赤泥基水泥砂浆的力学性能、热阻和耐久性，掺入粉煤灰、玄武岩纤维和纳米氧化锌

《Sustainability》：Mechanical Performance, Thermal Resistance, and Durability of Red Mud-Based Cement Mortar Incorporating Fly Ash, Basalt Fibers, and Nano Zinc Oxide

　　

摘要：赤泥（RM）是氧化铝精炼过程中产生的高碱性副产品，其大规模堆积带来了显著的环境挑战。本研究系统评估了赤泥基水泥砂浆的力学性能、热阻和耐久性，分别评价了粉煤灰（FA）、玄武岩纤维（BF）和纳米氧化锌（NZO）作为独立改性组分单独引入赤泥基质中的效果。制备了14种砂浆配合比，其中赤泥替代率为10–35%，粉煤灰含量固定为15%，玄武岩纤维掺量为0.5–1.5%，纳米氧化锌掺量为0.5–2.0%。评估了工作性、28天抗压强度和抗折强度、暴露于600°C和800°C后的残余力学性能、抗硫酸盐侵蚀性以及微观结构特征。赤泥含量的增加降低了工作性和力学强度，当赤泥含量为30%时，抗压强度和抗折强度分别降低35.5%和29.0%。粉煤灰通过其球轴承效应和火山灰活性部分补偿了这种损失。最佳玄武岩纤维掺量为1.5%，使抗压强度和抗折强度分别提高14.7%和37.5%，并显著增强了高温下的残余性能。最佳纳米氧化锌掺量为0.5%，使抗压强度和抗折强度分别提高13.2%和18.3%；然而，2.0%的纳米氧化锌导致完全强度损失，这可能与严重的纳米颗粒团聚以及先前研究中报道的含锌反应产物有关。本研究中未通过实验验证特定晶相的形成。抗硫酸盐侵蚀性随赤泥含量增加而恶化，而1.5%玄武岩纤维和1.0%纳米氧化锌分别使质量损失降低58.9%和59.7%。扫描电子显微镜（SEM）证实，RM15+FA15表现出最致密的微观结构，孔隙最少。结果表明，赤泥可作为可持续的水泥替代材料有效利用，而粉煤灰、玄武岩纤维和纳米氧化锌在其各自最佳掺量下均被独立识别为有效的性能增强组分；它们的四元联合应用尚未测试，并作为未来验证的方向提出。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
建筑与建材行业面临减少环境足迹同时提升材料性能与耐久性的双重压力。普通硅酸盐水泥（OPC）生产约占全球CO₂排放的8%，每吨熟料产生约0.9吨CO₂。这促使研究人员寻找辅助胶凝材料（SCM）。赤泥（RM）是拜耳法提取氧化铝过程中产生的高碱性副产品，全球累积堆存量已超50亿吨，年增长约1.8亿吨，但利用率不足15%。赤泥的化学组成以Fe₂O₃、Al₂O₃和SiO₂为主，细颗粒、高碱性和矿物组成使其在胶凝材料中具有潜在应用价值。然而，高碱性、成分波动、高掺量下工作性降低以及长期耐久性问题仍是关键挑战。粉煤灰（FA）作为燃煤电厂副产品，其球形颗粒形态可改善工作性，并通过火山灰反应生成C-S-H凝胶。玄武岩纤维（BF）具有高拉伸强度（2500–4800 MPa）、弹性模量（65–110 GPa）和优异的热稳定性（熔点1450°C），可增强抗裂性和高温残余性能。纳米氧化锌（NZO）作为纳米填料和成核剂，可细化孔结构并加速水化，但过量团聚会导致性能下降。尽管已有大量关于单独使用RM、FA、BF和NZO的研究，但尚无研究系统性地在同一RM基水泥砂浆框架中，在力学、热和耐久性条件下分别评估FA、BF和NZO的独立效果。本研究的创新性即在于此，通过系统单变量评估，为未来多组分优化建立基于证据的基础。

**研究内容与结论**
研究人员制备了14种砂浆配合比，RM替代率为10–35%，FA固定为15%，BF掺量为0.5–1.5%，NZO掺量为0.5–2.0%。通过流动度测试评估新拌工作性，28天抗压和抗折强度评估力学性能，600°C和800°C暴露后残余强度评估热阻，5% Na₂SO₄溶液浸泡28天质量损失评估抗硫酸盐侵蚀性，以及SEM观察微观结构。结论如下：RM可有效部分替代水泥，但降低工作性和强度（30% RM时抗压降35.5%、抗折降29.0%）；FA通过球轴承效应和火山灰反应部分补偿；1.5% BF使抗压和抗折强度分别提升14.7%和37.5%，并显著改善高温残余性能和抗硫酸盐侵蚀（质量损失降低58.9%）；0.5% NZO使抗压和抗折强度分别提升13.2%和18.3%，但2.0% NZO导致完全强度丧失和爆裂剥落；SEM确认RM15+FA15具有最致密微观结构。该研究发表在《Sustainability》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用14种配合比设计，以OPC为基准胶凝材料，RM（来自沙特Ma’aden Aluminum Company）、FA（来自Builmix Company，Al Khobar）、BF（12 mm短切纤维，Globmarble Co.）和NZO（粒径20–100 nm）作为变量。水胶比固定为0.48。测试方法包括：流动度（ASTM C1437）、28天抗压强度（ASTM C109/C109M，50 mm立方体试件）、抗折强度（ASTM C348，100×100×400 mm棱柱体，三点加载）、高温暴露（600°C和800°C，升温速率5°C/min，恒温1小时，依据ISO-834）、抗硫酸盐侵蚀（5% Na₂SO₄溶液浸泡28天，质量损失法）以及SEM微观形貌分析。所有数据采用ANOVA和Tukey HSD进行统计显著性检验。

**研究结果**

**1. 流动度测试**
15% FA（无RM）使流动度从171 mm提升至184 mm（+7.6%），归因于FA的球轴承效应。RM替代率从10%增至20%时，流动度从161 mm降至153 mm；RM替代率从25%增至35%时，从155 mm降至148 mm。BF掺入使RM30流动度从152 mm降至116 mm（1.5% BF），因纤维阻碍颗粒移动。NZO掺入使流动度从152 mm降至120 mm（2.0% NZO），因纳米颗粒高比表面积增加需水量。

**2. 抗压强度**
15% FA使抗压强度从42.32 MPa降至38.1 MPa（-10%）。RM+FA系列中，RM替代率10%、15%、20%时强度分别为35.3、35.2、31.3 MPa，相比对照组降16.5–26.1%。RM单独替代时，25%、30%、35%强度为31.11、27.3、27.85 MPa（降26.5–35.5%），RM35与RM30无显著差异。BF使RM30强度从27.3 MPa提升至31.3 MPa（1.5% BF，+14.7%），但0.5% BF提升不显著。NZO在0.5%和1.0%时分别提升至29.1 MPa（+6.6%）和30.0 MPa（+9.9%），但2.0% NZO导致完全强度丧失，归因于团聚、Zn²⁺抑制水化及非胶凝相形成。

**3. 抗折强度**
15% FA使抗折强度从7.69 MPa降至7.61 MPa（-1%）。RM+FA系列中，RM10–20%使强度从7.25降至6.92 MPa（降5.7–10.0%）。RM单独替代时，25%、30%、35%强度为6.36、5.46、5.48 MPa（降17.3–29.0%），RM35与RM30无显著差异。BF使RM30强度从5.46 MPa提升至7.51 MPa（1.5% BF，+37.5%），效果显著。NZO在0.5%和1.0%时分别提升至6.46 MPa（+18.3%）和6.20 MPa（+13.5%），但2.0% NZO导致强度丧失。

**4. 高温残余力学性能**
**4.4.1 残余抗压强度**：对照组在600°C和800°C残余强度为15.82和13.38 MPa（降62.6%和68.4%）。RM+FA系列在600°C残余强度为11.04–9.26 MPa，800°C为10.14–7.22 MPa。RM单独替代在600°C残余强度较高（RM30为15.35 MPa），归因于Fe₂O₃形成热稳定晶相，但800°C时严重下降（RM30为5.29 MPa）。BF增强RM30在600°C残余强度至21.02 MPa（1.5% BF，+37.0%），800°C为8.68 MPa。NZO使RM30在600°C残余强度降至9.67 MPa（0.5% NZO）和9.17 MPa（1.0% NZO），降幅37–40%，且2.0% NZO组发生爆裂剥落。
**4.4.2 残余抗折强度**：对照组在600°C残余强度2.78 MPa（降63.8%）。RM+FA系列残余强度1.51–1.41 MPa（降79.2–79.6%）。RM单独替代残余强度较高（RM25为2.2 MPa，RM35为2.09 MPa）。BF使RM30在600°C残余强度提升至4.01 MPa（1.5% BF，降46.6%）。NZO使RM30残余强度降至1.82 MPa（0.5% NZO）和1.67 MPa（1.0% NZO），2.0% NZO组爆裂。

**5. 抗硫酸盐侵蚀性**
对照组质量损失1.1%。RM+FA系列损失从1.94%增至3.4%（RM10–20%+FA15）。RM单独替代损失5.04–4.72%（RM25–35%），RM35与RM30无显著差异。BF使RM30损失从5.23%降至2.15%（1.5% BF，-58.9%），且1.5% BF显著优于1.0%和0.5% BF。NZO使损失降至2.91%（0.5% NZO）和2.11%（1.0% NZO，-59.7%），但2.0% NZO组完全崩解。

**6. 微观结构（SEM）**
RM10+FA15：中等致密基质，有球形FA和板状RM颗粒，C-S-H凝胶连续，但存在微孔。RM15+FA15：最致密均匀，较厚C-S-H凝胶层填充孔隙，ITZ致密。RM20+FA15：微观结构不均匀，有未反应RM和FA颗粒，局部孔隙和针状晶相，弱化力学和耐久性。

**总结与讨论**
讨论部分指出，RM、FA、BF和NZO的独立机制共同调控砂浆性能：RM提供高碱性环境激活FA火山灰反应，但过量导致孔隙增大；FA通过球轴承效应和火山灰反应改善工作性和强度；BF通过桥接微裂纹增强抗裂性和高温性能；NZO在低掺量下发挥纳米填料和成核作用，但高掺量团聚和抑制水化。研究结论部分翻译如下：
**结论**：
（1）赤泥（RM）可通过系统单变量评估有效作为部分水泥替代材料，确立了FA、BF和NZO的最佳掺量基线，为未来联合系统验证奠定基础。
（2）RM掺入降低工作性和强度（30% RM时抗压降35.5%、抗折降29.0%）；15% FA通过球轴承效应和火山灰反应部分补偿，但超过20% RM后基质不均匀性导致强度继续下降。
（3）BF最佳掺量1.5%，提供最显著的单变量增强，抗压和抗折强度分别提升14.7%和37.5%，同时改善600–800°C残余强度，并使硫酸盐质量损失降低58.9%。
（4）NZO在低掺量（0.5–1.0%）改善力学和耐久性，而2.0% NZO为临界上限，因团聚和C₃S/C₃A水化抑制导致完全强度丧失和爆裂剥落。
（5）SEM确认RM15+FA15产生最致密均匀的微观结构，支持25% RM、15% FA、1.5% BF的推荐配比，但该四元组合尚未直接测试，需进一步验证。