木灰作为可持续水泥替代材料在混凝土中的应用：性能优化与环境效益研究

为解决传统水泥生产高碳排放及木灰不当处置引发的环境问题，研究人员开展木灰部分替代水泥的混凝土性能研究。通过测试不同替代比例(5%-25%)混凝土的工作性、抗压强度(提升12.3% @15%)及耐久性(RCPT显示氯离子渗透降低)，证实15%木灰替代可优化性能，为建筑行业废弃物资源化提供新方案。

　　

随着全球建筑行业对水泥需求的持续增长，传统水泥生产带来的二氧化碳排放问题日益严峻——仅水泥制造过程就贡献了全球约7%的CO₂排放。与此同时，在面包坊、传统浴室(hamams)等场所燃烧木材产生的木灰，因富含钙、硅等矿物质却缺乏有效处置方式，正造成土壤碱化、重金属污染等环境风险。这种"双重环境压力"促使印度国立斯利那加理工学院的研究团队探索将木灰转化为可持续水泥替代材料(Sustainable Cementitious Material)的创新方案。

研究团队从当地面包坊(nanawai)收集传统烤炉(tandoor)产生的木灰，通过X射线衍射(XRD)分析确认其含有47.43% CaO和13.47% SiO₂等活性成分。采用控制变量法设计6组混凝土配比(木灰替代率0%-25%)，系统评估工作性、力学性能和耐久性指标。关键技术包括：扫描电镜(SEM)观察微观结构演变，能量色散X射线光谱(EDS)分析元素分布，快速氯离子渗透测试(RCPT)评估耐久性，以及冻融循环实验模拟极端环境下的性能变化。

工作性-坍落度测试

随着木灰替代率增加，坍落度从基准组(REFC)的127mm降至25%组的67mm，表明需通过增塑剂(Auramix 400)调节工作性。这种流动性下降源于木灰颗粒的高比表面积和吸水特性。

密度变化

木灰的轻质特性使混凝土密度从2389.42 kg/m3(REFC)降至2338.84 kg/m3(20NAC)，这种"减重效应"对地震区建筑和运输节能具有潜在价值。

抗压强度

15%替代组(15NAC)展现最优性能，28天抗压强度提升12.3%。SEM显示该组钙硅水合物(C-S-H)凝胶形成更密集，但超过20%替代时因水泥稀释效应导致强度下降。

劈裂抗拉强度

与抗压强度趋势一致，15NAC组达峰值4.95 MPa(较基准提升9.51%)，证实木灰的火山灰反应能有效增强混凝土抗裂性能。

耐久性表现

• 吸水率：15NAC组吸水率最低(3.68%)，孔隙率比基准组降低11.7%

• 冻融损失：50次循环后15NAC组质量损失仅0.69%，优于基准组(0.89%)

• 氯离子渗透：90天RCPT测试中15NAC组电荷通过量3316.64库仑，显示木灰可细化毛细孔结构

微观机制

EDS检测到15NAC组中显著的Ca、Si信号峰，证实木灰中的SiO₂与水泥水化产生的Ca(OH)₂发生二次反应，生成更多C-S-H凝胶。这种"微结构致密化"是性能提升的核心机制。

该研究证实木灰作为区域性废弃物，在15%替代率下可实现混凝土性能与环境效益的双重优化。每立方米混凝土可减少57.75kg水泥用量，成本降低1.33%，且解决木灰处置难题。值得注意的是，木灰性能受木材种类、燃烧温度等影响，未来需建立标准化预处理工艺。论文发表在《Cleaner and Circular Bioeconomy》的意义在于，为发展中国家因地制宜开发生物质废弃物利用提供了可复制的技术范式，其"就地取材+性能验证"的研究框架特别适合缺乏大宗工业副产品(如粉煤灰)的地区推广。

研究团队特别指出，后续需开展生命周期评估(LCA)量化碳减排效益，并通过实体工程验证长期性能。这种"从面包坊到建筑工地"的循环经济模式，为建筑行业实现碳中和目标提供了新思路。