《Buildings》：Durability and Mechanical Performance of Sisal-Fiber-Reinforced Cementitious Composites for Permanent Formwork Applications
Igor Machado da Silva Parente,
Daniel Véras Ribeiro,
Ruan Carlos de Araújo Moura and
Paulo Roberto Lopes Lima
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为提升钢筋混凝土结构耐久性并应对传统现浇保护层在预制永久模板应用中可能存在的防护不足，研究人员系统评估了经角化处理的短剑麻纤维（掺量2%、4%、6%）增强水泥基复合材料。结果表明，含2%和4%纤维的复合材料在保持显著开裂后强度与应力传递能力的同时，其抗碳化能力足以确保结构件超过50年的服役寿命，为开发可持续、高韧性的永久模板系统提供了关键技术依据。
钢筋混凝土是现代建筑的骨架，广泛应用于桥梁、摩天大楼等基础设施。然而，这个看似坚固的骨架也面临着一个隐秘的“慢性病”——钢筋腐蚀。罪魁祸首之一就是空气中的二氧化碳渗透进混凝土，发生碳化反应，降低了混凝土的碱性，使得内部的钢筋失去钝化保护膜，从而生锈、膨胀，最终导致混凝土开裂、结构承载力下降。据统计，由此带来的维修与损失成本，竟高达全球年生产总值的3.5%。传统上，现浇的混凝土保护层是抵御这些侵蚀的第一道防线。但为了追求更高的施工效率，预制永久模板系统应运而生。这种模板在浇筑后不再拆除，直接成为结构的一部分，替代了原有的混凝土保护层。这就带来了一个核心矛盾：作为“替身”的永久模板，其材料是否能像传统混凝土一样，为钢筋提供长期有效的保护？
目前，用于永久模板的材料多样，包括钢丝网水泥、碳纤维布、聚合物纤维等。虽然它们在力学性能上各有优势，但对其耐久性，尤其是长期抗碳化能力的关注却相对不足。与此同时，可持续发展理念推动着建筑材料向绿色、可再生方向转型。剑麻作为一种天然植物纤维，来源广泛、可再生，且生产能耗和碳排放较低，在建筑材料中的应用展现出巨大潜力。已有研究证明，剑麻纤维增强水泥基复合材料具有良好的力学性能，可用于制造永久模板。但疑虑依然存在：植物纤维的加入是否会增加材料的孔隙率和吸水性，从而像打开了“方便之门”一样，加速二氧化碳和水分的侵入，反而损害了其作为保护层的根本功能？为了回答这个问题，来自巴西的研究团队Igor Machado da Silva Parente, Daniel Véras Ribeiro, Ruan Carlos de Araújo Moura和Paulo Roberto Lopes Lima在《Buildings》期刊上发表了一项研究，系统评估了专为永久模板应用设计的剑麻纤维增强水泥基复合材料的耐久性与力学性能。
研究人员采用了几项关键实验技术来全面评估材料性能。他们使用了经过“角化”预处理的短剑麻纤维，旨在提高纤维尺寸稳定性和与基体的粘结力。通过水浸泡、毛细吸水、超声脉冲速度测试来表征材料的物理特性与内部结构。力学性能方面，进行了轴向压缩、三点弯曲强度测试，以评估其承载和抗弯能力，并通过弯曲试验中的残余应力分析来考察材料的开裂后性能。耐久性的核心评估手段是加速碳化实验，将试样置于特定浓度二氧化碳环境中，定期测量碳化深度，以此预测材料在自然环境下的长期抗碳化能力，并结合已有研究数据模型估算其作为保护层的理论服役寿命。
物理性能
研究通过测试吸水率、毛细吸水、体积密度和孔隙率等指标，系统评估了复合材料的物理特性。结果表明，与用作对比的普通混凝土保护层相比，所有剑麻纤维复合材料的吸水率和孔隙率都更高。纤维含量从2%增加到6%，这些物理参数呈现出恶化的趋势，这是因为纤维本身的多孔性引入了更多的内部孔隙。然而，一个关键的发现是，采用分层浇筑工艺（模拟薄层模板施工）使得纤维在试样中呈横向排列，这在一定程度上阻碍了毛细通道的贯通。因此，所有复合材料的毛细吸水性甚至低于不含纤维的纯水泥基体。特别值得注意的是，含有2%纤维的复合材料，其物理性能与基体最为接近，展现了通过工艺控制优化材料致密性的潜力。
力学性能
力学测试揭示了剑麻纤维的增强增韧效应。在轴向压缩方面，随着纤维掺量增加，复合材料的抗压强度和弹性模量有所下降。含2%纤维的复合材料抗压强度比混凝土保护层低40%，弹性模量低26%。然而，在三点弯曲试验中，纤维的贡献截然不同。不含纤维的基体表现出典型的脆性断裂，而含有纤维的复合材料在开裂后仍能通过纤维桥接作用继续承载荷载。含4%和6%纤维的复合材料甚至表现出“挠曲硬化”行为，即开裂后承载能力超过了初始开裂荷载。更高的纤维含量能更有效地控制裂缝宽度，这对于限制有害物质侵入至关重要。残余应力分析进一步量化了这种后开裂承载力，为结构设计提供了依据。
超声脉冲速度与动态弹性模量
超声脉冲速度测试作为一种无损检测手段，反映了材料内部的密实度和均质性。结果表明，随着纤维含量增加，超声波在复合材料中的传播速度减慢，动态弹性模量降低。这证实了纤维的引入增加了材料内部的“缺陷”（如孔隙、界面），影响了波的传播路径。尽管如此，所有复合材料的超声脉冲速度仍处于“良好”质量等级范围内，表明纤维的加入并未对材料造成严重的结构性破坏。研究还尝试建立了此类植物纤维复合材料抗压强度与超声脉冲速度之间的经验关系式。
碳化分析
碳化测试是评估材料耐久性的核心。经过70天的加速碳化后，测量了各材料的碳化深度和面积。结果显示，除了含2%纤维的复合材料碳化面积比纯基体减少了22.8%外，总体上复合材料的碳化程度随着纤维含量增加而加剧。含6%纤维的复合材料碳化最深最快。与混凝土保护层相比，所有复合材料的碳化程度都更高。这主要归因于纤维带来的更高孔隙率为二氧化碳的扩散提供了通道。然而，一个有趣的辩证关系被指出：碳化反应会消耗水泥水化产物中的氢氧化钙，降低基体的碱度，这可能反而有利于保护剑麻纤维免受强碱环境的长期侵蚀，即一定程度的碳化对复合材料整体的长期性能保存或有积极作用。基于加速碳化系数和文献中的环境关联模型，研究估算了不同材料作为30毫米厚保护层时的理论服役寿命。结果表明，在中等侵蚀性环境中，含2%和4%纤维的复合材料，其抗碳化能力足以确保内部钢筋在超过50年的设计寿命内得到保护，满足规范要求。而含6%纤维的复合材料在此项评估中表现不佳。
研究结论与讨论
该研究证实了剑麻纤维增强水泥基复合材料用作永久模板在技术上是可行的，为替代传统混凝土保护层提供了一种可持续的选择。综合性能分析指出，含2%纤维的复合材料具有最低的孔隙率和最接近混凝土保护层的力学性能，适用于以承受轴向压力为主的构件（如柱子）。而含6%纤维的复合材料则因其优异的应力传递和裂缝控制能力，更适用于梁的模板。在耐久性方面，含2%和4%纤维的复合材料表现最佳，即使在严峻的工业环境中，其理论服役寿命也能超过50年。尽管更高的纤维含量会增加孔隙率和二氧化碳扩散速率，但适度的碳化可能通过降低基体碱度，反过来减缓天然纤维的碱性降解，从而对复合材料整体的长期性能保存产生积极影响。
这项研究的重要意义在于，它没有孤立地看待纤维增强带来的力学增益或耐久性挑战，而是通过系统的实验，在一个统一的框架内评估了这种生物基复合材料作为结构-功能一体化构件（永久模板）的综合性能。它明确回答了业界对植物纤维复合材料耐久性的核心关切：在合理的纤维掺量和优化的工艺下，其抗碳化能力是足够的，能够满足长期服役要求。这不仅为剑麻这种可再生资源在土木工程中的高附加值应用开辟了道路，也为开发新一代绿色、高韧性、长寿命的钢筋混凝土结构体系提供了关键的材料基础和设计依据。当然，研究也指出，当前的碳化分析主要基于加速试验和通用关联模型，未来仍需针对此类复合材料进行更长期的实地暴露试验，以更精准地验证其耐久性表现。
