马铃薯淀粉作为水泥砂浆中的生物基外加剂

《Journal of Environmental Management》：Potato starch as a bio-based admixture in cement mortars

　　

本研究探讨了马铃薯淀粉（一种天然可再生农工业废弃物）作为传统水泥砂浆外加剂的潜力，旨在促进更可持续和高效建筑材料的开发。研究人员配制了五种配合比，保持1:3:0.6（水泥:砂:水）的基准比例，用马铃薯淀粉按质量替代水泥的比例分别为0.25%、0.50%、0.75%和1.00%。根据标准化试验方法，在养护28天后，对试件进行了新鲜状态（稠度、量热法和凝结时间）和硬化状态（抗压强度、吸水率和密度）的表征。此外，还通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）进行了微观结构分析，以了解外加剂在水泥基体中的作用。结果表明，马铃薯淀粉的掺入显著影响了水泥砂浆的性能。在新鲜状态稠度方面，观察到非线性趋势，低掺量（0.25 wt%）时和易性改善，随后随着淀粉含量增加而逐渐降低。该行为归因于淀粉较高的吸水能力，减少了水泥基体中可用于润滑的自由水量。各混合料的吸水率结果未显示出显著差异。在抗压强度方面，基准砂浆（0%马铃薯淀粉）的抗压强度为18.38 MPa。马铃薯淀粉的掺入在0.75 wt%时显著提高了强度，达到28.98 MPa，与基准混合料相比提高了57.7%。超过此掺量后，抗压强度下降，表明存在最佳掺入水平。量热法结果显示了对水泥水化的延迟效应，而XRD分析表明氢氧化钙减少，C–S–H相对增加，表明微观结构细化。SEM观察证实了微观结构的变化，包括在高掺量下钙矾石形成增加和孔隙率升高。总体而言，结果表明，只要采用适当掺量，马铃薯淀粉作为水泥砂浆的可持续外加剂具有相当大的潜力。在所研究的含量中，0.75 wt%表现出最优异的性能。

**论文解读：马铃薯淀粉作为水泥砂浆生物基外加剂的性能研究**

**研究背景与问题**

水泥砂浆是建筑领域广泛使用的材料，但其生产过程（尤其是波特兰水泥熟料制造）消耗大量能源和自然资源，并排放大量二氧化碳。同时，传统外加剂（如减水剂、缓凝剂）多基于石油化工产品，可持续性较差。为应对建筑业对绿色、低碳材料的需求，利用天然可再生资源开发新型生物基外加剂成为研究热点。农工业废弃物（如马铃薯淀粉）因其来源丰富、可再生、低成本，且具有增稠、保水等潜在功能，被视为替代传统化学外加剂的有前景候选。然而，天然（未改性）马铃薯淀粉对波特兰水泥砂浆新鲜状态、水化过程及硬化性能的系统性影响尚缺乏全面研究。现有研究多集中于改性淀粉或石灰砂浆体系，对天然马铃薯淀粉在水泥砂浆中的最佳掺量、作用机制及微观结构演变的认识不足。因此，本研究旨在评估天然马铃薯淀粉作为可持续生物基外加剂的可行性，为开发更高效、环保的建筑材料提供依据。该论文发表在《Journal of Environmental Management》。

**研究目的与主要技术方法**

研究人员为探究马铃薯淀粉对水泥砂浆性能的影响，采用了以下关键技术方法：首先，通过马铃薯皮制备淀粉外加剂（经浸泡、干燥、研磨、过筛获得粉末）；然后，按水泥质量的0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%掺入，制备1:3:0.6（水泥:砂:水）的砂浆试件（圆柱体50×100 mm，每组3个试件）。在新鲜状态，采用流动度台（NBR 13276）测定稠度指数，用维卡仪（NBR 16607）测定初凝和终凝时间，用等温量热仪（I-CAL 2000 HPC）监测水化热释放。在硬化状态（28天养护），按NBR 7215进行抗压强度测试，按NBR 13278和NBR 13280测定吸水率和密度。微观结构方面，利用X射线衍射（XRD，Cu-Kα辐射，扫描速率1.5°(2θ)/min）分析结晶相，利用扫描电子显微镜（SEM，JEOL JSM-6460 LV）观察形貌。所有测试均基于巴西标准，无样本队列来源，主要材料为波特兰水泥CP-II-F和河砂。

**研究结果**

**1. 新鲜状态稠度（一致性）**
通过流动度试验发现，稠度指数随淀粉掺量呈非线性变化。0.25%掺量时稠度指数从基准的210 mm增至215 mm，表明和易性改善，归因于淀粉细颗粒的填充效应和粒径分布优化，降低了内部摩擦。0.50%掺量时稠度回降至基准水平。0.75%和1.00%掺量时稠度分别降至200 mm和190 mm，和易性显著降低，因为高掺量淀粉的高吸水能力减少了自由水，增加了需水量。结论：存在最佳掺量（约0.25%），低掺量改善工作性，高掺量则降低工作性。

**2. 凝结时间**
维卡仪测试表明，初凝时间从基准的190 min延长至1.00%掺量的230 min，终凝时间从350 min延长至405 min。说明淀粉具有缓凝作用，归因于淀粉分子吸附在水泥颗粒表面，阻碍水化反应，延迟钙矾石和C–S–H的形成。

**3. 水化热（等温量热法）**
量热曲线显示，与基准相比，1.00%掺量样品的主放热峰出现延迟，峰值强度降低，表明水化速率减慢且更可控。此外，硫酸盐峰区域发生改变，可能与淀粉与铝酸三钙（C₃A）的相互作用有关。结论：淀粉作为缓凝剂，影响水化动力学，降低早期热释放速率。

**4. 吸水率**
各掺量样品的吸水率在10.35%–10.77%之间波动，无显著差异。基准为10.77%，0.75%掺量略低（10.35%），但未见明显趋势。说明在该掺量范围内，淀粉对砂浆的吸水能力影响不大。

**5. 密度**
硬化密度从基准的1.90 g/cm3增至0.75%掺量的1.96 g/cm3，表明颗粒堆积改善、孔隙减少。1.00%掺量时密度略降（1.93 g/cm3），与抗压强度趋势一致。

**6. 抗压强度（28天）**
抗压强度随淀粉掺量先升后降：基准18.38 MPa，0.25%为23.99 MPa，0.50%为24.17 MPa，0.75%达到峰值28.98 MPa（提高57.7%），1.00%降至20.28 MPa。说明存在最佳掺量0.75%。强度提升归因于：细颗粒的填充效应、孔径细化、水化产物（C–S–H）增加、以及少量氯化钾（KCl）的增强作用。高掺量时强度下降是因为基质异质性增加、孔隙率上升。

**7. XRD分析**
XRD图谱显示，随着淀粉掺量增加，氢氧化钙（Ca(OH)₂，即波特兰石）的衍射峰强度降低，而C–S–H的峰略有增强，表明淀粉促进了波特兰石的消耗和C–S–H的形成，有利于强度。此外，所有样品均检测到石英（来自砂）、钙矾石（AFt）和KCl（仅含淀粉样品）。KCl来源于马铃薯中营养元素，可填充孔隙、轻微加速早期水化。结论：淀粉通过改变水化产物组成（减少波特兰石、增加C–S–H）并引入KCl，优化了微观结构。

**8. SEM观察**
SEM图像显示：基准样品基质致密；0.25%掺量时可见针状钙矾石晶体，水化产物丰富；0.50%掺量时孔隙率增加；0.75%掺量时钙矾石结构更明显，但局部孔隙增多，整体强度仍因水化产物优化而提升；1.00%掺量时出现更多孔隙和不致密区域，表明过量淀粉导致基质松散。结论：淀粉掺量影响钙矾石形态和基质密实度，高掺量增加孔隙率，低掺量则促进钙矾石生长且不显著破坏密实性。

**总结与讨论**

研究人员综合讨论了新鲜状态、水化、力学及微观结构结果，指出淀粉对水泥砂浆的影响是多重机制的叠加：低掺量时，填充效应和粒径优化改善工作性，同时淀粉作为缓凝剂调节水化过程，促进C–S–H形成并减少波特兰石，从而提升强度；高掺量时，淀粉的高吸水性和增加的孔隙率成为主导因素，导致强度下降。吸水率基本不变，意味着淀粉未显著改变毛细孔结构。该研究证实了马铃薯淀粉在适宜掺量（0.75 wt%）下作为可持续外加剂的可行性，可在不显著影响吸水率的前提下显著提高抗压强度，并为替代传统化学外加剂提供新思路。未来研究需关注水灰比调整、更宽掺量范围、长期力学演变及耐久性。

**研究结论翻译**

结果表明，马铃薯淀粉作为水泥砂浆的生物基外加剂具有潜力，影响新鲜和硬化性能。观察到工作性的非线性行为：低掺量时初始改善，高掺量时降低，这与需水量增加和保水行为变化有关。吸水率几乎保持不变，表明在该研究条件下，马铃薯淀粉的掺入未显著改变这一物理性能。抗压强度结果显示，在0.75%最佳掺量时强度大幅提升，随后降低，表明存在最佳掺入水平。量热法证实了淀粉对水化动力学的缓凝效应，而XRD分析显示波特兰石衍射峰强度变化及水化产物改变，表明C–S–H发展可能发生变化，同时检测到KCl等次要化合物。SEM观察显示，随着外加剂掺量增加，孔隙率和钙矾石形成逐渐增加，尤其在高掺量时。总体而言，马铃薯淀粉作为微观结构改性剂，在最佳掺量下增强力学性能，同时改变水化动力学和基质组织。然而，在高掺量时，与孔隙率增加和基质异质性相关的负面效应变得主导，导致性能下降。这些发现强调了使用马铃薯淀粉作为生物基外加剂的技术可行性和可持续性潜力，代表了一种有前景的替代传统化学外加剂的方案。未来研究应聚焦于评估水灰比调整的影响、研究更宽掺量范围，并评估长期力学演变和耐久性相关性能。