玉米壳灰（CHA）作为可持续辅助胶凝材料在砂浆、混凝土及土体稳定化中的应用：系统文献综述

《Infrastructures》：The Application of BIM and Digital Twins in Sustainable Supply Chain Management: A Systematic Literature Review

　　

建筑业对传统水泥的高度依赖凸显了对可持续辅助胶凝材料（supplementary cementitious materials, SCMs）的需求。本综述整合了关于玉米壳灰（corn husk ash, CHA）——一种农业废弃物——的现有研究，基于相关标准评估其在砂浆、混凝土和土体稳定化中的物理、化学、微观结构及性能特征。尽管玉米壳资源丰富，但关于CHA作为SCM的研究仍然有限。对同行评议数据的综合分析表明，CHA的平均比重为2.24，孔隙体积为0.08 cc/g，Brunauer–Emmett–Teller（BET）比表面积为365.46 m²/g。主要发现表明，在0–20 wt.%的替代水平下，经56天养护，CHA可提升砂浆和混凝土的力学性能。然而，该综述也强调了一个重要挑战：随着替代水平提高，和易性降低，这可归因于CHA的高比表面积。在土体稳定化方面，土体砖的总吸水量随CHA掺量的增加而逐渐降低，含20 wt.% CHA的土体砖吸水系数最低，为2.65 g/(cm²·min^0.5)，而参照组为46.35 g/(cm²·min^0.5)；同时其抗压强度最高（5.311 MPa），抗磨性最高（1.823 cm²/g），而参照组分别为4.177 MPa和0.407 cm²/g。根据美国环境保护署（Environmental Protection Agency, EPA）和联合国的可持续发展目标，本综述提出应通过隐含碳评估使用CHA的环境影响，以确定CHA是仅能承载荷载，还是也能承担气候责任。

1. 引言（Introduction）
为实现1.5°C温控目标和2050年前碳中和，建筑业将降低CO₂排放作为优先事项。水泥需求预计到2050年增长50%，全球水泥制造约占全球CO₂排放量的8%。全球水泥与混凝土协会（GCCA）提出多项政策，其中首要政策是推广辅助胶凝材料（SCMs）部分替代水泥。本综述即针对该政策，系统考察玉米壳灰（CHA）在建筑中的应用。

2. 农业废弃物的定义、类型与可得性（Agro-Waste Definition, Types and Availability）
农业废弃物是农业生产和加工的副产物，包括作物、动物和食品加工废料，全球年产生量约9.98亿吨。玉米壳等作物废弃物因富含硅质成分和火山灰特性，可作为SCM。不当处置会造成空气、土壤和水污染，导致生物多样性丧失和生态系统失衡。

3. 综述方法（Review Methodology）
采用PRISMA 2020方法，在Google Scholar、ResearchGate和Scopus中检索，通过布尔逻辑算符组合关键词。纳入标准包括同行评议期刊论文、会议论文和技术标准；未发表文献、专利、社论等被排除。纳入研究的文献基于标题、摘要、方法、结果和结论进行评估。

4. 玉米（Corn）
玉米（Zea mays）是全球最重要的谷物之一，2023年产量在主要谷物中最高。美洲和中国是主要产区。玉米有六种类型；预计到2050年，发展中国家玉米需求将翻倍，玉米壳等副产物也将相应增加。

4.1 玉米壳（Corn Husk）
玉米壳是包裹玉米穗的叶状外壳，属于木质纤维素材料，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。玉米壳丰富、廉价且可生物降解，但常被焚烧或填埋，造成污染和资源浪费。

4.2 玉米壳灰（Corn Husk Ash）
玉米壳经煅烧后得到CHA。多数研究采用650–700°C煅烧3–4小时为最优工艺。温度过低会导致烧失量高和残余碳含量高，温度过高则可能生成结晶态二氧化硅，降低火山灰活性。典型生产工艺包括清理、干燥、煅烧和筛分。

4.2.1 物理性质（Physical Properties of Corn Husk Ash）
CHA的颗粒密度显著低于普通波特兰水泥，平均比重为2.24，孔隙体积为0.08 cc/g，BET比表面积为365.46 m²/g。高比表面积可增加水化成核位点，有利于早期强度发展，但也会增加需水量，降低工作性。低密度和低比重使其适用于轻质绿色混凝土。

4.2.2 XRD与FTIR（XRD and FTIR of Corn Husk Ash）
XRD分析显示，CHA在28°–30°（2θ）之间存在玻璃态弥散峰，表明含有大量无定形二氧化硅，同时存在方镁石、石英和钾盐等结晶相。CHA的结晶度指数约为31%，即以无定形为主，符合高无定形含量天然火山灰的要求。FTIR光谱在1100 cm^?1附近出现Si–O键的强吸收带，在668和717 cm^?1处有Si–O–Si振动峰，在1040、1075和1162 cm^?1处有O–Si–O弯曲振动峰，证实了二氧化硅网络的存在；约3350 cm^?1处对应吸附水。

4.2.3 氧化物组成与微观结构（Oxide Composition and Microstructure of Corn Husk Ash）
CHA以SiO₂和Al₂O₃为主，同时含Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O、SO₃和烧失量（LOI）。不同研究的氧化物组成差异较大，主要源于原料来源、燃烧方式和分析方法不同。若SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃≥70%且LOI≤10%，CHA可满足ASTM C618对N类天然火山灰的化学要求。SEM显示CHA颗粒具有不规则、棱角分明和多孔玻璃态形貌，表明其表面活性较高；SEM-EDX显示硅元素分布均匀。CHA的高无定形硅含量和细颗粒形貌共同促进了火山灰反应。

4.2.4 在砂浆中的应用（Use of CHA in Mortar）
在0–25%替代水平下，CHA会降低砂浆工作性；25%替代时需额外增加22%水，坍落度损失21%，原因是CHA比表面积较大。但在20%替代、56天养护时，砂浆干密度为1908.84 kg/m³，抗压强度为38.32 MPa，超声波脉冲速度为4.38 km/s，较对照组分别提高约7.4%、18%和43.1%；抗折强度也高于对照组。普通CHA和高硅CHA（HSCHA）相比，HSCHA在10%替代时各龄期抗压强度均优于普通CHA。

4.2.5 在混凝土中的应用（Use of CHA in Concrete）
混凝土路面块试验表明，吸水率随CHA掺量增加而上升，从对照的5.16%升至25%替代时的9.44%。密度随养护龄期和替代率增加而下降。在3天和56天时，5%替代率的抗压强度分别达到3.50和5.8 MPa，高于对照组。掺入椰子纤维后，20%CHA+0.50%纤维的混凝土在90天和180天时抗压强度为48 MPa，抗拉强度为5.3 MPa，较基准混凝土提高约34.8%和60%。早期强度因水泥稀释和火山灰反应缓慢而降低，但后期强度可显著改善；CHA还能保护纤维免受水泥水化产物的侵蚀，提升扭转性能。

4.2.6 在土体砖中的应用（Use of CHA in Soil Bricks）
采用0–20%CHA稳定土体砖，添加10%CHA时最优含水率最高，5%时最大干密度最高。随着CHA掺量增加，液限和塑性指数下降，表明土体膨胀和收缩潜力降低。15%和20%CHA掺量下，抗压强度和抗磨性显著提高，例如20%掺量时抗压强度为5.311 MPa，抗磨性为1.823 cm²/g，分别较参照土砖（4.177 MPa和0.407 cm²/g）提高约27%和347.9%；吸水系数最低为2.65 g/(cm²·min^0.5)，而参照土砖为46.35 g/(cm²·min^0.5)。因此，20%以内CHA稳定土砖可适用于承重墙。

5. 结论（Conclusions）
现有文献表明，尽管玉米壳资源丰富，但CHA作为SCM的研究仍有限。尼日利亚、土耳其、埃塞俄比亚、美国、哥伦比亚、加纳和印度是主要研究国家。CHA的应用有助于减少废弃物并促进可持续管理。煅烧温度显著影响CHA质量；多数CHA在SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃≥70%且LOI≤10%时，可归为中等氧化钙含量的N类火山灰。在砂浆和混凝土中，0–20%替代水平经较长养护期可改善力学性能；在土体稳定中，20%以内CHA可提高强度和抗磨性并降低吸水率。

未来研究建议（Recommendation for Future Studies）
未来研究应优化CHA生产工艺，包括低能耗控温煅烧、余气再利用和热化学处理；采用电子背散射衍射（EBSD）和原子探针断层扫描（APT）等先进表征技术；将CHA纳入循环经济与废弃物资源化系统；评估隐含碳和经济可行性（包括运输、加工成本和激励政策）；研究冻融、硫酸盐侵蚀、氯离子侵入和碱-硅反应等耐久性；并探索CHA与其他废弃物的协同配比及人工智能辅助优化。