加工工艺与炭填料对聚乳酸(PLLA)复合材料热学、力学及电学行为的影响

《Polymers》：Impact of Processing and Char Feedstock on the Thermal, Mechanical, and Electrical Behavior of PLLA Composites Donatella Duraccio, Boutheina Rzig, Mattia Di Maro, Giulio Malucelli, Finizia Auriemma, Federica Pignatelli, Giuliana Magnacca, Pier Paolo Capra, Mattia Bartoli and Maria Giulia Faga

　　

减少波特兰水泥(Portland cement)消耗的环境紧迫性推动了研究人员将地质聚合物混凝土(GPC)作为一种可持续替代材料进行研究。然而，其固有的脆性限制了其在结构工程中的应用。本研究针对这一关键挑战，探讨了钢纤维(SF)与聚丙烯纤维(PP)在增强矿渣基地质聚合物混凝土力学性能方面的有效性。研究人员设计了13种配合比，包括1组对照组，变量涵盖纤维类型、长度（钢纤维35/60 mm，聚丙烯纤维40/60 mm）及掺量（钢纤维25–75 kg/m3，聚丙烯纤维3–9 kg/m3）。综合测试评估了工作性、抗折强度、抗压强度及韧性。结果表明，尽管两种纤维均降低了工作性（聚丙烯纤维影响大于钢纤维），但它们显著改善了延性，其中钢纤维使韧性提高了6–15倍。研究发现其性能具有时间依赖性：钢纤维在早期（7天）使抗折强度提高高达38%，但在常温下养护至28天时，多数配合比的这一增益消失甚至下降；聚丙烯纤维在28天时使抗折强度降低25–40%。在抗压强度方面，钢纤维使强度提高高达60%，而聚丙烯纤维导致强度下降最多达27%。研究最终证实，钢纤维因其优异的粘结性能和裂缝桥接能力优于聚丙烯纤维，为设计耐久型纤维增强地质聚合物混凝土提供了重要参考。该研究通过克服地质聚合物的基本局限性，直接推动了可持续建筑材料的发展。

这篇发表于《Polymers》的研究聚焦于地质聚合物混凝土(GPC)的结构性能优化问题。在全球基础设施快速建设背景下，传统普通波特兰水泥(OPC)生产消耗大量能源并产生约8–10%的全球二氧化碳排放，环境负担沉重。GPC因利用工业副产品（如粒化高炉矿渣GGBFS）并通过碱激发反应形成胶凝材料，可减少碳排放达16%–99%，成为可持续替代方案。然而，GPC的固有脆性及较低弹性模量使其易开裂，限制其在受拉或受弯构件中的应用。为解决这一问题，纤维增强被认为是有效策略，其中钢纤维(SF)和聚丙烯纤维(PP)是常用选项，但两者在相同矿渣基地质聚合物体系中的综合性能比较仍缺乏系统实验数据。因此，研究人员开展了系统的实验研究，旨在明确不同纤维类型、长度及掺量对新拌性能与力学性能的影响，从而为工程应用提供依据。

在技术方法上，研究人员采用单一矿渣基胶凝体系，以钠水玻璃(Na₂SiO₃)与氢氧化钠(NaOH)溶液按硅模数(Ms)=1.40配制碱激发剂，固定水胶比(W/B)=0.55，纤维体积取代等量骨料。共设计13组配合比，包括对照组及不同纤维类型（钢纤维长度35/60 mm，掺量25/50/75 kg/m³；聚丙烯纤维长度40/60 mm，掺量3/6/9 kg/m³）。试件成型后在25℃室温下自然养护至7天与28天，分别进行坍落度试验、三点弯曲抗折试验及立方体抗压强度试验，并利用ASTM C1609标准计算抗折韧性。

3.1 坍落度试验结果

所有纤维的加入均降低GPC的工作性，聚丙烯纤维的负面影响更显著，最高降幅约为45%（钢纤维为40%）。纤维长度和掺量的增加均会进一步降低坍落度，其中掺量是主导因素。这一现象归因于聚丙烯纤维密度低、单位体积内纤维数量更多，增加了纤维与浆体的相互作用及内部摩擦，同时长纤维更易缠绕，导致流动性下降。

3.2 抗折强度

钢纤维在7天龄期显著提升抗折强度（增幅20%–38%），得益于其表面粗糙及亲水性带来的强界面粘结与裂缝桥接作用。然而，到28天时，除最高掺量与最长长度的SF60-75组仍略高于对照组外，其余钢纤维组的抗折强度均低于对照组，最大降幅达20%。这种时间依赖性的强度倒退可能与常温养护下地质聚合反应不完全、基体收缩引起的界面粘结退化有关。聚丙烯纤维组在7天与28天的抗折强度均低于对照组，28天降幅为25%–40%，原因是其疏水光滑表面导致弱界面粘结和低弹性模量，无法有效抑制裂缝扩展。尽管如此，两类纤维均显著改善破坏模式，从脆性转为延性，韧性分别提升至对照组的6–15倍（钢纤维）与3–8倍（聚丙烯纤维）。

3.3 抗压强度

钢纤维在7天与28天均提高抗压强度，7天时SF35组随掺量增加强度提升30%–60%，28天时增幅有所下降但仍显著。其机制在于钩端形态与粗糙表面增强了机械咬合力，同时纤维间距减小抑制微裂纹扩展。聚丙烯纤维在7天时60 mm组略有提升（约15%），但28天时所有组均低于对照组，最大降幅27%，原因是其弱界面粘结及疏水性导致界面区气泡增多，形成缺陷，抵消了早期阻裂作用。

讨论与结论

研究表明，钢纤维的综合力学性能优于聚丙烯纤维，这归因于其优越的界面粘结与裂缝桥接能力。值得注意的是，大多数纤维增强GPC在抗折强度上的时间依赖性衰减表明，界面稳定性与养护制度对其长期耐久性至关重要。研究结果为矿渣基地质聚合物混凝土的纤维选型与配比优化提供了实验依据，支持其在可持续建筑领域的工程应用。