玄武岩粉稳定环保压缩土块：力学、热学与环境性能综合评估及15 wt%优化配比

《Next Materials》：Eco-friendly compressed earth blocks stabilized with basalt powder: Mechanical, thermal and environmental assessment

　　

（原文未提供独立摘要，以下依据文首 highlights 作专业摘要式翻译）玄武岩粉可可持续地增强压缩土块（compressed earth blocks, CEBs）的性能；15 wt%玄武岩粉提供最优的力学与热学性能；玄武岩粉降低孔隙率并改善CEBs的微观结构致密化；随玄武岩掺入，导热系数降低而热惯性提高；含15 wt%玄武岩的CEB在强度与低碳足迹（low carbon footprint）之间取得最佳平衡。

研究背景：建筑和建造部门消耗全球约32%的能源并贡献约34%的CO₂排放；2023年建筑部门排放约占能源系统总输出的三分之一，其中运营排放占26%、建材生产相关隐含排放占7%。2015年以来建筑排放年均增长约1%，全球建筑面积增长持续快于能效改善；人口快速增长提高了住房需求和建材成本，并加剧了住房不足问题。因此，改善建筑材料性能不仅需满足功能与舒适要求，还需融入能效提升和碳足迹降低等可持续标准。土材是最古老且广泛使用的建筑材料之一，约33%的世界人口居住在土建筑中，发展中国家该比例超过50%；土材具有优异的热湿性能，可自然调节室内温湿度。压缩土块（compressed earth blocks, CEBs）通过手工或机械压实在潮湿土壤中成型，较传统土坯具有技术进步性；与烧结砖不同，CEBs无需高温窑炉，因而显著降低隐含能量和碳足迹，其生产排放约为22 kg CO₂/t，而烧结黏土砖约为200 kg、蒸压加气混凝土砌块可达375 kg，且CEBs在服役结束后可回收。然而，CEBs在力学强度、水敏感性和耐久性方面仍存在限制。既有稳定途径包括农业残余、天然纤维、工业副产物、地聚物/碱激发胶凝材料及火山材料等；其中火山材料可在低水泥或无水泥条件下稳定CEBs。玄武岩虽已在砂浆、混凝土和地聚物体系中广泛研究，但尚未作为CEBs稳定剂进行评估；且既有研究多沿单一性能轴评价，稳定化CEBs的力学—热学—环境联合行为仍缺乏考察。因此，研究人员以原始未加工玄武岩粉（basalt powder, BP）作为CEBs的独立矿物稳定剂，在0–20%掺量范围内开展研究，并在单一掺量框架内联合评估力学、热学与环境性能，以识别三者平衡下的最优组成；该工作基于前期仅从热学角度研究0%、5%、10%土—玄武岩体系的成果，并将评估扩展至15%和20%，力学与环境表征为跨全部五个组成的新分析。研究得出15 wt% BP在干燥实验条件下提供最优综合性能：干抗压强度达5.43 MPa（较参照提高36.8%），孔隙率降至22.08%，导热系数为0.66 W·m^?1·K^?1，原料基准隐含碳（embodied carbon, Ec）为0.0022 kg CO₂-eq，较水泥稳定参照降低83%，碳效率比（carbon efficiency ratio, CER）为4.05×10^?4 kg CO₂-eq/MPa。其意义在于表明BP是有前景的CEBs矿物添加剂，但实际建筑应用前仍需评估吸水、湿强、抗侵蚀、干湿与风化行为、长期尺寸稳定性和耐久性。

方法概括（≤250字）：土壤取自摩洛哥马拉喀什地区Tahannaout（约城市西南35 km），经2 mm筛分并于105 °C干燥；玄武岩取自马拉喀什地区，经机械破碎和研磨成粉。采用岩土指标、激光粒度、X射线荧光（X-ray fluorescence, XRF）、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）和傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）表征原料；设置0、5、10、15、20 wt% BP配比，在最优含水率（optimum moisture content, OMC）12%下以14 MPa单轴压制成型。干抗压采用Instron 3396试验机；热性能按ISO 22007-2用瞬态平面热源（transient plane source, TPS）Hot Disk TPS 1500测定；动态热性能按ISO 13786以四极传递矩阵法模拟0–1 m墙厚；并以原料清单排放因子计算Ec和CER。

3. Results and discussion（结果与讨论）：通过干密度、孔隙率和干抗压强度测试得出，BP掺入使表观密度由2.038 g/cm³增至20% BP的2.073 g/cm³（约1.7%），归因于玄武岩颗粒较高比重及其填充效应；孔隙率由23.26%降至15% BP的22.08%（降低5%），干抗压强度由3.97 MPa增至15% BP的5.43 MPa（提高36.8%），表明基体致密化和应力传递改善；超过15%后，20% BP的孔隙率回升至22.33%，抗压强度降至3.49 MPa（较最优值降低35.7%），与过量细颗粒扰乱颗粒排列、促进局部团聚并降低颗粒接触和应力传递效率有关。

3.1. Thermal properties（热性能）：通过TPS测定热性能得出，导热系数随BP增加由0.76 W·m^?1·K^?1降至20% BP的0.64 W·m^?1·K^?1（降低15.8%）；该降低不能仅归因于孔隙率，因为0–15% BP间孔隙率下降而导热系数亦下降，表明低导热固相替代是主导因素，实测BP导热系数为0.34 W·m^?1·K^?1；超过15%后孔隙率回升，空气填充孔进一步增加热阻贡献。比热容由489.30 J·kg^?1·K^?1增至20% BP的541.68 J·kg^?1·K^?1，表明储热能力增强；热扩散率由0.76 mm²/s降至0.56 mm²/s（降低26.3%），BP自身热扩散率为0.37 mm²/s；热effusivity由870.55 J·m^?2·K^?1·s^?1/2降至847.73 J·m^?2·K^?1·s^?1/2（降低约2.6%），其中0–5% BP间略有上升至871.33 J·m^?2·K^?1·s^?1/2；由于导热系数下降幅度超过比热容增加的影响，整体effusivity降低，指示表面快速热交换能力下降并有助于提高热惯性。

3.2. Dynamic thermal properties（动态热性能）：通过按ISO 13786开展周期热模拟并采用四极传递矩阵法得出，阻尼因子随墙厚增加而降低，BP掺入进一步降低阻尼因子，有利于延迟传热并维持更稳定的室内温度；内表面热容量（interior surface heat capacity, C_i）随墙厚快速增加并在约30 cm处达最大值，之后略降并趋近极限，BP含量在各配方间仅引起轻微变化；热阻（thermal resistance, R_t）随墙厚单调增加，BP含量因导热系数降低而略提高R_t，但墙厚仍是控制R_t的主导参数。

3.3. Simplified embodied carbon analysis（简化隐含碳分析）：通过仅纳入土壤、BP和水三种原料的简化Ec分析得出，CEB-BP15的Ec为0.0022 kg CO₂-eq，而以等质量普通硅酸盐水泥（ordinary portland cement, OPC）替代BP的参照混合物Ec为0.013 kg CO₂-eq，CEB-BP15相对水泥稳定参照降低83%；该差异主要源于OPC因熟料生产能耗和石灰石/黏土高温煅烧而具有更高排放因子。以Ec与干抗压强度之比计算CER，CEB-BP15的CER为4.05×10^?4 kg CO₂-eq/MPa，表明在显著降低Ec的同时未牺牲力学性能，并与抗压强度提高形成协同。

讨论部分总结：讨论将密度提高归于BP较高比重和填充效应，将孔隙率降低归于颗粒堆积改善；将20% BP时性能回退归于过量细颗粒团聚破坏最优颗粒排列和应力传递；将导热系数降低解释为15% BP前低导热固相替代主导、15%后空气孔隙效应增强，并将effusivity降低主要归因于导热系数下降超过比热容增加；动态热分析表明墙厚主导热阻与内表面热容量，BP仅提供有限但一致的热性能改善；环境评价为原料基准比较指标，排除干燥、混合、压实、养护、运输和设备运行等过程。总体而言，15% BP在所考察干燥实验条件下于力学、热学与环境性能之间最平衡。

研究结论翻译：本研究考察了0%–20%玄武岩粉作为压缩土块独立矿物稳定剂的掺入，并联合评估其物理、力学、热学与环境性能。主要发现为：BP掺入改善颗粒堆积，提高表观密度并在≤15% BP时降低孔隙率；干抗压强度在15% BP时达到最大值5.43 MPa（较参照提高36.8%），更高掺量因过量细颗粒团聚破坏最优颗粒堆积而下降；导热系数随BP增加连续降低，20% BP时降低15.8%，热扩散率和effusivity亦降低，而比热容增加，表明储热能力提高；动态热分析进一步显示BP掺入后温度响应更平缓，提示传热延迟和材料内热波动降低；环境方面，CEB-BP15相较15%水泥稳定配方实现83%的隐含碳降低。总体而言，15%玄武岩粉在所考察干燥实验室条件下于力学、热学与环境性能之间提供最平衡的性能。结果表明BP是CEBs有前景的矿物添加剂；然而，在确定其实际建筑适用性前，仍需进一步评估吸水、湿强、抗侵蚀、干湿与风化行为，以及长期尺寸稳定性和耐久性。