《Next Materials》：Sustainable lightweight mortars incorporating Middle Atlas natural pozzolan: Experimental, statistical, environmental, and techno-economic assessment
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专业术语翻译
对低碳建筑材料日益增长的需求，推动了在水泥基复合材料中寻找传统骨料的可持续替代品。尽管此前已在各种水泥基和建筑应用中研究了天然火山灰质材料，但其作为轻质细骨料在砂浆中的应用，特别是与膨胀粘土结合并通过综合多标准方法进行评估的研究，仍不充分。本研究
专业术语翻译
对低碳建筑材料日益增长的需求，推动了在水泥基复合材料中寻找传统骨料的可持续替代品。尽管此前已在各种水泥基和建筑应用中研究了天然火山灰质材料，但其作为轻质细骨料在砂浆中的应用，特别是与膨胀粘土结合并通过综合多标准方法进行评估的研究，仍不充分。本研究探讨了使用来自中阿特拉斯山脉（摩洛哥）的天然火山灰作为轻质细骨料，部分或完全替代膨胀粘土，以生产生态高效砂浆的可行性。研究人员制备了七种含有不同比例天然火山灰和膨胀粘土（0–100%）的砂浆配方，同时保持胶凝材料含量不变。通过抗压强度和抗折强度、体积密度、孔隙率、吸水率、超声波脉冲速度（UPV）、导热系数和扫描电子显微镜（SEM）分析，对其物理、力学、热学和微观结构性能进行了评估。
结果表明，与膨胀粘土相比，天然火山灰显著提高了轻质砂浆的力学性能。含有100%天然火山灰的最佳轻质配方在28天时的抗压强度和抗折强度分别达到23.4 MPa和5.38 MPa。增加膨胀粘土含量会降低强度，但改善了隔热性能，导热系数从参考砂浆的0.923 W/(m·K)降至M2（100%天然火山灰）的0.514 W/(m·K)和M7（100%膨胀粘土）的0.365 W/(m·K)。微观结构观察证实，这些趋势与孔隙率和基体密实度的变化密切相关。统计分析表明，骨料替代率是控制力学性能的主导参数。“从摇篮到大门”的评估显示，M2的预估材料成本为120.4 �/m3，碳足迹为0.244 kg CO2 eq/kg，相对于传统的参考砂浆，分别增加了10.7%和1.7%。然而，与富含膨胀粘土的混合物M7相比，M2的预估材料成本和碳足迹分别降低了43.5%和16.4%，这证明了天然火山灰相对于膨胀粘土的经济和环境优势。总体而言，综合评估突显了中阿特拉斯天然火山灰作为一种本地可获取的轻质骨料的潜力，它在力学性能、隔热性能、环境影响和材料成本之间提供了有利的平衡。
论文解读文章
1. 研究背景与意义
近年来，建筑业作为全球温室气体排放的主要贡献者之一，其高能耗和高碳排放问题日益严峻。传统建材如波特兰水泥的生产过程消耗大量能源并释放巨量CO2。因此，开发低碳、可持续的建筑材料成为行业发展的迫切需求。其中，利用轻质骨料替代传统骨料制备轻质混凝土/砂浆，是降低建筑自重、改善热工性能的有效途径。膨胀粘土（LECA）是常用的轻质骨料，但其生产成本较高且具有一定的环境足迹。天然火山灰作为一种火山喷发形成的多孔硅铝质材料，因其质轻、分布广泛且具有良好的火山灰活性，被视为一种极具潜力的可持续轻质骨料替代品。然而，将天然火山灰作为轻质细骨料，并与膨胀粘土进行系统比较，特别是在一个集成了力学、热学、环境和经济性的多标准框架下进行评估的研究尚属空白。因此，本研究旨在探索摩洛哥中阿特拉斯地区的天然火山灰作为轻质骨料，用于制备生态高效轻质砂浆的可行性，并为其应用提供全面的科学依据。
2. 研究方法概述
研究人员采用系统的实验设计与多维度表征技术。首先，从摩洛哥中阿特拉斯的Boutaguerouine火山采集天然火山灰，并对其矿物组成（X射线衍射，XRD）和化学组成（X射线荧光，XRF）进行分析。其次，制备了七组砂浆配方（M1-M7），固定水泥用量为500 kg/m3和水灰比，通过逐步用天然火山灰替代膨胀粘土（替代率0%-100%），系统地研究了骨料类型和比例的影响。关键技术方法包括：
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力学性能测试：按照ASTM标准，在7天和28天龄期测试立方体试件的抗压强度（ASTM C109）和棱柱体试件的抗折强度（ASTM C348）。
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物理与耐久性指标：测定体积密度、孔隙率、吸水率（ASTM C642）和超声波脉冲速度（UPV）（ASTM C597）。
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热学性能评估：采用稳态热板法测量试样的导热系数。
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微观结构分析：利用扫描电子显微镜（SEM）观察砂浆的微观形貌。
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统计建模与分析：基于全因子设计，利用JMP Pro 17软件建立二阶多项式回归模型，通过方差分析（ANOVA）评估骨料替代率和养护龄期对力学性能影响的显著性。
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环境与经济评估：采用“从摇篮到大门”的生命周期评估（LCA）方法计算各配方的碳足迹，并结合当地市场价格估算材料成本。
3. 研究结果
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原材料特性：XRD分析表明，所用天然火山灰主要由钙长石（anorthite）、辉石（augite）、角闪石（hornblende）以及赤铁矿（hematite）和钛铁矿（ilmenite）等矿物组成。XRF分析显示其是一种硅铝质材料，含有适量的铁和钙氧化物。
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力学性能：天然火山灰显著提升了轻质砂浆的力学性能。含100%天然火山灰的M2配方在28天时获得了最高的抗压强度（23.4 MPa）和抗折强度（5.38 MPa）。随着膨胀粘土含量的增加，两种强度均呈下降趋势，M7（100%膨胀粘土）的强度最低。
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物理性能：M2的体积密度高于M7，但低于普通砂参考砂浆M1。增加膨胀粘土含量导致孔隙率和吸水率升高，这与力学强度的下降趋势一致。超声波脉冲速度（UPV）值也反映了类似的规律，即M2的UPV值最高，表明其内部结构更致密。
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热学性能：增加膨胀粘土含量显著降低了导热系数，从而改善了隔热性能。M2的导热系数为0.514 W/(m·K)，而M7则低至0.365 W/(m·K)，远低于参考砂浆M1的0.923 W/(m·K)。
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微观结构：SEM图像显示，M2的微观结构更为致密，骨料与水泥浆体之间的界面过渡区（ITZ）结合良好。而M7中则观察到更多的孔隙和微裂纹，解释了其较低的力学性能和较高的隔热性能。
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统计分析：方差分析（ANOVA）结果表明，骨料替代率是影响力学性能的最显著因素，其次是养护龄期。所建立的回归模型具有很高的拟合优度（R2 > 0.98），能够很好地预测砂浆的强度。
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环境与经济评估：“从摇篮到大门”评估结果显示，与纯膨胀粘土砂浆M7相比，M2的材料成本降低了43.5%（从213.1 �/m3降至120.4 �/m3），碳足迹降低了16.4%（从0.292 kg CO2 eq/kg降至0.244 kg CO2 eq/kg）。虽然M2的成本和碳足迹略高于传统砂砂浆M1，但其综合优势明显。
4. 总结与结论
讨论部分指出，天然火山灰优异的力学性能归因于其自身较高的强度以及与水泥基体间良好的粘结力，而其多孔结构又赋予了材料一定的隔热能力。相比之下，膨胀粘土的多孔性更强，因而隔热性能更好，但牺牲了强度。综合来看，M2（100%天然火山灰）配方在力学性能、隔热性能、环境友好性和经济性之间达到了最佳的平衡点。
研究结论：本研究的综合评估突显了摩洛哥中阿特拉斯天然火山灰作为一种本地可获取的轻质骨料的巨大潜力。它能够在力学性能、隔热性能、环境影响和材料成本之间提供有利的平衡。尽管100%天然火山灰砂浆（M2）的材料成本和碳足迹相较于传统砂砂浆略有增加，但与广泛使用的膨胀粘土砂浆（M7）相比，其成本降低了43.5%，碳足迹减少了16.4%。因此，天然火山灰被认为是生产可持续、经济高效且性能均衡的轻质砂浆的一种极具前景的替代方案。
