《Nanomaterials》：Cellulose Nanocrystals Obtained from Agave tequilana Weber Bagasse as Reinforcing Agents for CPC-30R Portland Cement Mortar
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摘要：纤维素纳米晶体（CNCs）因其独特的性能，包括高比力学性能、生物相容性和耐久性，已被广泛研究作为不同基体中的增强剂。CNCs可从木质纤维素残渣（如龙舌兰（Agave tequilana）蔗渣，龙舌兰酒工业的副产品）中获得。本研究以硫酸（CNC S）和盐酸
摘要：纤维素纳米晶体（CNCs）因其独特的性能，包括高比力学性能、生物相容性和耐久性，已被广泛研究作为不同基体中的增强剂。CNCs可从木质纤维素残渣（如龙舌兰（Agave tequilana）蔗渣，龙舌兰酒工业的副产品）中获得。本研究以硫酸（CNC S）和盐酸（CNC H）进行酸水解制备的CNCs增强水泥砂浆基体。制备了不同CNC掺量（以水泥质量计）的砂浆，并评估其抗压强度和抗折强度。所得材料进一步通过热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行表征。CNC的掺入同时提高了抗压强度和抗折强度，性能最优的配比为0.35 wt.% CNC S和0.5 wt.% CNC H。SEM观察显示，与对照组相比，含CNC砂浆中的微裂纹更少且更小，界面过渡区（ITZ）更窄。热分析和结构分析表明，CNC的掺入改变了水泥水化过程及水化相的组织结构。FTIR光谱也显示与羟基、硫酸根、碳酸根和硅酸根环境相关的谱带发生变化，表明CNC S和CNC H与水泥基体存在不同的相互作用。总体而言，龙舌兰来源的CNCs显示出作为波特兰水泥砂浆低掺量增强添加剂的潜力，同时为农工业废弃物提供了增值利用途径。
基于龙舌兰蔗渣纤维素纳米晶体的水泥砂浆增强研究解读
一、研究背景与意义
水泥是全球使用最广泛的建筑材料，具有抗压强度高、耐久性好等优点。然而，水泥基材料存在抗拉强度低、易开裂等固有缺陷，限制了其在更广泛工程领域的应用。近年来，利用纳米材料改善水泥基材料性能成为研究热点。纤维素纳米晶体（CNCs）因其高比力学性能、生物相容性和耐久性等独特性质，被广泛研究作为各类基体中的增强剂。
龙舌兰（Agave tequilana）蔗渣是龙舌兰酒工业产生的大量农工业废弃物，目前缺乏高附加值利用途径。将这一区域性丰富的废弃物转化为CNCs，不仅可实现废弃物的资源化利用，还可为水泥基材料提供绿色环保的纳米增强剂。已有研究表明，CNCs可通过填充孔隙、提供成核位点、延缓水化放热等机制改善水泥基材料的微观结构和力学性能，但其增强效果受CNC来源、制备方法和表面化学性质等因素影响。目前关于不同酸水解方式制备的CNCs对水泥砂浆性能影响的系统研究仍较为有限。
二、研究内容与主要结论
研究人员从龙舌兰蔗渣中提取可溶性级纸浆，分别采用硫酸（H?SO?）和盐酸（HCl）进行酸水解制备两种CNCs，即CNC S和CNC H。两种CNCs在尺寸和表面化学性质上存在差异：CNC S含有166 mmol kg?1硫酸根表面基团，而CNC H主要为羟基官能团化表面。将两种CNCs以0.1、0.2、0.35、0.5和1.0 wt.%（相对水泥质量）的掺量加入波特兰水泥砂浆中，依据ASTM标准制备试件并养护28天后进行力学性能测试和多种表征分析。
研究结果表明，CNC掺入显著提高了砂浆的力学性能。抗压强度方面，CNC S在0.35 wt.%掺量时达到最大值30.9 MPa，CNC H在0.5 wt.%掺量时达到30.7 MPa，分别较对照组（22.9 MPa）提高约35%和34%。抗折强度方面，两种CNCs均在0.5 wt.%掺量时达到最大值，CNC S为7.1 MPa（提高27%），CNC H为6.7 MPa（提高20%）。统计分析显示，CNC类型对抗压强度无显著影响，但对抗折强度有显著影响。在约0.4 wt.%掺量处存在交叉点：低于该掺量时CNC S抗压强度更高而抗折强度更低，高于该掺量时则相反。
三、主要技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：酸水解法制备CNCs（分别使用硫酸和盐酸）、依据ASTM C348-21和ASTM C109/C109M-21标准进行砂浆配制与力学性能测试、扫描电子显微镜（SEM）分析微观结构和界面过渡区（ITZ）、热重分析（TGA）评估水化程度和结合水含量、X射线衍射（XRD）分析晶体相组成、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析分子结构变化。
四、研究结果
4.1 抗压与抗折强度
通过万能试验机对养护28天的砂浆试件进行力学测试。结果表明，CNC掺入在相对较低的掺量下即可实现显著的强度提升，最优掺量范围为0.35–0.5 wt.%。超过最优掺量后强度有所下降，但仍高于对照组。强度提升可能归因于CNCs的保水能力、纳米尺度孔隙填充效应以及高弹性模量（约110–220 GPa）提供的力学增强作用。
4.2 扫描电子显微镜（SEM）分析
SEM观察显示，对照组M0呈现约4 μm的较厚ITZ和大量不同尺寸的微裂纹。而M0.35 S和M0.5 H样品呈现更均匀的微观结构，微裂纹更少更小，ITZ厚度显著减小至约1–1.1 μm。随着CNC含量增加，微裂纹尺寸和ITZ厚度先减小后增大，最小值出现在力学强度最高的CNC浓度附近。CNC H砂浆的微裂纹尺寸和ITZ厚度普遍大于CNC S砂浆，可能与两者尺寸差异（CNC S为149 ± 59 nm，CNC H为266 ± 107 nm）及表面化学性质不同有关。此外，含CNC砂浆中观察到未水化水泥颗粒周围形成环状或壳状区域，可能与CNCs在水泥颗粒表面的吸附和空间稳定效应有关。
4.3 热重分析（TGA）
TGA分析显示，所有砂浆样品具有相似的热分解曲线，总质量损失差异较小（对照组为9.90%，最优配比样品约为9.88%）。通过分峰处理，识别出多个热事件。峰面积分析表明，222 °C附近热事件面积随CNC掺入而增加，可能与C-S-H凝胶和水化铝酸盐相中化学结合水的贡献增加有关；514 °C处峰面积减小而560 °C处峰面积增大，表明CNC掺入改变了含钙相的热环境和组织状态。物理结合水（PBW）和化学结合水（CBW）的分析显示，CBW随CNC浓度增加先增后减，最大值出现在力学强度最高的浓度范围内，表明CNCs在适当浓度下可促进物理保留水向水化产物结合水的转化。
4.4 X射线衍射（XRD）分析
XRD分析表明，CNC掺入未产生新的晶体相，主要晶体相组成基本不变。但部分氢氧化钙（Ca(OH)?）衍射峰的相对强度发生变化：含CNC S砂浆在18° 2θ处衍射峰增强更明显，而含CNC H砂浆在51° 2θ处衍射峰增强更显著。这些差异可能反映两种CNCs表面化学性质不同导致的氢氧化钙择优取向、晶粒尺寸或有序度差异，而非形成不同晶体相。
4.5 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析
FTIR光谱显示，CNC掺入未引起整体谱图的主要变化，但在多个波段出现相对强度和形状差异。含CNC H砂浆在968 cm?1处与C-S-H型水化产物Si-O伸缩振动相关的谱带更为清晰，而含CNC S砂浆中该贡献主要表现为1083 cm?1强谱带的肩峰。1372–1415 cm?1区域差异表明，硫酸根官能化的CNC S和羟基官能化的CNC H以不同方式改变水泥基体的局部化学环境。1740 cm?1附近出现弱谱带，可能与CNC与水泥基体组分间的相互作用有关。
五、讨论与结论
讨论部分指出，CNC增强效果不仅取决于纳米晶体的尺寸和浓度，还与其表面化学性质密切相关。CNC S和CNC H通过不完全相同的界面环境实现了相当的力学性能提升。CNCs的亲水性、保水能力和成核作用有助于形成更致密均匀的微观结构，减小ITZ厚度和微裂纹尺寸，从而改善应力传递效率。研究同时指出，新鲜态性能（如流动性、稠度）和长期耐久性（如干燥收缩、氯离子渗透、抗碳化等）未在本研究中评估，需在后续研究中系统开展。
研究结论表明，龙舌兰蔗渣来源的CNCs在低掺量下即可显著改善波特兰水泥砂浆的力学性能，最优掺量为0.35 wt.%（CNC S）和0.5 wt.%（CNC H），抗压强度分别提高约35%和34%，抗折强度分别提高约27%和20%。SEM、TGA、XRD和FTIR分析结果共同表明，CNC增强机制涉及微观结构致密化、ITZ改善、水化产物组织状态改变以及CNC与基体间的界面相互作用。该研究为农工业废弃物的增值利用和可持续建筑材料开发提供了新途径。
