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工业与城市固体废弃物建材资源化利用团队李娟副教授在Construction and Building Materials期刊（IF=8.0，中科院1区TOP）发表题为“Study on the surface structure regulation of polyoxymethylene fiber and the mechanism of UHPC interface enhancement”（DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2025.144539）的研究成果。该研究系统探究了纳米二氧化硅改性聚甲醛纤维对矿渣硫铝酸盐水泥基UHPC界面性能的调控机制，通过硝酸预处理与硅烷偶联剂（KH550、KH560、KH570）辅助的溶胶-凝胶法实现了纤维表面结构优化，结合拉拔试验、SEM/EDS、AFM、FTIR与接触角测试，系统分析了改性纤维的界面粘结行为与增强机理，揭示了表面粗糙度提升与化学键合增强对界面性能的协同作用，并验证了改性纤维在提升粘结强度与耗能方面的显著效果，同时论证了该体系在降低碳排放方面的可持续性优势。
Construction and Building Materials是Elsevier出版社旗下建筑工程材料领域的国际权威期刊，自1987年创刊以来，持续引领绿色建材与结构工程领域的创新研究。作为JCR Q1、中科院一区Top期刊（2025年影响因子8.0），其聚焦混凝土、复合材料、再生资源利用、低碳技术及环境-材料交互作用等方向，致力于推动建筑材料的可持续性与高性能化发展，研究内容涵盖从纳米级材料设计到大型工程结构耐久性评估的全链条研究，尤其重视碳中和目标下的材料革新与极端环境工程应用的交叉融合。
制造UHPC所需的水泥用量一般为800~1100kg/m3，约为普通混凝土的3倍，导致材料成本高、能耗大、CO2排放量高，严重限制了UHPC的应用推广。利用铝硅基工业固废（如粉煤灰、矿粉）替代部分水泥是有效的解决方法之一。近年来，人们以少量高活性硫铝酸盐水泥熟料协同石膏激发矿渣粉，形成低碳矿渣硫铝酸盐水泥，为制备低碳、高性能UHPC提供了新方向。随着合成纤维工艺技术的不断发展，近几年出现的聚甲醛（Polyoxymethylene，POM）纤维因其具有高强、高模、分散性好、引气性低等特征，成为一种极具发展前景的UHPC用增强纤维。但是，表面光滑、化学惰性的POM纤维会向UHPC中引入界面缺陷，降低纤维桥联裂缝的能力。因此，为进一步优化POM纤维增强、增韧效果，亟需改善纤维与基体界面性能。在众多界面调控方法中，采用纳米SiO2对纤维进行表面改性的界面调控方法表现出性价比高，工艺简便的优势。纤维表面纳米SiO2可作为水泥水化产物的成核位点，增加纤维表面粗糙度，增强界面机械咬合作用。
该研究结果表明，20wt.%硝酸处理30min为最佳预处理工艺，在维持纤维87%拉伸强度的同时，显著提升表面粗糙度（AFM显示Ra值增加267.7%），形成均匀凹槽结构，主要依靠物理形貌改善界面性能。采用硅烷偶联剂辅助纳米SiO2改性后，纤维-基体界面粘结性能显著增强，其中KH560体系效果最优，28天粘结强度与拉拔能较未处理纤维分别提高52.3%和75.1%，拉拔行为由脆性摩擦脱粘转变为延性耗能模式。表征分析显示，SCA有效促进纳米SiO2接枝（FTIR证实Si-O-Si与Si-O峰增强），并提升表面疏水性（接触角最高提升600.9%）。此外，通过高掺量矿渣（71wt.%）替代水泥熟料，使胶凝材料碳排放降至109.4kgCO2/t，较普通水泥降低86.4%，为开发高性能低碳水泥基材料提供了可行路径。
图1 纤维表面纳米SiO2改性示意图
图2 纤维拔出试验装置及试件尺寸
该研究通过系统实验揭示了硝酸预处理与硅烷偶联剂协同增强聚甲醛纤维-基体界面的物理化学机制，阐明了表面粗糙化提升机械咬合与纳米SiO2桥联促进化学键合的共同作用原理，为低碳UHPC的纤维界面设计与性能调控提供了关键理论依据。
李娟，副教授，硕士生导师，主要从事固废基低碳高性能水泥基材料以及预制装配式结构等方面的基础和应用研究，主持、参与各级各类纵、横向科研项目十余项，主持、参与教育部产学合作协同育人项目及其他各级各类教研项目十余项，授权发明专利3项，实用新型专利2项、软件著作权2项，曾获得全国工科结构力学及弹性力学课程青年教师讲课竞赛一等奖等各级教学竞赛奖7项，被评为“内蒙古自治区高等学校土木工程专业高校优秀指导教师”、“大学生结构设计竞赛优秀指导教师奖”、“师风师德先进个人”、“优秀教师”、“教学新秀”、“优秀班主任”。
