椰壳纤维和亚麻纤维长度对粉煤灰、矿渣和硅灰基地质聚合物混凝土断裂韧性的影响

更环保且更耐冲击的混凝土

混凝土无处不在——从桥梁和建筑到人行道——但我们当前的生产方式排放大量二氧化碳。工程师正在寻找既更环保又能承受重载、冲击和开裂的替代品。本研究考察了一种有前景的替代材料：地质聚合物混凝土，它以工业副产物代替波特兰水泥，并提出了一个简单实用的问题：向这种更环保的混凝土中加入来自椰子（椰壳）和亚麻的短植物纤维，能否提高其韧性并增强抗裂性？

从工业废料到建筑材料

传统水泥约占全球二氧化碳排放的8%。地质聚合物混凝土通过用粉煤灰、钢铁冶炼矿渣和硅灰等废粉末替代大量水泥来应对这一问题。当这些粉末与碱性溶液混合时，会形成致密、类似岩石的胶结体，其耐久性可与普通混凝土匹敌甚至更优。然而，这种材料像玻璃一样往往较脆：一旦出现裂缝，它可能迅速贯穿构件，威胁安全并缩短使用寿命。因此，提高其“断裂韧性”——抵抗裂纹扩展的能力——对地质聚合物混凝土在实际结构中的广泛应用至关重要。

将天然纤维编织进混合料

研究者着重研究了两种丰富且廉价的植物纤维：取自椰壳的椰壳纤维和用于纺织的亚麻纤维。两者都是可再生且轻质的，先前工作提示它们在裂纹扩展时能帮助混凝土吸收更多能量。在本研究中，团队保持纤维含量较低（仅占混凝土体积的0.5%），但将纤维长度调为20、40或60毫米。他们浇筑了圆盘状地质聚合物试件并在每个试件上切一条缺口，然后在受控加载装置下破坏试件，模拟真实裂缝开启（模式I）、扭转下滑（模式III）或两者组合的情况。通过比较裂缝失稳前每个试件所能承受的最大力，定量评估了各配合比的真实韧性。

寻找抗裂性的最佳点

结果显示出一个明确的“最佳点”。40毫米长的纤维在所有加载条件下均带来了最大的韧性提升。在单纯裂缝开启情况下，这一长度的椰壳纤维将断裂韧性提升了近19%，而亚麻约提升15%。在拉应力与扭转载荷结合时——更接近真实结构中的复杂应力状态——40毫米椰壳混合料的韧性提高了超过20%，亚麻略逊一筹。较短的20毫米纤维也有帮助，但效果不如人意，因为它们不能有效跨越裂缝。令人惊讶的是，将纤维加长到60毫米在某些试验中反而使混凝土性能劣于不含纤维的对照样本。这些长纤维倾向于缠结、产生空隙并破坏应力传递的均匀性，表现得更像弱点而非加固材料。

混凝土内部发生了什么

显微和化学分析解释了为何40毫米纤维效果最佳。地质聚合物胶结体本身形成致密、连续的凝胶，填充砂和骨料之间的空间，且伴有如石英和莫来石等剩余晶体作为刚性填料。椰壳纤维表面粗糙且具延展性，能与基体形成良好粘结，在受力时逐步脱粘并缓慢拔出，随着裂缝扩展起到桥联作用。这种受控的拔出过程能耗散能量并延缓断裂。尽管亚麻纤维在纯拉伸下更强，但它们更刚、更光滑；它们更容易突然失去抓牢，并且周围包裹更多反应产物，使界面不够稳定。热学与红外测量进一步表明，基体相对致密稳定，孔隙率有限，并存在有利于微结构致密化的一定碳化作用——但以剪切主导的断裂仍然难以控制。

对未来结构的意义

对非专业读者而言，结论很直接：少量中等长度的植物纤维可以在不改变基本配方的前提下，使更环保的地质聚合物混凝土显著提高韧性。特别是椰壳纤维，像微小的天然缝合线，在裂缝形成后将其牵连在一起，使材料在断裂前能吸收更多冲击。然而纤维过长会适得其反，因为容易缠结并产生薄弱区。这项工作为设计下一代低碳混凝土提供了实用指南，使其不仅对气候更友好，而且在桥梁、人行道和建筑等实际工程中更能抵抗开裂。

引用: Bazarkhankyzy, A., Aibuldinovńska, Y., Iskakova, Z. et al. ​​Influence of coir and flax fiber lengths on fracture toughness of fly ash, slag, and silica fume-based geopolymer concrete. Sci Rep 16, 5596 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35731-y

关键词: 地质聚合物混凝土, 天然纤维加固, 椰壳纤维和亚麻纤维, 断裂韧性, 可持续建筑材料