《Journal of Building Engineering》：Fresh and hardened performance of geopolymer mortars reinforced with chemically treated a?aí fibers
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本研究针对地质聚合物（Geopolymer）材料脆性大、韧性不足的问题，系统探讨了经氢氧化钠（SH）和单宁酸（TA）表面处理的阿萨伊（a?aí）纤维对偏高岭土基地质聚合物砂浆性能的影响，揭示了低掺量（约1%）结合5%浓度处理可优化工作性、力学性能及耐久性，为农业废弃物高值化利用提供了有效路径。
在全球建筑行业追求低碳与可持续发展的浪潮下，传统硅酸盐水泥的高能耗与高碳排放问题日益凸显。作为一种由碱激发铝硅酸盐前驱体（如偏高岭土、粉煤灰）形成的无机聚合物，地质聚合物（Geopolymer）因其优异的耐高温性、耐化学腐蚀性以及潜在的低环境足迹，被视为替代波特兰水泥的理想绿色胶凝材料。然而，这类材料的“先天不足”——固有的脆性特征，使其在拉伸和弯曲荷载下易发生微裂纹扩展，极大地限制了其在承重结构中的大规模应用。
面对这一瓶颈，研究者们尝试引入合成纤维（如钢纤维、聚丙烯纤维）来提升复合材料的韧性与抗裂能力，但这些纤维的生产往往伴随着高昂的成本与环境负担。于是，目光转向了自然界——以竹、剑麻、椰子等为代表的木质纤维素天然纤维，凭借其可再生、可生物降解、低密度及低加工能耗的优势，成为极具潜力的绿色增强相。其中，来自巴西农业加工业废弃物的阿萨伊（a?aí）纤维，作为果实加工过程中的副产品，产量巨大却长期被低估。尽管已有研究探索其在水泥基材料中的应用，但其在地质聚合物体系中的作用机制，特别是不同化学表面处理对其微观结构及与基质界面结合的调控效果，仍是一片待深入探索的“蓝海”。
为了解开这些谜团，来自巴西里约热内卢州立大学北里奥格兰德分校（UENF）的 Leandro B. de Oliveira 等人，在《Journal of Building Engineering》上发表了题为“Fresh and hardened performance of geopolymer mortars reinforced with chemically treated a?aí fibers”的研究论文。团队巧妙地将“变废为宝”的理念融入材料设计中，系统探究了未处理（UT）、氢氧化钠（SH）处理及单宁酸（TA）处理三种状态下，不同掺量的阿萨伊纤维如何重塑地质聚合物砂浆的性能图谱。
为了攻克难题，研究团队搭建了一套严谨的实验框架。首先，他们选取商业偏高岭土（Metakaolin）作为铝硅酸盐前驱体，辅以液体硅酸钠与氢氧化钠配制碱性激活液，并以天然石英砂为细骨料。关键的增强相——阿萨伊纤维，分别接受了浓度梯度的SH溶液（去除非晶组分）与TA溶液（构筑酚醛保护层）的表面改性。借助傅里叶变换红外光谱（FTIR）剖析官能团演化，扫描电子显微镜（SEM）捕捉微观形貌蜕变，X射线衍射（XRD）计算结晶度指数（CI），并结合热重分析（TG/DTG）与润湿性测试，精准锁定了5%为最佳处理浓度。在此基础上，制备了含1%、2%、3%（以偏高岭土质量计）纤维的砂浆试件，全方位评估了新拌状态下的流动度、贯入度，以及硬化后的抗折/抗压强度与水吸收特性。
3.1. 微观结构表征：纤维的华丽变身
化学与晶体结构的演变
FTIR光谱如同分子的“指纹”，清晰地记录了化学修饰的痕迹。对于SH处理组，代表半纤维素和木质素中羰基（C=O）伸缩振动的1735 cm?1峰几乎消失，意味着碱性环境有效剥离了纤维表面的蜡质与非晶包裹物，使内部的纤维素羟基更多地暴露出来，为与地质聚合物基体的氢键结合创造了条件。与之对比，TA处理则像给纤维穿上了一层“外衣”，光谱仅显示轻微位移，证明TA主要通过物理吸附形成酚类包覆层，保留了纤维原本的木质纤维素骨架。XRD数据进一步印证了这一差异：5% SH处理使纤维结晶度指数飙升至50.08%，归功于无定形成分的剔除；而TA处理因表层覆盖效应，结晶度反而略有下降。SEM图像更是直观展现了这种反差：SH处理后纤维表面变得粗糙多沟壑，显著增强了机械互锁力；TA处理则呈现出平滑的涂层形貌，虽保护了本体，但也弱化了直接的物理锚定。
热稳定与亲疏水性的博弈
热重分析揭示，TA处理赋予了纤维更强的“耐热体质”，其芳香结构延缓了高温降解。更具工程意义的是接触角的变化：未经处理的纤维极度亲水（接触角24.49°），极易抢夺拌合水；而SH处理将接触角提升至41.29°，TA处理也达到了28.51°，这种疏水化改良是新拌砂浆保持良好流动性的关键伏笔。
3.2. 新拌性能：寻找流动与增强的平衡点
将纤维引入高粘度的地质聚合物浆体并非易事。实验数据显示，随着纤维掺量从1%增至3%，砂浆的稠度指数（流动度）呈线性下滑，尤其是未处理纤维组，因强烈的吸水性导致流动性大幅折损。然而，经过SH改性的纤维展现出了卓越的相容性——1% SH组的流动直径达264 mm，极其接近基准组（284 mm）。这表明降低纤维亲水性是维持新拌砂浆工作性的核心策略，而过高的纤维含量则会因内部摩擦加剧而导致施工困难。
3.3. 硬化性能：强韧之道的辩证
力学响应的深度解析
在承载能力的考验中，纤维的作用呈现出鲜明的“分工”。对抗折强度而言，早期（7天）的贡献尚不明显，但随着养护龄期延长至14与28天，高掺量（3%）组的优势逐渐显现。虽然统计学上纤维种类的影响不显著，但数值上SH与TA组均略优于UT组，这得益于界面结合的强化。纤维在基体中充当了“桥梁”，在微裂纹萌生时跨越裂缝传递应力，有效抑制了脆性断裂。
相比之下，抗压强度的提升则显得更为含蓄。在7天龄期时，1% SH与1% UT组甚至取得了超越基准组的表现（约36 MPa），但在更长龄期下，各组差异趋于模糊。这揭示了短切乱向纤维在抵抗压缩载荷时的局限性，其主要价值在于增韧而非单纯的增强硬度。
耐久性的隐形战场——吸水率
水是材料劣化的催化剂。研究发现在28天时，基准组（REF）的吸水率为12.04%，而3% TA组成功将其降至10.09%。TA构筑的屏障不仅降低了纤维自身的吸湿性，似乎还优化了界面过渡区的致密性。反观高掺量SH组，由于纤维引入带来的额外孔隙，吸水率有所攀升。这一正一反的结果警示我们，在追求力学增益的同时，必须警惕孔隙结构的恶化。
综合来看，这项研究不仅是一场关于“废物利用”的成功实践，更是一次对地质聚合物材料“脆性基因”的精准修补。研究雄辩地证明：
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化学改性是钥匙：温和的5%浓度处理能在不损伤纤维筋骨的前提下，优化其表面特性。SH处理主打“强筋健骨”（去除非晶物、增糙增结晶），TA处理侧重“外御内护”（酚醛包覆、降亲水）。
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低掺量是王道：约1%的纤维体积掺量是实现新拌工作性、早期力学性能与基体完整性完美平衡的“甜蜜点”。
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功能导向需取舍：若优先考虑施工流变性与抗压强度，SH处理纤维是优选；若着眼于长期耐久性与低吸水需求，TA处理展现出独特潜力。
这项工作成功地将亚马逊雨林中的农业残渣转化为高性能建筑的“绿色肌腱”，为减少水泥工业碳足迹、推动循环经济提供了扎实的科学依据与技术路径。未来，若能进一步探索纤维的长龄期稳定性及在实际构件中的服役行为，这种“源于自然，归于建筑”的材料有望在绿色基建中大放异彩。
