利用稻壳灰、石英粉和膨润土开发可持续混合胶凝混凝土

《Polymers》：Development of Sustainable Hybrid Cementitious Concrete Using Rice Husk Ash, Quartz Powder, and Bentonite Clay

　　

本研究探讨了由稻壳灰（RHA）、石英粉（QP）和膨润土（BC）制备的混合胶凝混凝土（HCC）的性能。研究人员制备了四种混凝土配合比，包括一个对照组和三个含不同比例RHA、QP和BC的HCC配合比，并对其进行了测试。通过坍落度、密度、抗压强度、破坏模式、劈裂抗拉强度、吸水率、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）评估了所开发混凝土的性能。结果表明，RHA、QP和BC降低了和易性，与对照组相比降低了13%至19%。此外，三元混合体系HCC-R20-Q20-B20取得了最高的28天抗压强度44.6 MPa（较对照组提高22.1%）。类似地，HCC-R30-Q20获得了最高的劈裂抗拉强度4.56 MPa。同时，HCC-R30-Q20表现出最低的吸水率值，降低了23.1%。尽管RHA、QP和BC导致密度略有下降，但所有配合比均保持在普通混凝土的密度范围内（2380至2408 kg/m3）。SEM分析揭示了更致密的微观结构、细化的孔隙结构以及改善的界面过渡区（ITZ）。此外，EDX分析表明元素组成存在差异，Ca/Si和Al/Si比值也观察到相应变化。

论文解读

一、研究背景与意义

建筑行业是全球温室气体排放的最大贡献者之一，通过大量开采自然资源、高能耗生产以及对环境造成空气污染、气候变化、水污染和垃圾填埋场废弃物累积等负面影响，给环境带来了巨大压力。水泥生产约占全球CO₂排放量的8%，大气中CO₂浓度已达到临界水平，增加了发生严重且不可逆转的气候变化影响的风险。因此，减少水泥基材料的环境影响已成为研究人员和工程师面临的关键挑战，开发可持续低碳替代胶凝材料日益受到关注。

地质聚合物混凝土（GPC）因其在工业和建筑领域支持可持续发展的潜力而受到广泛关注，其采用富含铝硅酸盐化合物的工业及农业废弃物，通过碱性溶液活化制备，具有优于传统水泥基材料的力学强度和耐久性能。然而，完全碱激发体系的大规模应用受到限制，原因在于氢氧化钠和硅酸钠等高碱性活化剂溶液存在成本高、操作安全性差以及现场大规模实施困难等问题。为此，研究人员提出了混合胶凝混凝土（HCC）作为实用替代方案，该体系将波特兰水泥与补充性铝硅酸盐材料相结合，既保留了环境效益，又维持了与传统混凝土生产方式的一致性，部分减少了水泥消耗，同时避免了高碱性化学活化剂的复杂性。

在众多农业废弃物中，稻壳灰（RHA）因其高无定形二氧化硅含量、大比表面积和强火山灰反应活性而被广泛认可为有效的辅助胶凝材料（SCM）。石英粉（QP）作为惰性微填料，能够提高颗粒堆积密度并减少孔隙连通性。膨润土（BC）则是一种由火山凝灰岩和火山灰沉积物风化分解形成的软质易塑黏土。然而，以往研究大多集中于单一火山灰材料的二元胶凝体系，对农业废弃物灰分、矿物填料和纳米黏土材料在混合胶凝体系中的协同作用研究有限。本研究的创新之处在于对基于普通波特兰水泥（OPC）的HCC体系进行多尺度改性，在不使用外部碱性活化剂的条件下，探索RHA、QP和BC在三元胶凝体系中的相互作用及其对微观结构发展和力学性能的集体影响，旨在开发减少水泥消耗、改善长期性能的环保混凝土材料。该论文发表于《Polymers》期刊。

二、主要技术方法

研究人员设计了四种混凝土配合比，包括一个对照组（纯OPC）和三个HCC配合比（HCC-R30-B20、HCC-R30-Q20和HCC-R20-Q20-B20），总胶凝材料含量恒定为420 kg/m³，水胶比固定为0.40。材料表征方面，采用扫描电子显微镜（SEM）观察原材料形貌，X射线衍射（XRD）分析物相组成。混凝土性能测试包括坍落度、密度、抗压强度、破坏模式、劈裂抗拉强度和吸水率，均按照相应ASTM标准执行，每组三个试件取平均值。微观分析方面，从抗压试验后的圆柱体试件切割表面取样，进行SEM观察微观结构和界面过渡区（ITZ），并采用能量色散X射线光谱（EDX）进行元素组成分析，采用归一化分析程序，进行三次迭代。

三、研究结果

3.1 坍落度

坍落度测试结果表明，添加RHA、QP和BC后混凝土和易性较对照组降低。对照组坍落度最高为84 mm，而所有改性配合比坍落度范围为68至73 mm，较对照组降低13%至19%。HCC-R30-B20坍落度为73 mm（降低13.1%），归因于膨润土的高比表面积和吸水能力增加了需水量并减少了自由润滑水；纳米级黏土颗粒还促进了颗粒絮凝，增加了内摩擦。HCC-R30-Q20坍落度最低为68 mm（降低19.0%），因为石英粉细颗粒增加了胶凝体系的总表面积。三元混合体系HCC-R20-Q20-B20坍落度为74 mm（降低13.7%），较低的RHA替代水平部分缓解了和易性损失。

3.2 抗压强度

抗压强度测试表明，对照组7天抗压强度为28.5 MPa，HCC-R30-B20和HCC-R30-Q20分别达到约32.2 MPa和34.8 MPa，较对照组提高12.9%和21.1%。28天时，对照组强度为36.5 MPa，HCC-R30-B20和HCC-R30-Q20分别达到39.8 MPa和40.2 MPa，提高9.0%和10.1%。三元混合体系HCC-R20-Q20-B20取得了最高28天抗压强度44.6 MPa，较对照组提高22.1%，这归因于RHA的火山灰活性、QP的微填料效应和BC的细颗粒特性三者协同作用，形成了高度致密和细化的微观结构，降低了孔隙率并增强了荷载传递能力。

3.3 劈裂抗拉强度

对照组28天劈裂抗拉强度为3.85 MPa。HCC-R30-B20和HCC-R30-Q20分别达到4.44 MPa和4.56 MPa，较对照组提高15.3%和18.4%。HCC-R30-Q20获得最高劈裂抗拉强度，表明RHA与QP之间的协同作用在增强抗裂性能和拉伸荷载传递能力方面尤为有效，细磨石英颗粒的成核效应加速了水化产物的形成。三元混合体系HCC-R20-Q20-B20劈裂抗拉强度为4.12 MPa，提高7.0%，虽然高于对照组但低于二元混合体系，这与较高的水泥替代水平限制了反应性组分有关。

3.4 吸水率

对照组吸水率为5.2%。HCC-R30-B20吸水率为4.4%，较对照组降低15.4%。HCC-R30-Q20取得最低吸水率4.0%，降低23.1%，归因于RHA高反应性二氧化硅与QP微填料作用的结合，超细石英颗粒有效填充了微空隙并提高了颗粒堆积密度。三元混合体系HCC-R20-Q20-B20吸水率为5.4%，较对照组高3.8%，较高的水泥替代水平对胶凝体系的连续性产生了不利影响，增加了孔隙体积和可吸水空隙。

3.5 密度

对照组密度最高为2415 kg/m³。HCC-R30-B20密度为2408 kg/m³，HCC-R30-Q20为2385 kg/m³，三元混合体系HCC-R20-Q20-B20密度最低为2380 kg/m³。密度降低源于较低比重材料替代水泥，但降低幅度较小，所有配合比均保持在普通混凝土密度范围内（2380至2408 kg/m³）。

3.6 扫描电子显微镜（SEM）分析

对照组SEM显示相对均匀的微观结构，但存在小孔隙、微裂缝和可辨别的ITZ。HCC-R30-B20表现出相对致密和紧凑的微观结构，孔隙较小，表明RHA和膨润土通过火山灰反应和填充效应促进了基体致密化，ITZ比对照组更致密且与周围基体结合更紧密。HCC-R30-Q20也呈现致密细化的微观结构，QP作为惰性微填料改善了颗粒堆积密度，但相比HCC-R30-B20观察到更多孔隙，表明膨润土对微观结构致密化的贡献比石英粉更有效。HCC-R20-Q20-B20呈现致密细化的微观结构，RHA、QP和BC的协同作用形成了均匀的凝胶基体，但相比两种二元混合体系略显不够致密，存在局部孔隙和裂缝。SEM观察为定性证据，不能作为孔隙率或ITZ改善的定量依据。

3.7 能量色散X射线光谱（EDX）分析

对照组EDX谱图显示主要元素为Ca（39.20%）、Si（23.36%）、Al（4.61%）、O（10.19%）和C（13.36%），以钙基水化产物为主。HCC-R30-B20中Ca含量较高（50.44%），Si为18.91%，表明形成了CSH凝胶和钙铝硅酸盐水化物相，碳含量较对照组降低。HCC-R30-Q20中Si含量较高（31.38%），Ca为34.10%，较高的Si/Ca比值表明硅富集的水化环境，QP的填充效应提供了额外的成核位点。HCC-R20-Q20-B20呈现Ca（36.55%）和Si（25.68%）的均衡比例，Al为4.65%，表明形成了CSH和CASH凝胶相，多尺度改性机制促进了更优的结合相形成。

3.8 Ca/Si比

对照组Ca/Si比与常规OPC水化产物一致。HCC-R30-Q20表现出相对较低的Ca/Si比（0.76），归因于QP和RHA的硅贡献促进了二次火山灰反应。HCC-R30-B20的Ca/Si比较高，表明钙富集相增加。三元混合体系HCC-R20-Q20-B20呈现均衡的Ca/Si比（1.0），表明C(A)SH凝胶的形成改善了结构强度和荷载传递能力。Al/Si比方面，对照组和HCC-R30-B20均为0.21，HCC-R30-Q20较低为0.16，表明硅酸盐主导的凝胶结构，三元混合体系为0.19，表明硅富集与含铝组分的协同作用。

四、结论翻译

本研究探讨了RHA、QP和BC对HCC新拌性能、力学性能和吸水特性的影响，得出以下结论：RHA、QP和BC因高比表面积、棱角状颗粒特性和较高吸水能力降低了和易性，但所有HCC配合比均保持了适用于实际混凝土应用的合格坍落度值；RHA、QP和BC提高了抗压强度，其中三元混合体系HCC-R20-Q20-B20取得了最高28天强度（较对照组提高22.1%）；RHA、QP和BC影响了破坏行为和荷载承载能力；RHA、QP和BC提高了抗拉强度，HCC-R30-Q20取得最高值4.56 MPa（较对照组提高18.4%）；RHA、QP和BC降低了吸水率，HCC-R30-Q20取得最低吸水率4.0%（较对照组降低23.1%）；RHA、QP和BC仅导致密度轻微降低，所有配合比均保持在普通混凝土范围内；SEM分析表明RHA、QP和BC细化了微观结构、降低了孔隙率、改善了ITZ质量并增强了基体致密化；EDX和元素比分析表明RHA、QP和BC影响了化学组成，反映在Ca/Si和Al/Si比值的变化上。研究结果表明，RHA、QP和BC的组合使用在减少水泥消耗的同时，通过增强颗粒堆积、火山灰活性和微观结构细化改善了力学性能，具有推广潜力。然而，有限的试件数量限制了研究结果的统计可靠性和普适性，建议开展更大数据集和统计分析的研究以验证相关发现。