通过不同方法处理剑麻纤维以用于水泥复合材料的降解

更坚固、更环保的建筑构件

混凝土无处不在，但它有一个隐性的弱点：容易开裂。工程师们开始在混凝土中加入植物纤维，例如来自剑麻植物的纤维，以帮助拼接裂缝并提高环保性。然而，这些天然纤维在水泥的碱性严苛环境中会逐渐降解。本研究考察了几种简单的保护方法，使剑麻纤维在混凝土中能够更长久地存在，从而产生更坚固、更耐久且更可持续的建筑材料。

为什么植物纤维对混凝土重要

混凝土在受压时很强，但在受拉或弯曲时较弱，这就是裂缝出现的原因。剑麻纤维取自剑麻（Agave sisalana）叶片，作为微小的增强纤维，能搭桥裂缝，帮助材料发生弯曲而不是突然破坏。它们还来自可再生且成本低廉的来源，使其对寻求既经济又更绿色建筑材料的国家具有吸引力。问题在于，随着时间推移，水泥环境和滞留的水分会侵蚀纤维的关键成分，使其变硬、膨胀并变弱。一旦纤维降解，混凝土就会逐步失去这些纤维本应提供的益处。

三种简便的纤维保护方法

研究人员评估了三种施工上可行的处理路线：加热、温和的碱洗和薄矿物涂层。首先，他们在烘箱中将剑麻纤维温和加热到150 °C或200 °C，这有助于干燥纤维并改变其表面。其次，他们将纤维浸泡在5%或10%的氢氧化钠溶液中，这是一种常见的清洁方法，可去除表层。第三，他们用煅烧膨润土制成的浆料对纤维进行涂覆，膨润土是一种会与水泥发生反应的粘土。处理后，将纤维以两种不同掺量混入砂浆，随后测试了纤维的吸水性、反复湿干循环下的耐久性以及对强度的提升效果。

更干净、更干燥、寿命更长的纤维

在显微和化学层面，三种处理均去除了不希望存在的表面物质，如蜡、木质素及其他易在水泥中分解的杂质。加热和碱洗减少了这些成分，而粘土涂层不仅去除了它们，还在纤维表面留下了一层保护性的矿物覆盖层。与原始纤维相比，处理过的纤维吸水量明显减少：150 °C加热和5%氢氧化钠洗涤将吸水量约减少三分之一，而粘土涂层约减少了60%。在将纤维反复进行热水湿润和干燥十次的老化测试中，经150 °C处理、5%氢氧化钠处理或煅烧膨润土涂层处理的纤维在断裂前承载的应力均高于未处理纤维，其中粘土涂层纤维的表现最佳。需要注意的是，过于严厉的处理——例如10%氢氧化钠或过高温度——会开始损伤纤维的内部结构。

处理纤维如何改变砂浆性能

将处理过的纤维加入砂浆后，研究人员观察到材料行为发生了明显变化。由于剑麻比砂和水泥更轻，任何纤维的加入都会降低拌合物的拌合体密度，使其略显轻质。更重要的是，含处理纤维的砂浆在抗压和抗弯强度上均优于含未处理纤维的砂浆，且在适当掺量下甚至优于不掺纤维的对照混合物。效果最好的来自150 °C加热和煅烧膨润土涂层的纤维，这两种处理使28天抗压强度比对照提高了约23%。然而，当纤维掺量加倍时，强度开始下降，表明存在一个最佳掺量，超过该量纤维会干扰水泥与砂的紧密填实。

对未来建筑的意义

该研究表明，相对简单的处理——适度加热、温和的碱浴或薄粘土涂层——可以显著提高天然剑麻纤维在水泥基材料中的耐久性。通俗地说，这些处理清洁并装甲化纤维，使其吸水更少、耐热和抗老化、并能与周围砂浆形成更牢固的粘结。通过合理选择处理方法和掺量，施工者可以制造更轻、更坚韧且更可持续的混凝土构件，更好地利用这一丰富的植物资源，同时减少对高能耗材料的依赖。

引用: Fode, T.A., Jande, Y.A.C., Kivevele, T. et al. Sisal fiber degradation treatment by different methods for cement composite materials. Sci Rep 16, 9174 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39599-w

关键词: 剑麻纤维混凝土, 天然纤维增强, 水泥复合材料, 膨润土处理, 纤维耐久性