高掺量约旦天然火山灰水泥砂浆的早期强度发展机制及多模式协同活化研究

针对高掺量天然火山灰(JNP)替代水泥导致的早期强度不足问题，研究人员通过机械研磨、热活化(40-120°C)和化学活化(Na2SO4)三种方法及其组合，系统研究了70% JNP掺量下水泥砂浆的强度发展规律。发现机械-热联合活化可使3天强度提升80%，为火山灰资源化利用提供了关键技术支撑。

　　

在可持续建筑材料的探索浪潮中，火山灰质材料因其低碳特性备受关注。然而，天然火山灰(Jordanian Natural Pozzolan, JNP)的高掺量应用长期受限于早期强度不足的瓶颈——当替代70%波特兰水泥时，常规JNP砂浆的3天强度不足5MPa，严重制约其在预制构件等快速施工场景的应用。这一困境背后，是火山灰中硅铝酸盐的低温惰性与水泥水化动力学间的根本矛盾。

约旦作为火山灰资源富集国，其特有的火山凝灰岩(JNP)含有48% SiO₂和14.79% Al₂O₃，但原始粒径75μm导致反应活性低下。传统单一活化方法存在明显局限：机械研磨能耗高，热活化现场实施困难，而化学活化剂又可能引发长期耐久性问题。如何通过多模式协同策略突破这些限制，成为材料科学家亟待解决的课题。

针对这一挑战，约旦研究团队在《Results in Engineering》发表的研究中，创新性地构建了"机械-热-化学"三维活化体系。通过系统比较三种活化方式及其组合效应，他们发现：将JNP研磨至0.0045mm(过325目筛)并结合120°C蒸汽养护，可使70%掺量砂浆的1天强度达11MPa，相当于常规28天强度值。更令人振奋的是，机械-热联合方案在不依赖化学添加剂的情况下，3天强度提升幅度高达80%，这一突破为天然火山灰的高值化利用提供了全新路径。

研究采用标准ASTM C109-16方法制备50mm立方体试件，通过控制JNP细度(200目/270目)、养护温度(23-120°C)和Na₂SO₄掺量(2%)，建立16组对比体系。采用流变仪测定工作性，并通过1/3/7/28天龄期抗压测试评价强度发展。微观机制通过反应动力学方程和产物相变理论进行阐释。

机械活化部分揭示：当JNP细度从75μm(200目)提升至4.5μm(325目)时，比表面积增长引发SiO₂溶解速率突变，3天强度提升108%。这验证了"界面能垒突破"理论——每降低10μm粒径，C-S-H凝胶成核位点密度增加约1.5倍。

热活化研究显示：温度从23°C升至120°C时，遵循Arrhenius方程，反应活化能从42kJ/mol降至28kJ/mol，使1天强度达28天水平的90%。但值得注意的是，80°C以上会出现AFt向AFm的相变，这解释了化学活化剂在高温下的失效现象。

化学活化中，2% Na₂SO₄通过促进C₃A转化AFt，使7天强度提升27.5%。但该效应在120°C时完全消失，证实了"温度-活化剂拮抗效应"。

最具工程价值的是三重活化协同规律：在40°C中温区，化学-机械联合使3天强度激增63.5%，而120°C时单纯机械-热联合即达最优。这为不同施工场景提供了灵活方案——预制构件可采用纯热活化，现浇工程则适用化学-机械组合。

该研究不仅建立了JNP活化数据库，更创新性地提出"温度-细度-化学势"三维调控模型。其现实意义在于：①为约旦等火山灰资源国每年减少30%水泥碳排放提供技术支撑；②开发的梯度活化工艺可使预制构件脱模时间缩短至8小时；③揭示的AFt/AFm相变规律为耐久性研究奠定基础。未来研究可聚焦于：①纳米SiO₂涂层等新型活化技术；②长期氯离子渗透性能；③基于LCA的工艺经济性评价。这项来自约旦的突破，为全球火山灰质建材开发树立了典范。