纸浆厂污泥灰对偏高岭土基地质混凝土力学、微观结构与耐久性影响

将纸张废料变为更坚固的混凝土

现代城市建立在混凝土之上，但传统水泥的生产代价沉重，会释放大量二氧化碳。与此同时，造纸厂产生大量废弃物，常常被堆放入填埋场。本研究探索了一种同时应对这两类问题的方法：利用纸浆厂污泥燃烧后的灰烬作为原料，制备一种新型低碳混凝土，称为“地质混凝土”（geocrete），有望在未来替代建筑和基础设施中的普通水泥。

一种新的建筑材料

地质混凝土不是依赖水泥，而是通过用强碱溶液激发富含二氧化硅和三氧化二铝的矿物，形成硬化的类石材料。在这项工作中，研究人员以精制粘土偏高岭土为主要成分，并用纸浆厂污泥灰部分替代之。该灰来自对造纸行业污泥的高温焚烧，含有大量钙以及二氧化硅和三氧化二铝。研究配制了八种不同配比，污泥灰替代偏高岭土的比例为5%至20%，并采用两种不同碱性液体用量，以观察在常温养护下这些变化对强度和耐久性的影响。

试验混凝土的性能

团队对混凝土进行了三种关键力学性能的测试：抗压强度、抗拉强度和抗弯强度，并在养护7天、28天和90天时测量这些性能。总体上，含10%纸浆厂灰的配比表现优于其他配比。对于两种碱液水平，10%配比的抗压、抗拉和抗弯强度均高于不含灰或含灰量更高的混合物。当灰含量提高到15%或20%时，强度开始急剧下降，表明存在一个明确的最佳含量，而不是“越多越好”的简单关系。

看材料的内部结构

为理解为何10%效果最佳，研究人员使用扫描电子显微镜观察了硬化后的地质混凝土。在最成功的配比中，图像显示出致密、紧密堆积的内部结构，孔隙很少。矿物反应生成互锁的凝胶相，将颗粒粘结在一起并填充空隙。在灰含量过高的配比中，内部结构显得更为多孔，粘结凝胶较少。这表明化学成分已不再平衡：过量的灰改变了关键元素的比例，导致部分材料无法充分反应并融入网络，留下薄弱点。

抗水和抗盐性表现

仅有强度不足以成为耐久的建筑材料。结构还必须抵抗水和氯化物盐，这些物质能渗入混凝土并腐蚀钢筋。团队采用标准试验测量氯离子在地质混凝土中的透过性、吸水量和总体孔隙率。结果同样表明10%灰的配比最佳。在氯离子试验中它们允许的电荷通过更少，吸水率更低，总体孔隙率也低于其他配比。灰含量较高的混合物更为疏松和吸水，不利于在恶劣环境中长期使用。

对未来建筑的意义

简言之，研究发现将偏高岭土的10%替换为纸浆厂污泥灰可制得强度和耐久性均优于无灰配比的类似混凝土块，同时减少对传统水泥的依赖。正确的配方比例可形成致密的内部网络，抵抗开裂、水侵和盐害。由于该材料可在常温下养护并利用工业废弃物，它为走向更低碳、资源高效的建筑提供了有前景的途径，前提是生产和处理能够安全、经济地放大规模。

引用: Yuvaraj, K., Arunvivek, G.K., Kumar, P. et al. Influence of paper mill sludge ash on mechanical, microstructural and durability properties of metakaolin based geocrete. Sci Rep 16, 6109 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37581-0

关键词: 地质聚合物混凝土, 纸浆厂污泥灰, 低碳建筑, 偏高岭土, 混凝土耐久性