广东省滨海土木工程耐久性重点实验室王险峰教授/胡彪副教授中国科学院一区TOP期刊：
纤维增强微胶囊自修复水泥基复合材料的多目标优化
广东省滨海土木工程耐久性重点实验室王险峰教授/胡彪副教授团队在国际期刊《Journal of Cleaner Production》发表题为 “Multi-response optimization of fiber-reinforced microcapsule self-healing cementitious composites incorporating recycled PET fine aggregate” 的研究论文。
研究开发了一种新型纤维增强微胶囊自修复水泥基复合材料（FRMSHCC），通过整合再生PET颗粒与PET纤维，实现了力学性能、环境可持续性与成本效益的协同优化，为建筑行业清洁生产与资源循环利用提供了创新解决方案。深圳大学土木与交通工程学院博士生盛敏为论文第一作者，王险峰教授和胡彪副教授为通讯作者。
研究背景与核心挑战
混凝土作为最广泛使用的建筑材料，其脆性开裂问题长期制约结构完整性与耐久性，传统修复方法存在维护成本高、响应不及时等局限。微胶囊自修复技术凭借主动修复特性成为研究热点，但如何进一步提升其力学性能、降低环境影响仍是关键难题。同时，全球塑料废弃物污染日益严峻，回收利用PET等塑料废弃物已成为可持续发展的重要方向。将再生 PET 应用于水泥基材料虽能降低碳排放，但过量替代会导致工作性与力学性能下降，且其与微胶囊自修复体系的协同作用尚未明确，亟需系统性优化研究。
本研究采用多维度技术路线实现复合材料的全面优化：
1. 设计 L16 (4⁵) 正交试验，以超细粒化高炉矿渣（GGBFS）配比、再生 PET 颗粒替代率、微胶囊掺量、水胶比、PE/PET 混合纤维比为关键参数，系统评估其对工作性与力学性能的影响；
2. 结合 Taguchi -灰色关联分析（GRA），构建包含流动性、抗压强度、拉伸性能、碳排放量及成本的多响应优化模型；
3. 采用生命周期评估（LCA）量化微胶囊合成的全球变暖潜能值（GWP），并通过数字图像相关（DIC）技术与扫描电镜（SEM-EDS）分析材料失效机制与微观结构特征。
本工作主要贡献包括：
1. 明确再生 PET 的最优应用方案：10% PET 颗粒替代细骨料可提升材料变形能力，30% 替代率则导致性能显著下降；采用再生 PET 纤维部分替代 PE 纤维，在提升抗压性能的同时降低材料成本，1.00 vol% PE 与 1.00 vol% PET 纤维组合实现最佳协同增韧效果。
2. 精准量化微胶囊环境影响：通过 LCA 测算出自制微胶囊的 GWP 为 11.75kg·CO₂·eq，提出规模化生产或与 GGBFS、再生 PET 等环保材料复合的减排路径，填补了微胶囊自修复材料环境与经济可行性评估的空白。
3. 建立多目标优化体系：通过 Taguchi-GRA 方法确定 FRCC 与 FRMSHCC 的最优配比，前者兼顾力学性能与经济性（抗压强度 57.07 MPa，碳排放量 705.6 kg·CO₂·eq/m³），后者展现优异拉伸性能（拉伸应变 2.25%，多裂纹扩展特征）。
该研究成功开发了兼具高力学性能、低环境影响与成本优势的新型自修复水泥基复合材料，为塑料废弃物的高值化利用提供了可行路径，其微胶囊自修复水泥基材料的自修复特性可延长基础设施服役寿命、降低维护成本，推动建筑行业向清洁生产与循环经济转型。
本研究得到国家重点研发计划（2022YFE0109300）、深圳市自然科学基金（JCYJ20240813141827036）、广东省滨海土木工程耐久性重点实验室（2020B1212060074）及深圳市低碳建筑材料与技术重点实验室（ZDSYS20220606100406016）的联合资助。
论文信息
M. Sheng, X. Wang, S. Su, X. Zhou, H. Li, B. Hu, Multi-response optimization of fiber-reinforced microcapsule self-healing cementitious composites incorporating recycled PET fine aggregate, J. Clean. Prod. 502 (2025) 145385.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.145385
供稿：盛 敏
一审：卢永明
二审：王耀城
三审：左英姿
