煅烧香蕉叶灰与竹叶灰替代普通波特兰水泥的力学性能与微观结构研究

《Scientific Reports》：Valorization of banana and bamboo leaf ash for sustainable binders with strength, microstructure

　　

摘要

水泥行业是二氧化碳的主要排放源之一，凸显了对普通波特兰水泥进行可持续替代的迫切需求。与此同时，香蕉生物质和竹叶等农业废弃物在很大程度上未被利用，造成了环境负担。虽然辅助胶凝材料（SCM）有助于实现低碳建筑，但其传统来源正在减少，而农业废弃物粘结剂的研究仍然不足，特别是在火山灰活性、煅烧要求和水泥性能方面。本研究通过将煅烧香蕉和竹叶灰转化为环保型SCM来填补这些空白，推动循环资源利用和可持续粘结剂的发展。实验用香蕉叶灰（BALA）和竹叶灰（BLA）部分替代普通波特兰水泥，替代水平分别为5%、10%、15%和20%。对所得砂浆混合物进行了系统的力学性能和微观结构特性评估。结果表明，5% BLA达到了最高的抗压强度（14天为63.33 MPa，28天为79.35 MPa），而较高比例的BLA和所有BALA替代水平均降低了强度，其中20% BALA表现最差（分别为45.40 MPa和61.17 MPa），从而确认5% BLA为最佳可持续水泥替代水平。这表明在当前实验条件下，综合考虑抗压强度和微观结构致密化效果时，5% BLA为最佳替代水平。然而，15% BLA最小化了吸水率，说明力学强度与抗水渗透性能之间存在权衡关系。微观结构分析通过更高的硅酸三钙消耗、增强的二次C-S-H形成以及改善的热稳定性，证实了BLA具有更高的火山灰活性，而BALA的反应则较慢且较弱。过量替代（≥20%）导致熟料稀释、碳化加剧和基体致密性下降，凸显了对灰分用量进行精确控制的必要性。