受纤维掺量主导，存在显著的水泥×纤维交互作用。

**4.6 浸水与泛碱**：所有水泥稳定混合料均无泛碱。0、0.5和1.0%纤维混合料浸水后仅遭受轻微损伤（评级N），1.5%纤维降至中等损伤（评级M），与较高纤维掺量下孔隙和亲水性增加一致。

**4.7 微观结构分析**：FE-SEM显示0.5%和1.0%纤维时棉纤维良好嵌入并紧密握裹于水化基体中，断裂试件中纤维保持完整，表明裂纹桥接作用；1.5%时出现未黏结和成团纤维，周围基体疏松多孔，解释了强度下降和吸水率升高。

**4.8 热分析（TGA-DSC）**：C8Co0试件在105–500°C、500–600°C和600–1000°C三个区间分别呈现2.40%、0.86%和2.23%的质量损失，与结合水脱水、氢氧钙石脱羟基和碳酸盐分解的温度区间一致，估算表观氢氧钙石当量含量为7.286%，化学结合水为4.172%。

**4.9 统计分析**：因子ANOVA确认水泥掺量、纤维掺量及其交互作用对各力学和耐久性指标均有显著影响（均p<0.001），效应量指标ηp2显示各因素贡献程度。Tukey HSD事后比较显示，C8Co1在干抗压、劈裂抗拉和湿抗压强度上均显著优于所有其他配合比；正交多项式对比证实强度响应呈显著二次趋势（先升后降），吸水率呈显著线性上升趋势。

**4.10 标准符合性**：C8Co1满足最广泛的组合性强度与耐久性标准要求，包括印度标准1.4 MPa干抗压、新西兰标准1.3 MPa、尼泊尔标准B级2 MPa以及新墨西哥规范2.06 MPa的限值。所有8%水泥混合料均满足各规范的抗弯强度要求；较低纤维掺量在吸水率标准（15%限值）下更有利。

**4.11 生命周期分析**：相对于FCB，C8Co1的累计能量需求降低约90.4%（26186.6 MJ对272653.0 MJ），GWP₁₀₀降低约66.6%（4730.2对14174.3 kg CO?-eq）。其他CML指标同样大幅降低。水泥剂量敏感性分析显示，水泥从8%降至6%可进一步降低环境负担，但伴随强度下降。项目专项成本分析显示上部结构节约约8.9%。

**4.12 与既往研究对比**：本研究干抗压强度（0.70–2.28 MPa）与相近土壤和水泥掺量下的槟榔纤维CSEB相当，处于天然纤维体系的较低至中段范围。抗弯强度（1.29–3.10 MPa）与槟榔纤维CSEB相当。耐久性表现与最佳水泥稳定体系一致。废棉纤维在增强效果上与其它天然纤维相当，额外优势在于实现了大量纺织废料的增值利用。

**五、讨论与结论总结**

讨论部分指出，力学与微观结构证据共同支持水泥基体胶结与棉纤维裂纹桥接的互补贡献机制：水泥提供化学胶结骨架，纤维提供机械裂纹桥接。强度在1.5%纤维时下降归因于纤维成团、分散不均、孔隙增加和纤维-基体接触弱化。吸水率响应为纤维掺量主导的权衡行为，最优力学性能配合比并非吸水率最优。水泥用量降低的环境效益须以实验验证的工程性能为前提。研究局限包括有限的配合比范围、短期耐久性测试、缺乏长期干湿循环和碱老化评估、TGA-DSC仅对无纤维试件进行、未进行整块压缩试验等。

研究结论可概括为：(1) 干抗压和劈裂抗拉强度随水泥掺量增加，在1.0%纤维时达到峰值；C8Co1提供最高综合力学性能（28天干抗压2.28 MPa、劈裂抗拉0.60 MPa、抗弯3.10 MPa）。纤维掺量增至1.5%时强度下降。(2) 纤维掺入提高了韧性和破坏延性，与裂纹桥接机制一致。(3) 湿性能与纤维掺量存在权衡：C8Co1浸水后保留过半干强度，所有水泥稳定混合料无泛碱；吸水率在0.5%纤维时最低，1.0%和1.5%时超过部分标准限值。(4) FE-SEM显示纤维嵌入、基体交互和孔隙率随掺量的差异；TGA-DSC结果与水泥水化基体一致。(5) 因子ANOVA证实水泥、纤维及交互作用均显著；C8Co1满足最广泛的标准组合，但吸水率控制下较低纤维掺量更优。(6) LCA显示C8Co1较FCB降低约90.4%累计能量需求和约66.6% GWP₁₀₀；水泥降至6%可进一步降低环境负担但伴随强度下降；CSEB方案上部结构成本节约约8.9%。总体而言，研究证实了将碱处理废弃棉纤维掺入水泥稳定土块的可行性，提供了纺织废料增值利用的途径，其中C8Co1在力学、耐久性、标准符合性、环境负荷和项目成本之间展现了最强的综合平衡。