玉米穗壳灰（CHA）作为人工辅助胶凝材料：理化特性、微观结构及在砂浆/混凝土与土壤稳定中的性能综述

《Infrastructures》：Corn Husk Ash as an Artificial Supplementary Cementitious Material: A Review

　　

建筑行业对传统水泥的高度依赖凸显了对可持续辅助胶凝材料（SCMs）的需求。本综述综合了当前关于玉米穗壳灰（CHA）——一种农业基废弃物——的研究，依据相关标准评价其在砂浆、混凝土和土壤稳定化中的物理、化学、微观结构和性能特征。尽管玉米穗壳资源丰富，但将CHA用作SCMs的研究仍有限。对同行评议数据的综合表明，CHA的平均比重为2.24，孔体积为0.08 cc/g，Brunauer–Emmett–Teller（BET）比表面积为365.46 m²/g。关键结果表明，在养护56 d后，0–20 wt.%的替代水平下CHA可改善砂浆和混凝土的力学性能。然而，本综述强调了一个重要挑战：随着替代水平提高，工作性降低，这可能归因于CHA的高比表面积。在土壤稳定化方面，土壤块的总吸水量随CHA含量增加而逐渐降低，含20 wt.% CHA的土壤块吸水系数最低，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，为5.311 MPa，耐磨性为1.823 cm²/g，而参照组分别为4.177 MPa和0.407 cm²/g。与美国环境保护署（EPA）和联合国可持续发展目标一致，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是否仅能承担荷载，还是也能承担气候责任。

1. Introduction（引言）
建筑行业因水泥制造而成为温室气体（GHG）的重要排放源，实现1.5 °C目标与2050年碳中和使降低二氧化碳（CO₂）排放成为优先事项。基础设施需求增长，尤其在新兴市场和发展中经济体（EMDEs），预计将继续推高水泥需求。全球水泥与混凝土协会（GCCA）将推广辅助胶凝材料（SCMs）列为首要政策方向之一，本综述据此聚焦CHA作为SCMs在建筑中的应用。

2. Agro-Waste Definition, Types and Availability（农业废弃物的定义、类型与可获得性）
农业废弃物是农业生产和加工副产物，数量大且可降解。作物类农业废弃物包括玉米穗壳、稻壳、稻秆、椰壳、棉秆、高粱秆、菠萝叶、麦秆、蒜、麻、豆荚、马铃薯皮和甘蔗渣等。此类废弃物因高二氧化硅含量和火山灰性质而受到关注，部分也被用作细/粗骨料或土基材料增强体。若管理不当，露天堆放、焚烧或过量施用会造成空气、土壤和水体污染，并导致生物多样性损失与生态失衡。

3. Review Methodology（综述方法）
综述采用PRISMA 2020流程，以Google Scholar、ResearchGate和Scopus为主要检索源，并用Scopus补充结构化文献元数据与受控索引。检索使用布尔逻辑“AND”和“OR”，主要检索词涉及玉米穗壳、玉米穗壳灰、辅助胶凝材料或水泥替代、混凝土、砂浆、力学性能及土壤稳定化。纳入英文同行评议期刊论文、会议论文和技术标准，排除未发表成果、专利、社论、非同行评议笔记以及信息不清或不可比的研究；筛选重点为玉米穗壳废弃物产生、加工方法、材料性能、胶凝体系、新拌与力学性能及土壤改良。

4. Corn（玉米）
玉米（Zea mays）属禾本科（Poaceae），原产于中美洲，现为全球重要谷物，除南极洲外各大洲均有种植。综述指出玉米产量高且增长快，美国和巴西、中国等为主要生产国；非洲大陆亦将玉米作为重要谷物。玉米常见类型包括flint、dent、flour、pop、pod和sweet corn。随着发展中国家需求增加，玉米穗壳等副产物数量也可能增加。

4.1. Corn Husk (CH)（玉米穗壳）
玉米穗壳是玉米穗生长过程中的叶状外包壳，属木质纤维素材料，丰富、廉价且可生物降解。燃烧或填埋是常见处置方式，但会造成污染和资源浪费。玉米穗壳约占植株质量的14%。玉米穗壳与玉米叶外观相似但生长位置不同：穗壳包被玉米穗，叶片从玉米茎两侧长出。其主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，纤维素微纤丝束被半纤维素和木质素包围。

4.2. Corn Husk Ash (CHA)（玉米穗壳灰）
CHA由玉米穗壳煅烧制得。综述归纳的适宜煅烧条件多集中在650–700 °C和3–4 h；温度过低（<400 °C）难以完全氧化有机物，导致烧失量（LOI）高、残余碳多，进而损害工作性和强度；温度过高（≥800 °C）可能引起烧结和晶化，降低反应性。典型生产过程包括收集清理、风干或烘干、煅烧和筛分，以降低能耗并减少污染物。

4.2.1. Physical Properties of Corn Husk Ash（玉米穗壳灰的物理性能）
CHA的堆积密度显著低于普通硅酸盐水泥（CPC），平均比重为2.24，约为CPC的约四分之三；孔体积为0.08，BET比表面积为365.46 m²/g，另有Blaine法测得的561 m²/kg。其BET值高于稻壳灰（RHA）和甘蔗渣灰（SBA）等农业废弃物灰。较低堆积密度和比重有利于轻质绿色砂浆/混凝土，而高比表面积可增加成核位点、促进水化，但也会提高需水量并影响工作性。

4.2.2. XRD and FTIR of Corn Husk Ash（玉米穗壳灰的XRD和FTIR）
X射线衍射（XRD）用于识别晶相，傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于判别键型和官能团。CHA与高硅玉米穗壳灰（HSCHA）在28°–30° 2θ出现玻璃晕，并含无定形二氧化硅以及方镁石、石英和钾盐等晶相峰。CHA平均晶粒尺寸为44.48 nm、结晶度指数为31%，主要呈非晶态（69%），处于高非晶Class N天然火山灰的有效范围。FTIR显示约1100 cm^-1的Si–O对称伸缩、668和717 cm^-1的Si–O–Si、1040、1075和1162 cm^-1的O–Si–O弯曲以及约3350 cm^-1的吸收水，强Si–O–Si网络指示其热稳定性较好。

4.2.3. Oxide Composition and Microstructure of Corn Husk Ash（玉米穗壳灰的氧化物组成与微观结构）
CHA以SiO₂和Al₂O₃为主，Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O、SO₃和LOI变异较大，原因涉及原料来源、燃烧方式与时间及分析方法。土壤、气候和热加工条件会影响SiO₂含量、LOI及非晶相比例；高LOI反映碳含量高，可能降低SCMs效率并增加需水。扫描电子显微镜（SEM）显示CHA颗粒表面扁平粗糙、棱角尖锐、形状不规则且呈玻璃质多孔结构；能谱（EDX）显示硅分布均匀。若SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃≥70%且LOI≤10%，可满足ASTM C618中Class N天然火山灰化学要求；部分CHA未达标。K₂O可能与施肥有关，并影响碱含量和孔溶液化学。

4.2.4. Use of CHA in Mortar（CHA在砂浆中的应用）
在0–25 wt.%替代普通水泥的砂浆中，CHA会降低工作性，25%替代时需水量增加约22%、坍落度损失约21%，主要归因于高比表面积；可通过优化加工、降低替代率和使用聚羧酸减水剂改善。20 wt.% CHA砂浆在56 d的干密度为1908.84 kg/m³、抗压强度为38.32 MPa、超声波脉冲速度（UPV）为4.38 km/s，较对照分别提高约7.4%、18%和43.1%；20%和25% CHA的抗折强度较对照分别提高14.59%和8.47%。UPV在20%掺量达峰值，归因于火山灰反应、界面过渡区（ITZ）细化和水滑石（Ht）析出。另一研究中，常规玉米穗壳灰（RCA）和高硅玉米穗壳灰（HSCA）以1–10%替代时，HSCA在7 d为对照强度的96%，56 d与对照接近，而RCA较低；10 wt.% HSCA在各龄期均优于RCA。

4.2.5. Use of CHA in Concrete（CHA在混凝土中的应用）
CHA用于混凝土路缘石时，吸水率随CHA掺量增加而由对照的5.16%升至25%替代时的9.44%，说明低密度本身不能保证抗渗性，孔尺寸、连通性、压实和养护同样重要。联锁铺装石密度随龄期和替代率变化，抗压强度在5%替代时最佳，3 d和56 d分别为3.50和5.8 MPa，高于对照的3.3和4.9 MPa。椰纤维（CF）增强CHA混凝土中，28 d素混凝土强度较高，CHA早期强度降低与胶凝组分稀释、火山灰反应较慢和C-S-H生成延迟有关；后期≥28 d可继续水化并生成二次C-S-H、细化孔结构。90 d和180 d时，20% CHA+0.50% CF混凝土抗压强度达48 MPa、抗拉强度达5.3 MPa，较对照35.6 MPa和3.3 MPa分别提高约34.8%和60%；扭转强度主要来自纤维，CHA可能通过保护纤维免受基体水化产物破坏而发挥作用。30%及以上替代常因稀释效应和高需水导致强度下降。

4.2.6. Use of CHA in Soil Bricks（CHA在土壤砖中的应用）
CHA用于0–20%稳定土块时，5% CHA对应最高最大干密度，10% CHA对应最高最优含水率；随CHA增加，液限和塑性指数下降，因黏土颗粒减少而降低胀缩性。15%和20% CHA土块的耐磨性指标分别为0.816和1.823 cm²/g，抗压强度分别为4.917和5.311 MPa，较参照的0.407 cm²/g和4.177 MPa显著提高；20% CHA土块吸水系数最低，为2.65 g/(cm²·min^0.5)。结果支持CHA掺量至20%的稳定土块可作为承重墙建筑材料。

5. Conclusions（结论）
综述指出，CHA作为SCMs的研究仍有限，但尼日利亚、土耳其、埃塞俄比亚、美国、哥伦比亚、加纳和印度等已有较多探索，重点涉及工作性、力学性能和部分耐久性。CHA利用有助于缓解农业废弃物处置问题并促进可持续废物管理。燃烧温度是关键：低温导致高LOI、未燃碳和工作性/强度不利，高温导致晶化并降低反应性。多数CHA的SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃超过70%，CaO约4–12%，LOI不超过10%，可大致归为中等CaO的Class N火山灰。砂浆在20 wt.% CHA、56 d时性能提高；混凝土在0≤20%且较长龄期时力学性能改善但工作性下降，30%以上强度可能下降；土壤块在20 wt.%以内可提高强度和耐磨性并降低吸水。

Recommendation for Future Studies（未来研究建议）
未来应优化CHA生产工艺，发展低能耗受控燃烧、尾气燃料化利用和热化学处理以提高火山灰反应性并降低环境影响的方案。微观结构表征可引入电子背散射衍射（EBSD）和原子探针层析（APT）等技术，以获取晶向、相分布和原子尺度成分信息。还应将CHA利用纳入循环经济与资源回收体系，开展隐含碳、成本效益和生命周期评价，并研究冻融、硫酸盐侵蚀、氯离子侵入和碱–硅酸反应等耐久性。多废弃物协同CHA体系和人工智能（AI）辅助优化亦有助于推动其可持续规模化应用。