《Results in Materials》：Agricultural waste-derived additives for high-performance cement: A novel approach using bagasse pulp and rice husk ash
编辑推荐：
农业废弃物（如稻壳与甘蔗蔗渣浆）常被作为废弃物丢弃，但其对于推动可持续建筑材料的发展具有尚未开发的潜力。本研究提出了一种利用这些丰富副产物的新方法，将漂白蔗渣浆（BBed Bagasse Pulp, BBP）和稻壳灰（Rice Husk Ash, RHA）掺入
农业废弃物（如稻壳与甘蔗蔗渣浆）常被作为废弃物丢弃，但其对于推动可持续建筑材料的发展具有尚未开发的潜力。本研究提出了一种利用这些丰富副产物的新方法，将漂白蔗渣浆（BBed Bagasse Pulp, BBP）和稻壳灰（Rice Husk Ash, RHA）掺入水泥基复合材料中。这种创新性混合材料不仅解决了环境问题，还显著提升了胶凝材料的性能。实验结果表明，当在水泥砂浆中添加8%漂白蔗渣浆和20%稻壳灰时，水化程度显著提高了59%。力学性能亦获得大幅提升，抗压强度和抗折强度分别提高了13%和19%。此外，漂白蔗渣浆的掺入使弯曲破坏时的挠度显著增加了49%至222%，表明材料的延性和韧性得到改善。一项全面的生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）进一步证实了该方法的环境效益：当使用20%稻壳灰作为部分水泥替代材料时，环境影响降低了11%-19%。通过同时证明性能提升和环境足迹的减少，这些发现凸显了基于农业残留的复合材料作为高性能、环境友好型现代土木工程应用替代方案的重要性。本研究加强了农业废弃物管理与可持续基础设施发展之间的联系，将此类复合材料定位为实现更绿色施工实践的可行途径。
随着全球基础设施建设规模的快速扩张，水泥需求持续增长，由此带来的碳排放及其环境影响日益受到关注。据美国地质调查局（USGS）数据，2020年全球硅酸盐水泥（Portland Cement, PC）产量激增至41亿吨，每生产1吨水泥约产生0.97吨CO?。为应对水泥生产中的碳减排挑战，利用工农业副产品作为燃料和原材料替代品的策略备受关注。在植物纤维增强水泥基复合材料的研究中，甘蔗蔗渣纤维因其环境可持续性和成本效益而具有潜力，但将其直接掺入水泥基体面临着碱性侵蚀问题：水泥孔隙溶液中的OH?和Ca2?离子会导致植物纤维中的半纤维素和木质素分解。为此，研究人员提出通过化学处理和漂白去除植物纤维中的无定形部分（即木质素和半纤维素），从而获得几乎纯化的纤维素（漂白纤维素浆），以降低其对碱的敏感性。
另一方面，稻壳灰作为一种富含无定形二氧化硅的农业副产品，其火山灰活性已得到广泛研究。然而，现有文献大多将纤维素基纤维和稻壳灰等火山灰材料单独研究，对于化学改性纤维的系统配比优化以及与火山灰材料的协同作用缺乏整合性研究。为填补这一空白，本研究系统探究了漂白蔗渣浆（一种具有更高纯度和稳定性的化学改性纤维素纤维）与稻壳灰在水泥基复合材料中的协同掺入效应。
本研究的方法体系涵盖水化动力学评价、力学性能测试和环境影响评估三个层面。样本队列来源于伊朗伊斯法罕科技大学（Isfahan University of Technology, IUT）土木工程系实验室制备的标准水泥砂浆试件，包括不同配比组合的漂白蔗渣浆（0%、4%、8%）和稻壳灰（0%、5%、10%、15%、20%）掺量设计。水化程度采用热重分析/微分热重分析（TGA/DTG）测定化学结合水含量，力学性能依据ASTM C109和ASTM C348标准测试抗压强度和抗折强度，韧性按日本土木工程师学会JSCE-SF4标准计算，生命周期评价采用Impact 2002+方法学，功能单元为1立方米混凝土。
**抗压强度**
研究人员首先评估了稻壳灰和漂白蔗渣浆单独掺入时的影响。稻壳灰掺量在5%、10%、15%时，抗压强度较对照组分别提高约3%、9%和22%，15%掺量达到最优；但20%掺量时强度下降13%，归因于水泥稀释效应和过高表面需水量导致的密实度不足。相比之下，漂白蔗渣浆的掺入导致抗压强度显著降低，4%和8%掺量分别下降23%和63%，这源于纤维的非胶凝性质引入的应力集中和界面缺陷。然而，在复合掺入体系中，稻壳灰可部分补偿蔗渣浆的负面效应：对于4%蔗渣浆基体，5%-20%稻壳灰带来3%-19%的强度恢复；对于8%蔗渣浆基体，相应恢复幅度为2%-13%。三维回归模型显示，复合体系呈现强度与韧性的平衡特性。
**抗折强度与最大挠度**
稻壳灰对弯曲性能的优化掺量为10%，此时强度提升25%，但挠度改善有限（0.7%）。漂白蔗渣浆则表现出卓越的增韧效果：4%和8%掺量使抗折强度分别提高23%和39%，破坏挠度分别激增48%和222%，这归因于纤维的高长径比（≈75）带来的裂纹桥接和应力重分布作用。在复合体系中，8%蔗渣浆与10%稻壳灰组合实现了66%的最大抗折强度增幅，达到最优协同效应。挠度-荷载曲线表明，蔗渣浆主导变形行为，而稻壳灰增强结构完整性，使复合材料在断裂前能承受更高荷载。
**韧性**
基于荷载-挠度曲线的积分计算，含4%和8%漂白蔗渣浆的砂浆韧性分别较对照组提高100%和400%。稻壳灰的掺入通过降低基体碱度，保护了纤维素纤维的完整性，进一步优化了其力学贡献。
**水化程度**
热重分析揭示了各组分对水化的差异化作用机制。稻壳灰通过火山灰反应消耗氢氧化钙（Ca(OH)?），10%、15%、20%掺量分别使Ca(OH)?相关失重减少14%、27%和29%，化学结合水相应增加7%、26%和42%。漂白蔗渣浆则通过内部养护和短程扩散机制促进水化，4%和8%掺量使水化程度分别提高12%和27%，Ca(OH)?含量增加2%和12%。在复合体系中，8%蔗渣浆与20%稻壳灰组合实现了约98%的水化度，较对照组提升59%，展现出纤维保水与火山灰反应的协同增效。
**生命周期评价**
以1立方米混凝土为功能单元，基于从摇篮到工厂大门的系统边界，20%稻壳灰替代水泥使人健康、生态系统质量、气候变化和资源消耗指标分别降低约15%、12%、18.5%和11.5%。然而，8%蔗渣浆的掺入因漂白工艺的化学输入和能耗，导致人健康、生态系统质量和资源指标分别恶化59%、32%和13%，仅气候变化指标改善2%。水泥仍是环境影响的主导因素（>75%），砂、水和减水剂等组分贡献小于5%。
**讨论**
研究人员综合分析了双添加剂体系的协同机制。稻壳灰的火山灰活性通过生成额外水化硅酸钙（C-S-H）凝胶实现基体致密化，而漂白蔗渣浆的纤维桥联和能量耗散作用改善了脆性本质。两者的结合使复合材料在承载能力与变形能力之间取得平衡。值得注意的是，抗压强度和抗折强度的最优稻壳灰掺量存在差异（15% vs 10%），后者受纤维-基体界面过渡区（ITZ）质量调控，过高掺量消耗过多氢氧化钙会削弱界面粘结。
关于环境影响，稻壳灰展现出作为可持续火山灰材料的竞争力，而蔗渣浆的负面效应提示需优化漂白工艺或探索替代处理方法。该双添加剂策略特别适用于农业废弃物丰富且处置压力大的地区，如印度、中国、伊朗和东南亚等稻米主产国的农村建设、抗震结构和生态预制构件领域。未来规模化应用需关注材料加工一致性、长期耐久性（硫酸盐侵蚀、碱-骨料反应、氯离子渗透、冻融循环）以及供应链物流标准化。
**研究结论**
本研究的主要结论如下：（1）掺入15%稻壳灰使抗压强度提高22%，掺入10%稻壳灰使抗折强度提高25%；（2）4%和8%漂白蔗渣浆分别使破坏挠度增加48%和222%，8%蔗渣浆与10%稻壳灰组合实现抗折强度最大增幅66%；（3）8%蔗渣浆与20%稻壳灰组合使水化程度提升59%，达到约98%的水化度；（4）20%稻壳灰使环境影响指标降低11%-18.5%，而8%蔗渣浆因漂白工艺导致多数环境指标恶化，仅气候变化指标略改善2%。该研究为农业废弃物在高性能水泥中的价值化利用提供了科学依据和方法论基础，发表于《Results in Materials》。
