《Materials & Design》：From aggregate to composite: Design of flax-based concretes through thermal treatment and hemp synergy for controlled construction practices
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本研究针对亚麻-石灰复合材料中因亚麻刨花高亲水性导致粘结剂水化受阻和力学性能下降的核心问题，通过探索亚麻刨花的温和热处理（80–160?°C）以及与麻纤维的协同作用，成功降低了亚麻刨花的早期吸水率（减少32%），使其导热系数从97.7 mW·m-1·K-1降至74.0 mW·m-1·K-1，同时保持了良好的机械可靠性与水蒸气渗透性。这项研究为开发兼具优异湿热性能与可靠力学性能的低环境影响、可呼吸的建筑填充材料提供了可行的工艺策略。
在建筑领域向可持续转型的迫切需求下，人们正致力于寻找能够减少隐含碳排放、调节室内湿热的环保建材。传统建筑材料虽坚固耐用，但其生产与使用过程常伴随着巨大的能源消耗与环境负担。因此，生物基复合材料，特别是利用农业废弃物（如麻、亚麻的茎秆刨花）与无机粘结剂结合制成的轻质材料，因其低碳足迹和优异的温湿度调节能力而备受关注。其中，麻纤维复合材料已逐渐成为一种参考性的生态建筑材料，在法国等地建立了相应的规范与应用体系。然而，另一种资源丰富、在欧洲和北美广泛种植的作物——亚麻，其制成的复合材料却远未得到充分研究和标准化。尽管亚麻刨花本身具有高孔隙率、低导热系数和强大的湿气缓冲能力，使其在湿热性能方面潜力巨大，但其应用面临一个关键障碍：极高的亲水性。这种特性导致在混合过程中，亚麻刨花会与石灰等粘结剂“抢夺”水分，严重干扰粘结剂的水化反应，进而影响新拌混合料的工作性、延缓凝结，并最终削弱复合材料的力学强度和可靠性。这种“水土不服”的特性，限制了亚麻基复合材料从实验室研究迈向可控的建筑实践的步伐。
那么，如何驯服这匹“嗜水”的野马，在保留其优异湿热性能的同时，确保足够的机械强度，使其成为合格的建筑填充材料呢？发表在《Materials 》杂志上的这项研究，由La Rochelle大学LaSIE实验室的Mostafa Baba等人，为我们提供了一套巧妙而务实的解决方案。他们没有选择复杂的化学改性路线，而是转向了更简单、更符合可持续发展理念的物理处理方法——温和热处理，并结合麻纤维的协同效应，系统探索了优化亚麻基复合材料性能的有效途径。
研究者们运用了多尺度、多维度的实验方法来揭示从原料到复合材料的性能演变。他们首先对亚麻和麻刨花进行了详尽的表征，包括使用扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌，通过热重分析（TGA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析热处理引起的化学成分变化。关键的改进策略是，在80至160?°C的温度范围内对亚麻刨花进行2小时的温和热处理。他们系统地测试了三种水管理策略：基准混合、亚麻刨花预湿润以及热处理结合水胶比调整。为了评估复合材料的综合性能，研究者制备了多种配比的亚麻-石灰、亚麻-麻复合材料试样，并测量了其水吸收动力学、导热系数、抗压强度和水蒸气渗透率等一系列关键指标。
结果部分清晰地展示了从原料处理到复合材料性能的全链条优化效果：
3.1. 对生物骨料的影响
研究首先聚焦于热处理对亚麻刨花本身性质的改变。结果显示，在120?°C下处理2小时是最佳窗口。这一处理使亚麻刨花的早期吸水率降低了32%，其本征导热系数从约55 mW·m-1·K-1降至44 mW·m-1·K-1，降幅达20%。微观观察（SEM）显示，热处理后刨花表面更清洁，细胞壁结构保持完好，但亲水性表面沉积物减少。化学分析（TGA/FTIR）证实，处理主要去除了对热更敏感的组分（如果胶、半纤维素），减少了亲水性的羟基和羰基官能团，而纤维素-木质素骨架得以保留。这表明热处理在不破坏有用孔隙结构的前提下，有效降低了材料的亲水性。
3.2. 生物复合材料的力学性能
在复合材料尺度上，力学性能受到骨料含量、粘结剂类型和水管理策略的显著影响。随着亚麻刨花含量从12%增至18%，复合材料的抗压强度从约1.1 MPa显著下降至约0.31 MPa，表明存在一个最佳的骨料掺量范围。使用专门为植物骨料设计的Tradical PF70粘结剂，其性能普遍优于天然水硬性石灰（NHL）。在水管理策略中，单纯的预湿润能显著提高强度（例如PFLC 14达到约0.93 MPa），但会损害其他性能。而将热处理与调整水胶比相结合的策略（TFLC 14’），则在维持较低导热系数的同时，将抗压强度恢复至约0.68 MPa，实现了更好的性能平衡。此外，研究还探索了亚麻与麻的协同作用，发现当亚麻含量占主导（2/3亚麻 + 1/3麻）时，由于更优的颗粒级配（细颗粒填充粗颗粒空隙），复合材料能获得更高的密实度和强度。
3.3. 生物复合材料的热学性能与物理性质
热处理对降低复合材料导热系数的效果极为显著。在14%骨料含量下，未经处理的亚麻复合材料（FLC 14）导热系数为97.7 mW·m-1·K-1，而经过热处理的材料（TFLC 14）大幅降至74.0 mW·m-1·K-1。即使经过水胶比优化后（TFLC 14’），其导热系数（80.7 mW·m-1·K-1）仍显著低于未处理组。这归因于热处理减少了骨料的吸水，从而在复合材料中保留了更多充满空气的孔隙，而空气是极好的热绝缘体。研究同时指出，虽然纯麻复合材料在导热性能上仍有优势，但热处理为亚麻基材料提供了极具竞争力的热学性能提升路径。
3.4. 生物复合材料的湿性能
水蒸气渗透性是评价建筑材料“呼吸”能力的关键指标。研究发现，当亚麻刨花含量达到约14%时，水蒸气渗透率出现一个明显的“渗流阈值”，此后继续增加骨料含量对渗透率的提升有限。热处理进一步提升了材料的透气性，TFLC 14的水蒸气渗透率达到6.43 × 10-11kg/(m·s·Pa)，显著高于未处理组。这表明热处理在降低吸水性的同时，反而有助于保持或形成更连通的孔道网络，有利于湿气的输运和调节。相反，预湿润策略则会因为减少了混合过程中的毛细管吸力，使粘结剂更致密地包裹骨料，从而降低了水蒸气渗透率。
归纳研究的结论与讨论部分，其重要意义体现在以下几个方面：
本研究系统证明，对亚麻刨花进行温和热处理（特别是120?°C, 2小时）是一种简单、有效且环境友好的预处理方法。它通过部分移除亲水性组分并重组细胞壁结构，在不损害其多孔骨架的前提下，显著降低了材料的早期吸水性。这一根本性改善，直接缓解了亚麻与粘结剂之间的“水竞争”矛盾。
在复合材料层面上，这种处理与优化的水胶比相结合，成功实现了湿热性能与力学性能的优异平衡。研究得到了导热系数显著降低、水蒸气渗透性良好、同时具备可靠抗压强度的亚麻基复合材料配方。这标志着亚麻从一种有潜力的生物骨料，向一种性能可控、可预测的实际工程材料迈出了关键一步。
此外，研究所探索的“亚麻-麻协同”策略，不仅利用了两种作物的互补颗粒尺寸分布以优化密实度，也提供了一种将尚待标准化的新材料（亚麻）与已有成熟体系（麻）相结合的务实路径，有助于推动亚麻在建筑行业的接纳和应用。
最终，这项工作的核心价值在于，它从“工艺控制”而非单纯的“性能评估”角度出发，为设计高性能亚麻基生物复合材料提供了清晰的指导原则和量化关系。它表明，通过精细调控原料处理和水管理策略，可以克服亚麻固有的高亲水性瓶颈，释放其在可持续建筑围护结构中作为轻质、透气、低环境影响填充材料的全部潜力，为建筑行业的绿色转型贡献了一个有前景的材料解决方案。
