利用废弃大理石粉和玻璃粉开发环保轻质泡沫混凝土的研究

《Results in Materials》：Development of Eco-Friendly Lightweight Foamed Concrete Using Waste Marble Powder and Waste Glass Powder

本文针对建筑行业碳排放高、天然资源消耗大的问题，研究了采用废弃大理石粉(WMP)部分替代水泥、废弃玻璃粉(WGP)部分替代砂制备轻质泡沫混凝土(LWFC)。结果表明，WMP和WGP的掺入可显著降低混凝土密度(1679-1798 kg/m3)，改善工作性，在5-10%替代率时仍能满足结构强度要求(≥17 MPa)，为建筑废弃物资源化和低碳建材开发提供了新途径。

　　

在全球建筑行业面临严峻环境挑战的今天，水泥生产带来的高碳排放和天然砂资源的过度开采已成为制约可持续发展的关键问题。据统计，水泥行业贡献了全球5-8%的人为二氧化碳排放，每生产1吨水泥就会释放0.73-0.99吨CO₂。与此同时，建筑用砂的需求量已超过其自然再生速度，引发了"砂危机"。这些环境压力促使研究人员积极探索将工业废弃物转化为建筑材料的可行途径。

在此背景下，来自约旦大学土木工程系的Ahmed Ashteyat教授团队在《Results in Materials》期刊上发表了一项创新研究，他们成功将废弃大理石粉(Waste Marble Powder, WMP)和废弃玻璃粉(Waste Glass Powder, WGP)应用于轻质泡沫混凝土(Lightweight Foamed Concrete, LWFC)的制备，为建筑行业的绿色转型提供了新的解决方案。

该研究采用了系统的材料表征和性能测试方法。研究人员首先通过X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)分析了水泥、砂、WMP和WGP的化学组成和晶体结构，确认WMP主要成分为CaO(55.41%)，WGP以SiO₂(68.74%)为主。实验设计了16种配合比，WMP和WGP的替代率分别为0%、5%、10%和15%，采用蛋白质基发泡剂和聚丙烯(PP)纤维增强，通过标准化的搅拌工艺制备LWFC试件。性能测试包括坍落度、密度、立方体抗压强度和劈裂抗拉强度测定，所有试件均在20±2°C下标准养护。

研究结果显示出令人鼓舞的性能特征。在工作性方面，WMP的掺入显著改善了混凝土的流动性能，当WMP替代率达到15%时，坍落度值增至200-220 mm，坍落类型从"真坍落"转变为"剪切坍落"和"崩塌坍落"。WGP单独使用时对工作性影响有限，但与高含量WMP组合时产生协同效应，进一步提升了流动性能。

密度测试结果显示，WMP和WGP的掺入有效降低了混凝土容重，最大降幅超过16%。28天密度在1679-1798 kg/m3范围内，明显低于对照组(2004.3 kg/m3)。这种密度降低主要归因于WMP的惰性特性减少了水化热，有利于气泡稳定，以及WGP的片状颗粒形态增加了孔隙体积。

力学性能研究表明，随着WMP和WGP替代率的增加，抗压强度呈现下降趋势，但5-10%替代率下的混合物仍能满足ACI 318-19规范对结构应用的最低强度要求(≥17 MPa)。具体而言，28天立方体抗压强度从对照组的31.96 MPa降至5% WMP时的25.22 MPa、10% WMP时的21.84 MPa，以及15% WMP时的16.89 MPa。WGP的掺入在一定程度上补偿了强度损失，这与其含有的活性氧化物(SiO₂、Na₂O、CaO)促进水化硅酸钙(CSH)生成有关。

劈裂抗拉强度测试表明，尽管WMP和WGP的掺入导致强度降低(降幅18-34%)，但PP纤维的增强作用确保了材料仍保持一定的延性和抗裂性能。统计可靠性分析显示，所有测试结果的变异系数处于可接受范围，证实了实验数据的可靠性。

研究的讨论部分深入分析了材料性能变化的机理。WMP作为惰性填料，其替代水泥减少了胶凝材料总量，导致水化产物减少，但同时其细颗粒的填充效应有助于改善微观结构密度。WGP的玻璃质表面与水泥浆体的粘结性能较差，但适量掺入时其溶解的离子可参与二次水化反应，对强度发展产生积极影响。

这项研究的结论部分明确指出了最佳应用方案：WMP作为水泥替代物的最佳掺量为5-10%，WGP作为砂替代物的最佳掺量为15%，而含有5% WMP和5% WGP的组合混合物在强度和重量之间实现了最佳平衡。这些发现为建筑废弃物的高值化利用开辟了新途径，不仅能够减少水泥生产的环境足迹，还能有效消纳大理石和玻璃加工行业产生的大量固体废弃物。

研究人员在文章最后提出了未来工作的重点方向，包括耐久性评价、微观结构表征、混合纤维增强系统的开发以及实际工程应用的验证。这些后续研究将进一步完善这种环保轻质泡沫混凝土的技术体系，推动其在实际工程中的规模化应用。

这项研究的创新之处在于首次系统评估了WMP和WGP在PP纤维增强轻质泡沫混凝土中的协同效应，建立了材料配比与性能之间的定量关系，为开发新一代低碳建材提供了理论依据和实践指导。随着全球对可持续建筑需求的日益增长，这种基于废弃物资源化的技术路线具有广阔的应用前景和重要的环境意义。