响应面法优化稻壳水热炭制备工艺提升砂浆性能及可持续建筑应用研究

本研究针对水泥行业高碳排放问题，创新性地采用响应面法(RSM)优化稻壳水热炭(HTC)制备工艺，确定最佳条件为200°C、3小时、水料比1:0.31。通过FESEM、PXRD等表征证实优化水热炭具有高比表面积(31.847 m2/g)和丰富介孔结构，作为水泥替代材料可使砂浆28天抗压强度达27-41 MPa。研究为农业废弃物资源化利用提供了新思路，对推动低碳建筑技术发展具有重要意义。

　　

水泥行业作为全球二氧化碳排放的重要来源，每年贡献约7-8%的CO₂排放量，其中石灰石煅烧和熟料生产过程是主要排放环节。面对每年超过25吉吨的混凝土产量，开发新型水泥替代材料迫在眉睫。传统生物炭研究较多，但对水热炭化(HTC)技术关注有限，特别是利用稻壳这种富含硅质(15-25%)、低木质素的农业副产品制备水热炭的研究更为稀缺。

针对这一科学问题，来自国内的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究成果。该研究通过响应面法(RSM)系统优化了稻壳水热炭的制备工艺，并深入探究了其在水泥基材料中的应用潜力。研究采用中心复合设计(CCD)实验方案，结合多种先进表征技术，揭示了水热炭对水泥水化过程和微观结构的调控机制。

关键技术方法包括：(1)采用响应面法优化水热炭制备参数；(2)通过FESEM、PXRD、FTIR等多尺度表征技术分析材料特性；(3)结合超声脉冲速度(UPV)测试评估材料力学性能；(4)利用微CT成像技术三维可视化孔隙结构。

研究结果方面：

1. 水热炭优化与表征
   通过CCD实验设计确定最佳制备条件为200°C、3小时反应时间和1:0.31的水料比，此时水热炭产率最高达93.43%。表征结果显示水热炭具有独特的介孔结构，比表面积为31.847 m²/g，高热值(HHV)达24.89 MJ/kg，较原料提高71%。PXRD分析表明水热炭保留了稻壳中的无定形硅相，这对水泥水化过程中的二次反应至关重要。

2. 砂浆力学性能
   掺入1.5%水热炭的砂浆28天抗压强度与对照组相当(约41 MPa)，而3%和4.5%掺量则导致强度显著降低。UPV测试显示脉冲速度与力学强度呈强相关性(R2>0.9)，证实其作为非破坏性检测方法的可靠性。

3. 微观结构分析
   FESEM观察发现低掺量(≤1.5%)水热炭能促进钙硅水合物(C-S-H)形成，而高掺量(>3%)则导致孔隙率增加。微CT成像直观展示了不同掺量下水热炭对砂浆孔隙结构的调控作用，1.5%掺量样品呈现出最优的孔隙分布。

4. 水化机理
   PXRD和FTIR分析证实水热炭的加入改变了水泥水化进程，低掺量时通过物理作用影响水化动力学，高掺量时则发生明显的火山灰反应，消耗氢氧化钙(CH)生成更多C-S-H凝胶。

该研究系统论证了稻壳水热炭作为可持续建筑材料的可行性，为农业废弃物的高值化利用提供了新思路。优化后的水热炭制备工艺不仅提高了产物得率，还保留了稻壳中具有火山灰活性的硅组分。研究证实低掺量(≤1.5%)水热炭可维持砂浆力学性能，同时通过孔隙调控改善耐久性，这对发展低碳建材具有重要意义。

成果的创新性体现在：(1)首次采用RSM优化稻壳水热炭制备工艺；(2)建立了水热炭特性与水泥基材料性能的构效关系；(3)揭示了水热炭在水泥水化过程中的双重作用机制。这些发现为设计新一代环保建材提供了理论依据和技术支撑，符合循环经济和碳中和的发展战略。未来研究可进一步探索水热炭在混凝土耐久性、碳封存等方面的应用潜力。