利用废弃陶瓷瓷砖和从回收瓶玻璃中合成的二氧化硅纳米颗粒提高低碳混凝土对硫酸盐和硫酸的耐受性

《Results in Engineering》：Enhancing Sulphate and Sulphuric Acid Resistance of Low-Carbon Concrete Using Waste Ceramic Tiles and Silica Nanoparticles Synthesized from Recycled Bottle Glass

混凝土耐酸性增强研究利用工业废料陶瓷碎片和瓶玻璃制备二氧化硅纳米粒子，替代60%普通硅酸盐水泥，并通过6、12个月硫酸和硫酸盐暴露测试，评估抗压强度、重量损失、超声波脉冲速度及微观结构变化。结果表明，掺入4%-6%纳米二氧化硅的混凝土在硫酸环境中的强度损失从74.3%降至37.9%，重量损失从15.4%降至8.1%，微观结构分析显示孔隙率降低，XRD证实硫酸钙和钙矾石生成量减少。AI优化模型进一步验证了高替代率废料混凝土的耐久性优势，其环境效益包括减少水泥使用、降低碳排放及废弃物填埋。

　　
混凝土作为现代工程材料的核心，其耐久性在复杂环境下的表现备受关注。本研究聚焦于利用工业废料提升混凝土抗硫酸及硫酸盐腐蚀能力，通过替代传统水泥和引入纳米材料，探索环保型高性能混凝土的制备方法。研究团队采用60%废陶瓷 tiles粉末替代普通波特兰水泥（OPC），同时掺入不同比例（2%-10%）源自废玻璃瓶的二氧化硅纳米粒子（WBGNPs），制备出适用于酸性及硫酸盐环境的混凝土体系。

### 材料创新与工艺优化
研究选材具有显著环保价值：废陶瓷 tiles经破碎筛分后作为骨料替代传统砂石，其高硅铝比（85.6%）和微纳米结构（粒径17.1-25 μm）可提升胶凝体系的稳定性。源自废玻璃的WBGNPs经高温烧结（110℃）和纳米级球磨（80 nm）处理，具备优异的火山灰活性（206 m2/g比表面积）。通过优化粉体掺量，研究团队在保持混凝土工作性的前提下（坍落度从190 mm降至132-138 mm），实现了胶凝材料中60%的OPC被废陶瓷粉末替代，同时掺入4%-6% WBGNPs时获得最佳性能平衡。

### 环境适应性验证
在10%硫酸溶液中，传统OPC混凝土12个月抗压强度损失达74.3%，而掺入60%废陶瓷粉末+6% WBGNPs的改性混凝土仅损失37.9%。微观分析显示，改性混凝土的孔隙率降低（从OPC的18.5%降至12.3%），硫酸盐侵蚀导致的晶相转化（如石膏、钙矾石）减少60%以上。超声波检测证实，改性混凝土的声速衰减率仅为OPC混凝土的1/2，表明其内部结构完整性更优。

### 机理分析
1. **相变抑制**：废陶瓷粉末中的偏高岭土（SiO?+Al?O?占比71.7%）与WBGNPs的纳米级SiO?（含量83%）协同作用，加速钙矾石（C-S-H）凝胶的生成，抑制硫酸盐诱导的膨胀性产物（如单硫型钙矾石）形成。XRD数据显示，掺入6% WBGNPs的混凝土中，石膏相含量从OPC的20.5%降至14.8%。

2. **微结构调控**：扫描电镜（SEM）显示，改性混凝土的界面过渡区（ITZ）厚度增加30%，纳米粒子填充效应使孔隙率降低至12.3%。能谱分析（EDX）表明，经12个月腐蚀后，改性混凝土中Ca含量下降幅度（19.1%）显著低于OPC混凝土（29.3%），说明其胶凝体系更稳定。

3. **环境协同效应**：废陶瓷 tiles的Na?O含量（13.2%）与WBGNPs的硅源（69.14% SiO?）发生协同火山灰反应，生成致密的三维C-S-H网络。红外光谱（FTIR）显示，改性混凝土在3440-3610 cm?1区域的羟基伸缩振动峰强度降低，表明表面致密化程度提升。

### 智能优化与工程应用
研究引入随机森林回归模型（R2=0.97-0.99），通过SLSQP算法优化配比，得出最佳参数组合：60%废陶瓷粉末+6% WBGNPs+1.5%超塑化剂。计算结果表明，该配比可使硫酸盐环境下强度损失控制在1.45%，重量损失低于0.5%，同时满足骨料总掺量≤1700 kg/m3的工程规范要求。

### 环境效益与推广价值
1. **资源循环**：每方混凝土可消耗2.8吨废陶瓷 tiles和0.24吨废玻璃，减少固体废弃物填埋量37%。
2. **碳减排**：替代60% OPC可使CO?排放量降低42%，同时纳米粒子的加速水化效应使早期强度提升35%。
3. **耐久性突破**：在10%硫酸环境中，改性混凝土12个月强度保持率（62.7%）较传统混凝土（25.8%）提升141%。

### 技术挑战与改进方向
研究显示，当WBGNPs掺量超过8%时，混凝土工作性下降超过20%，需通过引气剂或减水剂优化。此外，废陶瓷粉末的吸水率（12%）高于天然砂（3%），建议开发新型干燥工艺以提升材料性能。

该研究为工业固废资源化利用提供了新范式，其技术路线可扩展至其他酸性环境（如海洋工程、化工厂建筑），预计可使基础设施寿命延长3-5倍，每年减少CO?排放约80万吨。未来需开展长期暴露试验（>5年）验证耐久性稳定性，并探索不同酸碱度下的适用边界。