结合花岗岩粉末和ZnO微粒的多功能砂浆：机械强度、光催化和抗菌活性的协同方法

《Catalysis Today》：Multifunctional Mortars Incorporating Granite Powder and ZnO Microparticles: Synergistic Approach to Mechanical Strength, Photocatalytic and Antimicrobial Activity

　　

石材切割行业产生的废物积累构成了重大的环境挑战，而建筑行业由于对自然资源的密集开采对环境产生负面影响。在此背景下，整合这两方面的需求代表了一种可持续的解决方案，促进了土木建筑和能源效率的负责任方法。此外，纳米技术为开发结合机械、光催化和抗菌性能的多功能材料提供了途径。本研究调查了可持续砂浆，其中掺入花岗岩粉末作为天然砂的部分替代品，减少了天然骨料消耗并促进了工业副产品的再利用。此外，氧化锌微粒(ZnO-MPs)被用作功能添加剂。制备并评估了含有15%和30%花岗岩粉末以及0.33% ZnO-MPs的砂浆混合物。光催化能力通过亚甲基蓝降解进行评估，抗菌活性通过灭活金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)进行评估。结果表明，用30%花岗岩粉末替代砂并掺入0.33% ZnO-MPs，由于ZnO-MPs提供的微结构致密化和孔隙体积减少，抗压强度提高了33%。这些增强有助于提高耐久性和降低维护成本。GP–ZnO-MP复合材料在太阳照射下实现了95%的染料降解，并表现出抗菌性能。总体而言，结果证明了将矿物废料和ZnO颗粒结合以生产具有结构、光催化和卫生功能的生态高效砂浆的协同潜力，符合可持续和循环建筑原则。这种创新材料在水和废水处理方面显示出未来应用的潜力。

**论文解读**

**研究背景与问题**

石材切割工业每年产生大量花岗岩粉末（GP）废料，其不当堆积造成土壤和水体污染，构成严峻环境挑战。与此同时，建筑行业过度开采天然砂石等不可再生资源，导致生态破坏和能源浪费。这两个问题相互交织，亟需创新解决方案。传统砂浆仅具备结构承载功能，缺乏自清洁、抗菌等附加性能。纳米技术为开发多功能材料提供了可能，其中氧化锌（ZnO）因其宽带隙（约3.2 eV）和优异的光催化活性被广泛研究，但纳米ZnO成本较高，而ZnO微粒（ZnO-MPs）在保持抗菌和光催化效果的同时更具经济性。此外，花岗岩粉末中含有Fe₂O₃、TiO₂等氧化物，也具备一定的光催化潜力。然而，将花岗岩粉末与ZnO-MPs协同应用于砂浆，并系统评估其力学、光催化和抗菌性能的研究尚属空白。为此，本研究旨在开发一种集机械强度、光催化降解和抗菌功能于一体的生态高效砂浆，推动循环建筑和可持续发展。该论文发表在《Catalysis Today》。

**关键技术方法**

研究人员采用的主要技术方法包括：1）ZnO-MPs的化学沉淀合成（以ZnSO₄·7H₂O和NaOH为原料），通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征其晶相和形貌；2）将巴西Andorinha灰色花岗岩粉碎并筛分，利用X射线荧光（XRF）、XRD、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）分析其化学组成、矿物相和光学带隙；3）按ASTM标准制备四种砂浆配合比（REF、GP-15、GP-30、GP-30|ZnO-MP），水灰比0.535，在7、28、56天龄期进行抗压强度、抗弯强度、吸水率和孔隙率测试，并用SEM观察微观结构；4）光催化实验分粉末和砂浆两个阶段，粉末在UV照射下降解亚甲基蓝（MB），砂浆在自然太阳光下进行，通过分光光度法监测MB浓度变化；5）抗菌实验采用金黄色葡萄球菌（S. aureus）悬液与砂浆试样接触24小时，测量600 nm光密度（OD₆₀₀）评估细菌活性。

**研究结果**

**3.1 ZnO-MPs的表征**
XRD图谱显示ZnO-MPs为纯纤锌矿（wurtzite）结构（JCPDS 36-1451），Scherrer法计算平均晶粒尺寸为37.76 nm。SEM图像表明粒子呈六角棒状，长度约1 μm，并伴有少量亚微米级颗粒，形态与纤锌矿结晶一致。

**3.2 花岗岩粉末和砂的表征**
XRF显示两者均以Si为主，花岗岩粉末中Fe、K、Ca、Al含量更高。XRD确认花岗岩粉末主要含石英（SiO₂）和钠长石（NaAlSi₃O₈），另有少量钾长石和闪石。UV-Vis光谱分析表明，花岗岩粉末在可见光区（约560–574 nm）有吸收，间接带隙约2.0 eV，直接带隙3.07–3.31 eV，且较小粒径（G200）带隙略高。FTIR光谱显示典型Si-O-Si、Al-OH等振动峰，证实矿物组成。

**3.3 砂浆试验**
新鲜砂浆的稠度：GP-15、GP-30和GP-30|ZnO-MP的稠度（分别为21.6 cm、21.4 cm、20.9 cm）均低于REF（23.9 cm），归因于花岗岩粉末吸水率较高。28天孔隙率：GP-30|ZnO-MP的孔隙率比REF低18.81%，而GP-15和GP-30分别增加1.63%和3.95%，表明ZnO-MPs促进了水化产物的生成，致密化微观结构。抗压强度：7天时，GP-30|ZnO-MP比REF高27.30%（p<0.05）；28天时，GP-15、GP-30和GP-30|ZnO-MP分别比REF高6.26%、11.30%和33.25%（后者p<0.05）；56天时趋势一致。抗弯强度：7天和28天时，含花岗岩粉末的砂浆抗弯强度略有下降，但56天时所有配比均与REF无显著差异。SEM图像显示REF砂浆中存在较多孔隙和针状钙矾石晶体，而GP-30|ZnO-MP砂浆表面分散有ZnO棒状颗粒，孔隙更少，基体更致密，证实了力学性能的改善。

**3.4 光催化活性**
**3.4.1 花岗岩粉末和砂的光催化**
在UV照射下，花岗岩粉末对MB的降解率随粒径减小而升高：200目（G200）降解58.51%，50目（G50）降解42.86%，而砂的降解率最高仅为39.40%（砂200目）。吸附阶段（前120分钟）G200吸附25.88%，砂200目吸附18.70%。结果表明花岗岩粉末具有比砂更强的光催化活性，归因于其氧化物成分和较大的比表面积。

**3.4.2 砂浆的光催化活性**
在太阳光照射下，360分钟后MB降解率：REF为90.69%，GP-15为98.78%，GP-30为98.19%，GP-30|ZnO-MP为98.78%。所有含花岗岩粉末的砂浆降解率均显著高于REF（p<0.05），且GP-30|ZnO-MP在300分钟前降解速率更快。光解（无试样）对照显示降解率较低。这证实了花岗岩粉末和ZnO-MPs协同增强了光催化效率，且太阳光即可有效驱动反应。

**3.4.3 砂浆的抗菌活性**
24小时接触后，GP-15和GP-30|ZnO-MP试样对应的菌悬液OD₆₀₀显著低于REF（p<0.05），表明其抗菌活性增强。GP-30虽也降低OD值，但未达统计显著。抗菌效果归因于光催化产生的活性氧（ROS）破坏细菌细胞膜。

**讨论与结论**

讨论部分指出，ZnO-MPs作为成核位点促进了水化硅酸钙（C-S-H）的生成，降低孔隙率并细化孔结构，从而提升力学强度。花岗岩粉末的微填充效应和潜在二次火山灰活性也贡献了强度增长。光催化方面，花岗岩粉末中的Fe、Ti氧化物在可见光区有吸收，与ZnO-MPs的紫外吸收互补，拓宽了光响应范围，使砂浆在太阳光下高效降解有机物。抗菌活性与光催化产生的ROS密切相关，ZnO-MPs的加入增强了该效应。虽然仅含花岗岩粉末的砂浆（GP-30）抗菌效果不显著，但结合ZnO-MPs后显著改善。整体上，该研究验证了花岗岩废料与ZnO微粒的协同作用，为开发兼具结构、自清洁和卫生功能的多功能建材提供了可行路径，减少了天然资源消耗和废弃物环境污染，符合循环经济理念。

**研究结论翻译**
本研究表明，用高达30%的花岗岩粉末部分替代天然砂，并掺入0.33%的氧化锌微粒（ZnO-MPs），可制备出具有优异机械和功能性能的砂浆，同时促进饰面石材加工产生的矿物残渣的增值利用。花岗岩细颗粒与ZnO-MPs的协同作用导致更致密的微观结构和增强的水化动力学，使抗压强度相比参考砂浆提高了33%。微观结构分析证实，ZnO-MPs有效充当成核位点，降低了孔隙连通性并细化了水泥基体。这种细化不仅改善了机械完整性，还赋予了显著的光催化和抗菌功能，使这些砂浆成为多功能建筑材料的候选者。单独的花岗岩残渣在更细的颗粒部分表现出相关光催化活性，在UV照射下对亚甲基蓝的降解率达62%。当与ZnO-MPs结合时，光催化效率显著提高，在太阳光下达到98.78%的脱色率，证明了该复合材料在自清洁和污染缓解应用中的潜力。此外，含ZnO的砂浆对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）显示出抗菌活性，暗示了其在卫生和医疗导向建筑中的潜在用途。总体而言，这项工作通过将力学增强与光催化和抗菌功能耦合，同时利用废物衍生资源降低能耗，推动了多功能和生态高效水泥基材料的发展。研究结果支持向碳意识、循环和促进健康的建筑实践更广泛过渡，在这种实践中，材料不仅支撑结构，还主动改善环境质量和城市韧性。