肯尼亞研究人員在《Discover Concrete and Cement》期刊發(fā)表論文指出，將熟石灰替換一半后摻入稻殼灰或玉米芯灰，并使用稀釋鈉溶液替代清水拌合，可顯著提升砂漿性能。經(jīng)28天養(yǎng)護，激活的石灰-玉米芯灰砂漿抗壓強度從2.91兆帕升至6.75兆帕，石灰-稻殼灰砂漿從3.70兆帕升至7.91兆帕；對應(yīng)體系的孔隙率分別從12.47%降至9.23%、從12.32%降至7.95%。該研究由Odiwuor Vincent Onyango與Onesmus Mulwa Munyao共同完成。

研究動機源于普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)過程中的高碳排放問題。作者指出，水泥行業(yè)通過能耗極高的熟料燒成和石灰石煅燒，貢獻了近8%的全球人為二氧化碳排放。傳統(tǒng)輔助膠凝材料（如粉煤灰、硅灰和礦渣）正隨煤炭燃燒減少和工業(yè)系統(tǒng)變化而供應(yīng)趨緊。農(nóng)業(yè)廢棄物提供了另一種活性二氧化硅來源。稻殼灰因富含無定形二氧化硅被公認(rèn)為高活性火山灰質(zhì)材料；妥善處理的玉米芯灰則含有活性二氧化硅和氧化鋁相，在適宜激活條件下可參與火山灰反應(yīng)并生成水化硅酸鋁鈣相。

原材料取自當(dāng)?shù)兀旱練碜曰K木縣Ahero的一家加工廠，玉米芯來自埃亞西蒙戈肖縣的農(nóng)戶。兩種廢棄物經(jīng)清洗、干燥后，分別在700攝氏度馬弗爐中煅燒2小時（玉米芯）和3小時（稻殼），隨后球磨并通過75微米篩網(wǎng)。X射線熒光分析顯示，稻殼灰以二氧化硅為主（占88.94%），燒失量僅2.93%，滿足ASTM C618標(biāo)準(zhǔn)中二氧化硅、氧化鋁和三氧化二鐵總和超70%的要求。玉米芯灰含二氧化硅46.47%，燒失量17.72%，堿金屬氧化物總量12.96%，未達ASTM C618的氧化物總和門檻，但仍保留反應(yīng)性硅鋁酸鹽相。

為對比兩者固有反應(yīng)性，團隊采用快速電導(dǎo)率測試法，將各灰樣加入飽和氫氧化鈣溶液中監(jiān)測4小時電導(dǎo)率變化。稻殼灰導(dǎo)致電導(dǎo)率迅速顯著下降，30分鐘內(nèi)降至約37%，240分鐘后降至約63%；玉米芯灰在同期分別僅下降約15%和28%。作者認(rèn)為這證明稻殼灰具有更高的表觀火山灰反應(yīng)性，與其高硅含量、無定形特征及低殘留碳相符。同時警告，電導(dǎo)率法受可溶性堿鹽、溫度和碳化影響，僅作為比較篩選指標(biāo)而非直接定量測量。

砂漿配方保持膠凝材料與砂的比例為1:3，液膠比為0.55，火山灰質(zhì)材料按質(zhì)量替代50%熟石灰。共制備五種混合物：純石灰對照組、水拌合的玉米芯混合組（LC50）和稻殼混合組（LR50），以及對應(yīng)的鈉激活版本。采用的0.5摩爾/升鈉濃度參考了前期研究，該濃度在煅燒粘土體系中已被證實為增強反應(yīng)性的Zui優(yōu)值。試件澆筑為40×40×160毫米棱柱體，在振動臺成型后于22攝氏度、相對濕度60%條件下進行空氣養(yǎng)護，以促進對石灰基膠凝材料至關(guān)重要的大氣碳化硬化過程。

X射線衍射礦物學(xué)分析表明，所有砂漿中方解石均為主導(dǎo)晶相，反映氫氧化鈣的碳化情況，同時檢測到波特蘭石，說明28天后仍有部分石灰未反應(yīng)。激活的玉米芯灰砂漿顯示出歸屬于鈣礬石和石膏的特征衍射峰，可能與其較高的氧化鋁含量有關(guān)；而在檢測限內(nèi)，激活的稻殼灰系統(tǒng)中未檢出含硫相。傅里葉變換紅外光譜顯示碳酸鹽帶、羥基伸縮振動峰，以及1024至1059波數(shù)區(qū)間的關(guān)鍵區(qū)域（對應(yīng)硅氧鍵和硅鋁氧鍵伸縮），符合活性二氧化硅摻入反應(yīng)產(chǎn)物的特征。作者強調(diào)，這些定性技術(shù)無法確證水化硅酸鈣凝膠的存在，應(yīng)將其視為推測機制而非直接確認(rèn)特征。

力學(xué)性能表明，此類膠凝材料明確適用于非結(jié)構(gòu)建筑用途。純石灰對照組僅達到0.5兆帕，因熟石灰主要依賴緩慢碳化硬化。添加任一灰樣均大幅提升強度，水拌合玉米芯組較對照組提高482%，稻殼組提高640%，但水拌合玉米芯組仍低于EN 459-1規(guī)定的3.5兆帕特征值。對照BS EN 998-1抹灰和粉刷砂漿分類，所開發(fā)膠凝材料依成分不同落入CS II至CS IV強度等級。作者指出，這些水平與用于砌體、抹灰和歷史建筑保護的常規(guī)氣硬性石灰和天然水硬性石灰砂漿相當(dāng)，但仍遠(yuǎn)低于通常超過10兆帕的普通硅酸鹽水泥砂漿。

耐久性測試將28天養(yǎng)護的棱柱體完全浸入3%溶液中繼續(xù)養(yǎng)護28天，每周更換酸液。純石灰砂漿完全崩解。兩種激活砂漿均有劣化，但程度輕于未激活對照組，表現(xiàn)出更低的失重率和更高的殘余強度。作者將此部分歸因于激活體系更高的初始強度和更低的孔隙率，可能限制了酸液滲透。有趣的是，盡管玉米芯灰系統(tǒng)在暴露前已檢出鈣礬石和石膏，稻殼灰系統(tǒng)的耐酸表現(xiàn)仍優(yōu)于前者，表明加速的火山灰反應(yīng)和更致密的基體比鹽相形成更為關(guān)鍵。由于未進行暴露后的X射線衍射分析，酸攻擊期間是否生成額外石膏或鈣礬石無法直接確認(rèn)。

研究明確指出了多項局限。作者坦言，性能僅在28天進行評估，長期強度發(fā)展和耐久性尚不明確；60%相對濕度的空氣養(yǎng)護條件未必Zui適火山灰反應(yīng)，意味著報告數(shù)值可能偏保守。電導(dǎo)率結(jié)果反映簡化溶液中的灰樣反應(yīng)性，不應(yīng)直接解讀為砂漿強度發(fā)展動力學(xué)的證據(jù)。僅測試了兩種二元體系、單一取代水平和單一活化劑濃度，且未對砂子的堿-硅反應(yīng)活性進行表征。作者建議，在將這些低碳、透氣型膠凝材料實際應(yīng)用于砌體、抹灰或保護工程前，未來工作需補充掃描電子顯微鏡觀察、熱重分析、定量孔隙結(jié)構(gòu)表征、暴露后礦物學(xué)分析、延長養(yǎng)護齡期及生命周期評估。

資料來源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-28。本文為資料編譯。