秸秆灰辅助胶凝材料作为可持续混凝土的前景：制备、性能及相应机理的全面综述

《Structures》：Straw ash SCM as a prospect of sustainable concrete: A holistic review on preparation, performance and corresponding mechanisms

　　

摘要稻草灰已被确认为一种丰富、低成本的农业副产品，作为辅助胶凝材料 (SCM) 具有日益增长的潜力，然而其性能仍然高度依赖于制备条件及相应的微观结构响应。本综述建立了一个整体框架，包括稻草灰制备、理化特性、反应机理、微观结构演变、工程性能、结构影响和环境效益。目前的研究表明，在 600～700 °C 下煅烧通常能生产出总 SiO2 含量高于 70% 的稻草灰，而在 1～15% 的替代水平和约 60～75% 的总 SiO2 含量下，识别出了更显著的火山灰活性指数。随着养护的一致性，填充效应和火山灰反应变得更加明显，促进 C-S-H 的生成、孔隙细化和界面过渡区 (ITZ) 的致密化，从而改善了掺入稻草灰混凝土的后期强度和耐久性。在致密基质中，掺稻草灰的 UHPC 混合物可实现超过 150 MPa 的抗压强度，而与硅灰或纳米材料的协同使用可进一步改善颗粒堆积和反应性。在结构层面，稻草灰可以通过孔隙细化和界面致密化增强抵抗有害介质传输的能力，并帮助延迟钢筋腐蚀。然而，过量的替代可能会削弱钢 - 混凝土粘结，且单独的稻草灰颗粒无法提供裂缝桥接或开裂后应力传递。此外，评估了掺入稻草灰的环境效益，并强调在实际应用中平衡能耗、成本和结构性能的必要性，以促进大规模应用。最后，确定了潜在的研究方向，包括纳米改性、协同混合料设计和低能耗处理路线。

引言由于混凝土作为建筑材料的广泛应用，其关键成分波特兰水泥制造的环境成本已成为日益关注的问题，因为它被归类为高碳密集型产业，每年占全球 CO2 排放量的约 8% [1], [2]。作为现代文明发展基石的水泥工业，也因其固有的高能耗操作和巨大的碳排放特征，引发了严重的能源危机和环境问题。为了应对这些挑战，建筑业正在积极探索更广泛的可持续建筑战略，包括利用工业副产品或农业废物衍生的辅助胶凝材料 (SCMs) 作为混凝土中波特兰水泥的部分替代品，从而在保持或增强性能的同时减少环境影响 [3], [4], [5], [6], [7]。SCMs 主要通过物理填充效应、化学火山灰效应和稀释效应在胶凝系统中发挥作用。填充效应主要体现在细 SCM 颗粒改善颗粒堆积并为熟料相的水化产物提供额外的成核位点的能力 [8]。火山灰效应是指 SCM 中的非晶态 SiO2 与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应，形成 C-S-H 凝胶 [9]。当水泥被惰性材料部分替代时，会发生稀释效应，这相对增加了有效水/熟料比，导致微观结构不够致密 [10]。

在各种 SCM 中，粉煤灰、粒化高炉矿渣和硅灰等工业副产品已被广泛研究和利用 [11], [12], [13]。然而，这些材料的可用性因地区而异，许多发达地区面临供应不足的问题。另一方面，农业残留物，特别是植物燃烧产生的生物质灰，作为丰富但未被充分开发的火山灰或胶凝材料，越来越引起人们的关注 [14], [15]。这些残留物，如稻壳灰、甘蔗渣灰、小麦秸秆灰 (WSA) 和玉米秸秆灰 (CSA)，主要来源于作物秸秆 [4], [16], [17]。主要粮食生产国的作物秸秆产量可以使用收获指数来估算。收获指数定义为作物经济产量与总生物产量的比率 [18], [19], [20]。Sileshi 等人 [21] 通过 2015–2020 年联合国粮食及农业组织统计数据库的数据开发了一个有机物数据库。估算的玉米、小麦、水稻和大麦的年度地上部残留物分别约为 1.278、1.251、1.110 和 0.176 Gt，全球总计约 3.815 Gt。残留物的分布在不同大陆间差异显著，玉米残留物主要集中在美洲，水稻残留物在亚洲，小麦残留物在亚洲和欧洲，大麦残留物主要在欧洲。2023 年，中国、美国、印度和巴西的估算秸秆产量分别为 6.3 亿、4.5 亿、3.4 亿和 2.2 亿吨。图 1 比较了全球秸秆产量，并展示了中国秸秆生产的省级分布 [22], [23], [24]。如此大量的作物秸秆通常通过露天焚烧处理，这不仅造成严重的空气污染，也忽视了其可回收潜力。传统的工业副产品 SCM，如煤粉煤灰和高炉矿渣，源自化石燃料。相比之下，由农业残留物燃烧产生的生物质灰可以被视为可再生胶凝材料，因为其来源生物质是可再生的。此外，生物质能源回收通常被认为是碳中和的，因为燃烧过程中释放的 CO2 大致相当于植物生长过程中通过光合作用吸收的 CO2 [25]。源自秸秆的生物质灰通常富含非晶态 SiO2，这促成了其显著的火山灰活性，作为可持续胶凝材料展现出广阔的前景 [26]。

在各种生物质灰中，稻草灰（由燃烧小麦、水稻、玉米和大麦等作物的地上部秸秆获得）最近作为一种有前景的 SCM 脱颖而出。其利用能够促进农业废物增值并减轻环境负担（例如通过减少露天焚烧和处置排放），同时缓解混凝土中高碳水泥的应用，从而减少 CO2 排放、能耗和成本。然而，这些效益应通过整个生产和利用链进行量化，而不是仅从原料的可再生来源推断。因此，生命周期评估 (LCA) 对于确定废物减量、能源回收和水泥替代的益处是否超过灰分生产和加工的环境影响至关重要。Butt 等人 [27] 评估了使用稻草灰作为 SCM 替代水泥的环境效益，发现加工 1 吨稻草可产生约 120 公斤灰分和 684 千瓦时电力，导致约 15 公斤 CO2-eq 的净减少；Shang 等人 [28] 对 CSA 进行了 LCA，并报告称其掺入可以减少材料的全生命周期环境影响，其中热解是主要的环境负担，其次是研磨。这些发现表明，稻草灰的环境效益不仅取决于替代的水泥量，还取决于其制备过程的能源需求和效率。因此，将稻草灰作为 SCM 进行评估，需要将其全生命周期环境性能与其理化性质、火山灰反应性以及对混凝土性能的影响联系起来。一些研究已经调查了稻草灰的理化性质、火山灰反应性及其对混凝土工作性、机械强度和耐久性的影响。然而，由于秸秆类型、燃烧程序、制备方法和替代比例多样，其对混凝土性能的影响可能差异显著。因此，需要系统综合制备、灰分特性、混凝土性能和环境效益之间的关系。

稻草灰及相关生物质灰作为 SCM 的研究已取得重大进展。例如，Adhikary 等人 [29] 系统回顾了农业秸秆和稻壳生物质灰在混凝土中的应用，涵盖了其制备特性、火山灰活性以及对混凝土性能的影响。他们指出 10–20% 通常是合适的水泥替代水平，从而为农业生物质灰的资源利用提供了重要参考。Ahmad 等人 [30] 回顾了 WSA，并总结了其理化性质以及对混凝土工作性、机械强度和耐久性的影响。他们也确定了 10～20% 为最佳剂量范围。此外，实验研究调查了稻草灰与纤维（如椰壳纤维）的联合使用，以减轻单一混合物导致的脆性增加 [31]。尽管之前的研究为稻草灰及相关生物质灰在混凝土中的应用奠定了重要基础，但仍存在几个研究空白。首先，大多数研究强调宏观性能，对于煅烧和研磨过程、灰分特性与混凝土性能之间的内在相关性和控制机理阐述不足。其次，稻草灰在超高性能混凝土 (UHPC) 等致密基质中的作用仍未得到充分探索，其与其他胶凝材料的协同相互作用也未完全理解。第三，关于稻草灰混凝土结构行为的研究仍然有限，特别是关于钢 - 混凝土粘结性能、腐蚀保护、裂缝发展、破坏模式和长期现场性能。最后，缺乏对预处理能耗、全生命周期碳减排潜力、实际应用中经济可行性的综合评估，阻碍了从实验室发现向标准化工程应用的转变。

在混凝土中，材料性能和结构行为密切相关，因为材料尺度的特性为结构性能和工程应用提供了重要基础。基于这一视角和上述研究空白，本综述在低碳结构材料的背景下考察稻草灰混凝土。与其仅仅将稻草灰视为水泥替代品并评估孤立的性能指标，它更关注制备条件如何影响稻草灰的反应性及其对混凝土微观结构的影响。它进一步解释了这些影响如何反映在混凝土的工程性能和结构适用性上。具体而言，本综述讨论了在不同条件下制备的稻草灰的理化性质和火山灰反应性。它还分析了其对孔隙结构、界面过渡区 (ITZ)、氯离子传输、钢筋抗腐蚀性、钢 - 混凝土粘结行为、破坏模式、UHPC 和混合 SCM 系统的影响。总体而言，本综述旨在阐明在低碳混凝土结构中可靠应用稻草灰混凝土所需解决的关键科学问题和实际工程挑战。

章节片段

稻草灰的来源与制备工艺
作物秸秆，作为小麦、水稻和玉米等作物收获期间产生的茎叶主要农业残留物 (图 1)，通常通过粉碎还田、堆肥和生物质发电来处理 [32], [33]。在能源回收过程中，秸秆燃烧会产生大量灰分。填埋此类灰分副产品不仅消耗土地资源，还存在环境风险。因此，将稻草灰作为 SCM 用于混凝土中提供了...

稻草灰对混凝土工程性能的影响及其机理
将稻草灰作为辅助胶凝材料掺入，通过物理和化学机理影响混凝土的新拌和硬化性能。从物理方面来看，它作为细填充剂，改变了水泥浆体的颗粒堆积和流变性。化学方面，其火山灰反应性促进额外的 C-S-H 和其他水化产物的形成，从而细化微观结构并增强长期性能。以下小标题...

稻草灰混凝土的结构行为
除了基本的力学性能外，结构层面的性能对于可持续胶凝或复合材料在工程应用中也至关重要。关于稻草灰混凝土的相关研究考察了钢筋粘结行为、钢筋腐蚀保护和与韧性相关的破坏模式 [144]。Zhang 等人 [145] 专注于钢筋与稻草灰混凝土之间的粘结行为，证明随着灰分含量的增加，粘结强度下降。这种削弱...

环境效益
稻草灰通过农业废物回收和利用为混凝土生产提供了一条低碳且具成本效益的途径，这需要一套综合系统来量化和评估这种做法的环境和经济效益。来自生命周期评估等工具的结果表明，在混凝土制造中引入稻草灰具有显著的碳抵消作用。例如，含有 10% 酸洗灰分的砂浆排放量减少了约 2419 公斤 CO2 (结论与展望

结论与展望
本综述系统考察了稻草灰作为 SCM 在混凝土中应用的研究进展，包括其制造程序、理化性质、水泥替代的潜在机理，同时评估了其对混凝土各种性能影响的研究成果。还量化和讨论了这种做法的环境效益。可以得出以下结论：
(1) 稻草灰成分随作物...

CRediT 作者贡献声明
Binrong Zhu: 监督，正式分析，数据管理。Zhiyuan Chen: 写作 - 审阅与编辑，方法论，调查。Mingmin Ding: 验证，调查，正式分析。Zhongling Zong: 验证，监督，数据管理。Hang Yang: 写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿撰写，方法论，数据管理，概念化。

杨伟：写作 – 审阅与编辑，监督，方法论，经费获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52378244）的支持。
杨航 | 杨伟 | 朱兵荣 | 陈致远 | 丁明民 | 宗仲凌
南京林业大学土木工程学院，南京 210037，中国