综述：天然纤维增强压缩土块性能提升与环境可持续性研究进展

《Journal of Natural Fibers》：Review of Natural Fiber-Reinforced Compressed Earth Blocks: Toward Enhanced Performance and Environmental Sustainability

本综述系统评述了天然纤维增强压缩土块（CEB）的研究进展，通过PRISMA文献分析法和R语言统计工具，定量评估了纤维类型、处理方法与土体组成对力学性能（如抗压强度fc、抗拉强度ft）及热工性能的影响。重点对比了化学（碱处理、硅烷）、物理（球磨）及热处理方法对纤维-基质界面结合的优化效果，并引入生命周期评估（LCA）框架，揭示天然纤维替代水泥/石灰 stabilizer 在降低隐含碳排放（CO2）方面的潜力。文章指出当前研究在标准化方法、长期耐久性及大规模应用方面存在空白，为开发低碳高性能土基材料提供了关键方向。

　　

天然纤维增强压缩土块的研究进展与可持续性展望

摘要

土基建筑因其低碳、就地取材和可持续特性重新受到关注。压缩土块（CEB）作为传统土坯材料的升级形式，通过机械压制提升密度与强度，但其力学性能（如抗压强度f_c普遍为2–5 MPa，低于混凝土砌块的13.10 MPa）、抗拉强度f_t不足及湿敏性仍是应用瓶颈。天然纤维（如麻、竹、椰壳纤维）的引入，通过纤维桥接效应增强韧性，并将f_c提升至11.22 MPa，同时改善热工性能（导热系数可低至0.081 W/(m·K)）。本文系统综述了纤维增强CEB的制备工艺、性能优化及环境效益，为低碳建筑材料的开发提供理论依据。

材料与方法

研究基于PRISMA系统文献综述法，筛选2010–2025年间ScienceDirect和Web of Science数据库的40篇核心文献，结合R语言进行相关性分析（如Pearson系数评估参数关联性）。关键词网络分析显示，研究热点集中于f_c、纤维类型、孔隙率及稳定剂（如水泥、石灰）的相互作用。地理分布上，欧洲（37%）和非洲（27%）为研究主力，葡萄牙米尼奥大学与摩洛哥卡迪阿亚德大学为活跃机构。

天然纤维的特性与处理策略

天然纤维（纤维素含量最高达81%，如菠萝叶纤维）的亲水性导致高吸水率（WA），需通过处理提升兼容性：

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  物理处理：预浸泡（6小时）可减少纤维吸水量，但过量水分会析出糖分干扰水化反应，使f_c降低60%。
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  化学处理：碱处理（5% NaOH浸泡30分钟）去除木质素，提升纤维粗糙度，使f_c增强45–80%；硅烷处理进一步改善疏水性，但成本高（25 mL约164欧元）且碳足迹达61.3 kg CO₂/kg。
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  创新方法：硅气凝胶涂层（SAC）将接触角提升至146.6°，显著降低导热性，但生产工艺复杂，碳排放达2.481 t CO₂/吨。

CEB的力学与物理性能优化

纤维掺量（0.5–1%）、长度（1–219 mm）及压实压力（2–10 MPa）是关键参数：

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  抗压强度：水泥稳定CEB的f_c达11 MPa（石灰稳定约10 MPa），未稳定样本仅3 MPa。统计显示，水泥含量（R²=0.88）和压实压力（R²=0.52）与f_c呈强正相关。
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  抗拉与抗弯强度：纤维使破坏模式由脆性转向延性，f_t提升与纤维模量（E）和长度直接相关（R²=0.59）。
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  密度与收缩：纤维添加降低干密度（1700–2000 kg/m³），并抑制收缩（最高减少91%）。但纤维过量（>1%）易缠结，反降低强度。

耐久性与环境效益

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  耐水性：毛细吸水系数（C_b）随纤维长度增加而升高，但石灰稳定剂（9%）可降低吸水率13%。
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  抗侵蚀性：短纤维（50 mm）比长纤维（80 mm）更有效，0.75%掺量使侵蚀深度减少52%。
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  生命周期评估（LCA）：CEB的碳排放（22 kg CO₂/吨）显著低于烧结黏土砖（143 kg CO₂/吨）。但现有研究多限于“摇篮到大门”边界，缺乏废弃阶段（如回收）评估。

挑战与展望

当前研究缺乏标准化测试方法、长期气候适应性数据及大规模应用案例。未来需聚焦：

1. 1.
   开发低能耗纤维处理技术（如耦合碱-硅烷工艺）；
2. 2.
   利用废弃资源（如隧道弃土T-EXE）替代天然土体，推动循环经济；
3. 3.
   扩展LCA至“摇篮到摇篮”模型，综合评估碳足迹与回收潜力。
   天然纤维增强CEB有望成为兼顾性能与可持续性的下一代建筑材料。