掺入玉米芯生物炭和再生粉的碱激活砂浆的性能与可持续性

《ACS Omega》：Performance and Sustainability of Alkali-Activated Mortar Incorporating Corncob Biochar and Recycled Powder

碱激发砂浆中回收粉末与玉米秸秆生物炭的协同效应研究显示，当RP含量为10%、CB为3%时，28天抗压强度达62.5MPa，抗折强度8.8MPa，较基准组分别提升5.6%、4.7%。RP和CB的掺入使56天干燥收缩率降低11.7%，其机制包括RP优化颗粒级配形成致密结构，CB孔隙结构吸附水分抑制开裂。FTIR和SEM分析表明两者未引入新产物，CB的微孔结构有效缓解湿度变化引起的收缩。环境效益方面，RP和CB的协同应用使A-20-4组CO?排放较普通水泥砂浆减少59.2%。

　　在当前建筑行业面临资源短缺与环境污染双重挑战的背景下，探索绿色、可持续的建筑材料成为科研与工程实践的重要方向。本文围绕一种新型绿色建筑材料——碱激发砂浆（Alkali-Activated Mortar, AAM）的性能优化展开研究，通过引入回收粉（Recycled Powder, RP）和生物炭（Biochar, CB）两种工业与农业废弃物，系统分析其对AAM机械性能、干燥收缩率、微观结构以及环境效益的影响。研究结果表明，合理配比RP与CB不仅能够显著提升AAM的力学性能，同时有效降低材料的碳排放，为推动建筑行业的低碳转型提供了新的思路与技术路径。

### 1. 研究背景与意义

水泥混凝土作为现代建筑中不可或缺的基础材料，广泛应用于建筑、交通和矿业等领域。然而，传统水泥的生产过程伴随着巨大的资源消耗与环境污染问题，如高能耗、高碳排放和天然原料的过度开采等，这些因素对生态环境构成了持续压力。为此，中国政府提出了“双碳”战略，即碳达峰与碳中和目标，推动建筑行业减少能源和水泥的使用，以降低其对环境的影响。在这一背景下，利用工业固体废弃物和农业废弃物作为替代材料，成为实现绿色建筑材料发展的关键途径。

工业固体废弃物如钢渣粉、粉煤灰等，因其富含硅铝元素，被广泛应用于碱激发材料体系中。这些材料不仅能够替代部分传统水泥，还具有良好的力学性能和较低的碳排放。与此同时，农业废弃物如秸秆、壳类等，通过高温无氧热解可制成生物炭，其多孔结构和强吸附能力使其在建筑材料中具有独特的优势。生物炭不仅可以作为碳储存介质，还能改善材料的热性能和减少干燥收缩。然而，目前关于将这两种废弃物协同应用于碱激发材料的研究仍较为有限，特别是在其对材料性能的协同作用机制方面，缺乏系统性的探讨。

因此，本研究旨在通过将回收粉（RP）作为钢渣粉的替代材料，并引入玉米芯生物炭（CB）作为添加剂，制备碱激发砂浆（AAM），系统研究RP和CB对材料性能的影响，特别是其在提升力学性能与降低干燥收缩率方面的潜力。此外，研究还关注了这些材料对环境效益的贡献，评估其在建筑行业中的实际应用价值。

### 2. 材料与方法

本研究选用的原材料包括回收粉（RP）、钢渣粉和粉煤灰。回收粉是由C40废混凝土经破碎、筛分和研磨制成的，具有较高的比表面积，有利于材料的反应活性。钢渣粉符合GB/T18046-2017标准，而粉煤灰则符合GB/T1596-2017标准。这些材料共同构成了碱激发砂浆的水泥基体系。

在实验设计中，研究者通过调整RP和CB的掺量，制备了一系列AAM样品，并对它们的性能进行了系统测试。实验设定的RP掺量为10%和20%，CB掺量为2%、3%和4%。实验中采用的碱激发剂为水玻璃（Na?SiO?）与固态氢氧化钠（NaOH）的复合溶液，其碱活性参数（SiO?与Na?O的摩尔比）设定为1.0，碱激发剂与水泥基材料的质量比为3.5%，溶液与水泥基材料的质量比为0.45。这些参数的选择基于前期研究结果，旨在实现最佳的反应条件与材料性能。

为了评估AAM的性能，研究采用了多种测试方法。首先，通过GB/T17671-2021标准测试砂浆的力学性能，包括抗压强度和抗折强度，测试龄期分别为3天、7天和28天。其次，采用JGJ/T 70-2009标准测量砂浆的干燥收缩率，通过测量不同时间点的尺寸变化，计算其收缩率。此外，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）对材料的微观结构进行分析，以揭示其内部组成与形态特征。最后，基于GB/T 51366-2019标准，采用简化生命周期评估方法计算AAM的碳排放，并评估其经济可行性。

### 3. 结果与讨论

#### 3.1 力学性能分析

研究结果表明，随着RP和CB掺量的增加，AAM的力学性能呈现先上升后下降的趋势，而干燥收缩率则持续降低。具体而言，当RP掺量为10%、CB掺量为3%时，AAM表现出最佳的力学性能。此时，28天的抗压强度达到62.5 MPa，抗折强度为8.8 MPa，分别比未添加RP和CB的对照组（A-0-0）提高了3.5%和4.7%。这一现象可能与CB的物理吸水效应有关，其丰富的孔隙结构和高比表面积能够有效吸附材料内部的自由水，从而降低实际的水灰比，提升砂浆的密实度和强度。

然而，当RP掺量超过10%时，材料的抗压强度和抗折强度开始下降。这主要是因为RP的反应活性较低，无法有效参与碱激发反应，导致材料内部的水化产物减少，进而影响其力学性能。此外，RP的超细颗粒虽然有助于优化材料颗粒级配，形成致密的微观骨架结构，但其在高掺量下可能占据过多的反应空间，限制了其他活性材料的反应效率。因此，研究者认为，RP的最佳掺量为10%，CB的最佳掺量为3%，此时材料的力学性能达到最优状态。

#### 3.2 干燥收缩率分析

干燥收缩是砂浆在硬化过程中由于水分蒸发而导致的体积收缩现象，是影响材料耐久性和结构稳定性的关键因素。研究发现，随着RP和CB掺量的增加，AAM的干燥收缩率显著降低。例如，在56天的测试中，A-20-4（RP 20%、CB 4%）的干燥收缩率比对照组A-20-0降低了11.7%。这一现象主要归因于RP和CB的物理吸水特性。RP的细颗粒结构能够优化材料的颗粒分布，形成致密的微观结构，从而抑制收缩变形。而CB的多孔结构则能够吸附环境中的水分，维持材料内部的湿度平衡，减少因水分流失导致的收缩。

此外，CB的高比表面积和孔隙率使其在材料内部形成一个“水吸附-水释放”的循环系统，有助于维持材料的湿度稳定性，从而降低干燥收缩率。这种特性在实际工程中具有重要意义，特别是在干燥环境中，能够有效防止砂浆开裂，提高结构的耐久性。

#### 3.3 微观结构分析

为了进一步揭示RP和CB对AAM微观结构的影响，研究采用了FTIR和SEM技术进行分析。FTIR结果表明，RP和CB的引入并未导致新的化学物质的生成，而是通过物理作用改善了材料的结构特性。在A-10-3样品中，主要的特征峰与对照组A-0-0相似，表明材料的水化反应未受到显著干扰，而是通过优化颗粒级配和提高孔隙率来改善其性能。

SEM图像则直观展示了材料的微观形态变化。A-0-0样品在28天的标准养护后，形成了致密的微观结构，主要由均匀分布的C-A-S-H凝胶组成。而A-10-3样品中，RP和CB的加入使材料内部形成了更为复杂的多孔结构。这种结构主要来源于两个方面：一是碱激发反应过程中水分蒸发和化学收缩产生的微孔；二是CB本身的多孔结构。尽管多孔结构可能对材料的强度产生一定负面影响，但其在降低干燥收缩率方面的作用不可忽视。

此外，研究还发现，CB的多孔结构在一定程度上促进了材料的内部湿度调节，使其在干燥环境中能够保持较高的湿度水平，从而减少因水分流失导致的收缩。这种机制为材料的长期稳定性提供了理论支持。

#### 3.4 环境效益与经济可行性分析

在环境效益方面，研究采用碳排放因子对AAM的碳足迹进行了评估。结果表明，随着RP和CB掺量的增加，AAM的碳排放显著降低。例如，当RP掺量为10%、CB掺量为3%时，AAM的碳排放比对照组降低了9.0%；而当RP掺量为20%、CB掺量为4%时，AAM的碳排放比对照组降低了59.2%。这一结果表明，RP和CB的协同应用在减少碳排放方面具有显著优势，特别是在替代传统水泥的过程中，能够有效降低建筑行业的碳足迹。

从经济角度来看，AAM的制备成本远低于普通波特兰水泥（OPC）砂浆。研究根据中国当前的市场情况估算，AAM的单位成本显著低于OPC砂浆。例如，当RP掺量为10%、CB掺量为3%时，AAM的单位成本为215元/立方米，比OPC砂浆低了71.69元/立方米。这表明，RP和CB的应用不仅具有环境优势，还具备良好的经济可行性。

此外，研究还考虑了碳交易市场的潜在收益。根据中国当前的碳交易价格（93.43元/吨CO?当量），每生产1立方米的AAM（A-10-3）可获得约1.24元的碳交易收入。这一收益进一步增强了AAM的经济吸引力，为其实现大规模应用提供了动力。

### 4. 结论与展望

本研究通过将回收粉（RP）和玉米芯生物炭（CB）引入碱激发砂浆（AAM）体系，系统分析了其对材料性能和环境效益的影响。研究结果表明，RP和CB的协同作用能够有效提升AAM的力学性能，同时显著降低其干燥收缩率和碳排放。其中，RP掺量为10%、CB掺量为3%时，AAM表现出最佳的综合性能，其28天的抗压强度和抗折强度分别达到62.5 MPa和8.8 MPa，干燥收缩率比对照组降低了11.7%。此外，该配比下的AAM碳排放比普通水泥砂浆降低了59.2%，在经济和环境效益方面均具有显著优势。

从技术层面来看，RP和CB的引入不仅优化了材料的微观结构，还通过物理吸水和湿度调节机制，提升了材料的耐久性和稳定性。这为未来建筑行业实现低碳转型提供了新的材料选择和技术路径。然而，尽管研究取得了积极成果，仍存在一些需要进一步探讨的问题。例如，CB和RP的长期稳定性、耐久性以及在不同环境条件下的性能表现仍有待深入研究。此外，如何优化CB和RP的配比，以实现更优的材料性能和更低的碳排放，也是未来研究的重要方向。

综上所述，本研究为回收粉和农业废弃物在绿色建筑材料中的应用提供了理论依据与实验支持。通过合理的材料配比与工艺设计，RP和CB的协同作用不仅能够提升材料的力学性能，还能显著降低其环境影响，为建筑行业的可持续发展提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨CB和RP在不同工程场景下的适用性，并结合长期性能测试与耐久性评估，推动其在实际工程中的广泛应用。