利用磁化水的烧制和未烧制陶瓷废粉制备耐久可持续混凝土

《Sustainability》：Burnt and Unburnt Ceramic Waste Powder with Magnetized Water for Durable and Sustainable Concrete

　　

将陶瓷废粉（CWP）作为辅助胶凝材料与磁化水（MW）作为拌合水联合使用，代表了在保持力学性能和耐久性的同时减少水泥消耗以生产可持续混凝土的一种有前景的策略。然而，烧制陶瓷废粉（BCWP）和未烧制陶瓷废粉（UBCWP）与MW的协同效应，特别是在侵蚀性环境条件下的表现，尚未得到充分研究。本研究评估了BCWP和UBCWP作为普通硅酸盐水泥（OPC）的部分替代物（替代水平为10%、20%和30%质量比），并结合常规自来水（TW）和利用双场磁化装置（0.9 T和1.5 T）产生的MW的影响。研究人员通过7天、28天和120天的抗压强度测试；28天和120天的间接拉伸和抗弯强度测试；120天MgSO₄浸泡后的抗硫酸盐侵蚀性；200 °C热暴露后的残余强度；以及利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）进行的微观结构表征，对总共14种混凝土配合比进行了研究。结果表明，增加CWP替代水平会逐步降低混凝土的力学性能；然而，MW通过促进水泥水化并形成更致密的水化产物基体，始终能缓解这些强度降低。含有20% BCWP和MW的配合比在120天时的抗压强度与TW对照组相当，这表明在不影响结构性能的前提下可以减少水泥用量。此外，MW配合比的耐久性显著提高，在硫酸盐侵蚀后抗压强度损失仅为16–28%，而TW配合比损失高达42%；在热暴露后强度损失为1–13%，而TW配合比损失高达53%。SEM和XRD分析证实，在MW-CWP混凝土中形成了更致密的微观结构，并增强了C–S–H凝胶的生成。总体而言，研究结果表明，陶瓷废粉与磁化水的协同组合为生产可持续混凝土提供了一种有效策略，该混凝土具有增强的长期力学性能、在侵蚀性环境条件下改善的耐久性以及降低的环境影响。

**研究背景与问题**
传统混凝土生产依赖大量水泥，而水泥工业贡献了全球约7–8%的人为二氧化碳排放。同时，陶瓷工业每年产生大量废粉（约3–7%的产出成为废料），通常被填埋处理，造成环境负担。利用陶瓷废粉（CWP）作为辅助胶凝材料部分替代水泥，可减少水泥消耗和碳排放，但CWP的替代会稀释水泥熟料，导致混凝土强度下降。磁化水（MW）已被证明能改善水泥水化，提高混凝土力学性能。然而，烧制陶瓷废粉（BCWP）与未烧制陶瓷废粉（UBCWP）结合MW的协同效应，特别是在多种侵蚀性环境（高温、硫酸盐侵蚀）下的表现，尚未被系统研究。因此，本研究旨在探究BCWP和UBCWP与MW联合使用对混凝土力学性能、耐久性和微观结构的影响，为开发低水泥、高性能可持续混凝土提供科学依据。论文发表在《Sustainability》。

**主要关键技术方法**
研究人员从埃及Al-Amir陶瓷厂获取两种CWP：UBCWP（烧制前收集）和BCWP（烧制后收集）。使用双场磁化装置（0.9 T和1.5 T，150次循环）制备MW。共设计14种混凝土配合比，以OPC为基准，分别用UBCWP或BCWP替代10%、20%、30%水泥，并分别使用TW和MW拌合。所有配合比固定水灰比0.40，水泥用量400 kg/m3，并添加5%硅灰（质量比）和0.8%超塑化剂。试样在标准条件下养护至7、28、120天，部分试样在120天时暴露于200 °C高温或浸泡于50 g/L MgSO₄溶液120天。力学测试包括抗压、间接拉伸和抗弯强度；微观结构表征采用SEM、EDS和XRD。

**研究结果**
**3.1 抗压强度行为**
- **3.1.1 拌合水类型的影响**：随着CWP替代水平从0%增至30%，所有配合比的抗压强度逐渐降低。但10% BCWP替代（M4）的28天和120天强度（58.11 MPa和65.75 MPa）接近对照组（M0，68.23 MPa）。BCWP优于UBCWP，因热活化提高了火山灰活性。MW配合比（M7，0% CWP）在120天时强度达77.25 MPa，比TW对照组高13.2%。M12（20% BCWP + MW）在120天时强度为65.17 MPa，接近TW对照组，表明20%水泥替代可被MW补偿，实现结构性能与减碳的平衡。
- **3.1.2 200 °C热暴露的影响**：TW配合比在200 °C后强度损失20–53%，其中30% BCWP（M6）损失高达52.5%。MW配合比损失仅1–13%，M12（20% BCWP + MW）仅损失1.18%，表明MW形成的致密微观结构提高了热稳定性。
- **3.1.3 硫酸盐侵蚀的影响**：TW配合比在120天MgSO₄浸泡后强度损失26–42%，M6（30% BCWP）损失42.32%。MW配合比损失仅16–28%，M12（20% BCWP + MW）损失16.11%，归因于MW致密化降低了硫酸根离子渗透。

**3.2 间接拉伸强度**
趋势与抗压强度一致。10% BCWP（M4）在TW中的拉伸强度略低于对照组，但MW配合比（M7）在120天时达4.23 MPa，比TW对照组高4.7%。MW配合比在热暴露后损失7.9–11.3%，而TW损失19.6–23.6%。硫酸盐侵蚀后，MW配合比损失9.7–13.0%，TW损失7.8–15.6%。

**3.3 抗弯强度**
MW配合比（M7）在120天时抗弯强度达13.08 MPa，比TW对照组高11.4%。在200 °C下，MW配合比损失20.3–31.0%，TW损失22.5–27.8%。硫酸盐侵蚀后，MW配合比损失0.3–3.9%，TW损失2.9–10.6%，M12（20% BCWP + MW）仅损失0.3%。

**3.4 微观结构结果**
- **SEM**：M0（TW）显示多孔基体，含可见Ca(OH)₂晶体；M3（30% UBCWP）基体松散，ITZ薄弱；M6（30% BCWP）通过火山灰反应形成二次C–S–H，改善基体；M7（MW）形成超致密C–S–H网络；M13（30% BCWP + MW）表现出最高致密性和聚合物化C–S–H。热暴露后，M6出现严重开裂和脱水，M13保持完整。硫酸盐侵蚀后，M6形成大量膨胀性钙矾石，M13中钙矾石极少。
- **EDS**：Ca/Si比值与力学性能相关。M7（MW）Ca/Si比值最低（0.738），对应最高强度；M3（UBCWP）Ca/Si比值最高（2.359），对应最弱强度。热暴露后，M6 Ca/Si升至2.896，M13仅升至1.674。硫酸盐侵蚀后，M6 Ca/Si升至2.765，M13为2.209，表明MW-CWP组合的抗脱钙能力。
- **XRD**：对照组以石英和白云石为主。热暴露后，M13转变为以石英为主的耐热骨架（80%），而M6出现碳酸盐相分解。硫酸盐侵蚀后，M6保留Ca(OH)₂促进钙矾石生成，M13以铁白云石为主，不含Ca(OH)₂，降解路径为渐进淋滤而非膨胀结晶。

**3.5 力学性能与微观结构及可持续性效益的关联**
SEM、EDS和XRD结果一致证实，MW诱导的致密化和火山灰反应协同补偿了水泥替代引起的强度损失，并提高了耐久性。M12（20% BCWP + MW）在减少20%水泥的同时，120天强度接近TW对照组，兼具环境、经济和技术可持续性。

**结论**
本研究通过实验测量，评估了使用10–30% CWP（烧制和未烧制）与MW拌合的混凝土在7、28和120天时的力学性能（抗压、拉伸和抗弯强度），以及120天硫酸盐浸泡和200 °C持续加热后的耐久性，并结合SEM、EDS和XRD进行微观结构表征。结论基于实验测得的力学、耐久性和微观结构性能，并得到SEM、EDS和XRD分析的证实，而磁化水的直接物理化学表征不在本研究范围内。据此，得出以下结论：
- CWP替代从0%增加到30%会逐步降低所有力学强度；但10% BCWP替代可保持抗压强度接近对照组。
- BCWP始终优于UBCWP，因为热处理显著增加了无定形二氧化硅含量，从而提高了火山灰反应活性和长期力学性能。
- 磁化水始终改善所有龄期的力学性能，MW对照组在120天时的抗压强度比自来水高13.2%。
- M12（20% BCWP + 磁化水）在120天时达到65.17 MPa，几乎与自来水对照组强度相同，尽管水泥用量减少了20%。
- 自来水配合比在200 °C时损失20–53%的抗压强度，而磁化水配合比仅损失1–13%，归因于其更致密的微观结构。
- MW配合比在120天MgSO₄浸泡后仅损失16–28%的抗压强度，显著低于自来水配合比（损失高达42%）。
- 20% CWP替代是力学强度和耐久性之间的最佳平衡点；超过30%时，混凝土基体在微观结构和化学上变得脆弱。
- SEM显示，磁化水配合比具有更致密、更均匀的基体，而XRD表明CWP–MW混凝土组合中二次C–S–H凝胶生成增加。
- 间接拉伸和抗弯强度反映了抗压强度趋势，MW–BCWP配合比在硫酸盐侵蚀下拉伸损失为9.7–13.0%，抗弯损失为0.3–3.9%。
- 陶瓷废粉与磁化水的联合使用减少了填埋场负担，减少了20%的水泥用量，并生产出耐久混凝土，同时显著改善了环境、经济和技术可持续性。