火山灰和碳化物渣在混合砂浆中的回收利用：多标准性能评估

《Environmental Challenges》：Recycling of volcanic ash and carbide slag in blended mortars: A multi-criteria performance assessment

火山灰（VA）和碳化渣（CS）替代水泥的复合砂浆性能研究。通过TOPSIS多准则评估，测试抗压强度、密度、电导率等7项指标，VA替代10-20%、CS替代0-5%时，协同效应使抗压强度提升7%、电导率增加13%、抗硫酸盐和抗钙流失性能优化。最高替代率25%仍满足基体强度要求。研究支持联合国SDGs 9、12、13，提出可持续低碳水泥基复合材料方案。

　　在当今建筑行业面临日益严峻的环境挑战的背景下，替代性结合材料（Alternative binders）的应用已成为减少碳排放和提高建筑材料性能的重要研究方向。火山灰（Volcanic Ash, VA）和碳化渣（Carbide Slag, CS）作为两种具有潜力的替代性材料，其在水泥基复合材料中的使用正在引起广泛关注。本研究旨在评估这两种材料对水泥砂浆物理性能和耐久性的影响，以探索其在可持续建筑实践中的应用前景。通过综合评估多个性能指标，研究还采用了一种多准则决策方法——TOPSIS，来识别最佳的替代比例，以实现材料性能的优化。

火山灰作为一种天然的火山产物，具有丰富的二氧化硅（SiO?）和氧化铝（Al?O?）含量，因此具有显著的火山灰活性（Pozzolanic activity）。在水泥砂浆中，火山灰的加入可以引发一种火山灰反应，该反应能够与水泥水化过程中产生的氢氧化钙（Ca(OH)?）结合，生成更多的钙硅酸盐水合物（Calcium Silicate Hydrate, C-S-H）。这种反应不仅提高了砂浆的密实度，还增强了其机械性能和耐久性。然而，过量的火山灰使用可能会导致水化反应不完全，从而影响材料的强度和耐久性。

碳化渣则源自乙炔制造的副产品，其主要成分是氢氧化钙（Ca(OH)?），并且具有较高的碱性。碳化渣的使用可以作为一种替代材料，减少水泥的使用量，从而降低二氧化碳排放。然而，由于碳化渣本身的碱性较高，它可能对材料的耐久性产生不利影响，尤其是在抗硫酸侵蚀方面。此外，碳化渣的使用可能会导致砂浆的孔隙率增加，从而影响其水运输性能和抗渗性。

本研究对含有不同比例火山灰和碳化渣的砂浆进行了多方面的性能评估，包括抗压强度、新鲜和硬化密度、电导率、水运输性能、耐磨性、钙渗出潜力以及硫酸侵蚀抵抗能力。研究发现，当火山灰的替代比例为10–20%，碳化渣的替代比例为0–5%时，无论单独使用还是协同使用，砂浆的性能均有所改善。然而，当两种材料的替代比例都较高时，如40%火山灰和20%碳化渣的组合，砂浆的耐久性会受到负面影响，特别是在抗硫酸侵蚀方面。

研究还发现，通过火山灰和碳化渣的协同使用，可以显著改善砂浆的物理性能和耐久性，但其效果可能因材料比例的不同而有所变化。例如，当火山灰的替代比例为10–20%，碳化渣为5%时，砂浆的抗压强度和电导率均有所提升。这种协同效应可能源于两种材料的协同作用，如火山灰的火山灰活性和碳化渣的填充效应，共同作用以提高砂浆的密实度和耐久性。

此外，研究还通过TOPSIS方法对砂浆进行了排序，以确定最佳的替代比例。TOPSIS是一种多准则决策分析工具，能够根据各性能指标与理想解的相似度来评估不同材料组合的优劣。研究发现，当火山灰的替代比例为20%，碳化渣为5%时，砂浆的综合性能最优。这种组合不仅能够有效减少水泥的使用量，还能显著提高砂浆的抗压强度和耐久性。

研究还进行了敏感性分析，以评估不同性能指标对TOPSIS排序结果的影响。结果显示，某些性能指标（如抗压强度和电导率）对排序结果的影响较小，而其他指标（如钙渗出潜力和硫酸侵蚀抵抗能力）则对排序结果具有较大的敏感性。这表明，在评估替代材料的综合性能时，需要综合考虑多种性能指标，以确保结果的全面性和准确性。

总的来说，本研究的结果表明，火山灰和碳化渣的协同使用可以有效提高水泥砂浆的性能，特别是在抗压强度和电导率方面。然而，过量的使用可能会对材料的耐久性产生不利影响，特别是在抗硫酸侵蚀方面。因此，在实际应用中，需要根据具体的工程需求和环境条件，合理选择火山灰和碳化渣的替代比例，以达到最佳的性能平衡。此外，研究还强调了这些材料在实现可持续建筑实践中的重要性，特别是在减少碳排放和资源浪费方面。这些发现为未来研究提供了重要的参考，同时也为建筑行业的绿色转型提供了可行的解决方案。