将玉米秸秆灰与硅灰作为掺合材料用于高强度混凝土配合比优化与水化研究

把农场废弃物变成更坚固的城市构件

每年都有大量作物残余被焚烧或弃置，而制造连接我们建筑的水泥则会向空气排放大量二氧化碳。本研究探讨了一种同时应对这两类问题的方法：将废弃玉米秸秆焚烧得到的灰进行细磨，并与一种非常细的工业副产物——硅灰混合，用以制备既耐久又显著更清洁的高强度混凝土。

为何传统混凝土需要改造

混凝土是现代建筑的骨干，从桥梁和摩天大楼到人行道与水坝皆仰赖它。但其关键原料水泥是全球主要的工业碳排放源之一，因为水泥生产需要将石灰石加热到很高温度。同时，农业产生大量废弃物——例如玉米秸秆——常在田间露天焚烧，既造成污染又浪费潜在有用的材料。研究者长期以来怀疑某些作物灰可以替代部分水泥，但尚不清楚在仍能满足严苛工程要求的高强度混凝土中，这种替代幅度可以达到多大。

用玉米秸秆制作混凝土

在这项工作中，研究团队在受控温度下焚烧玉米秸秆以制得细且富含二氧化硅的灰，并将其与硅灰这一极细的工业副产物混合。这些粉末合用后替代了高强度混凝土中20%的常规水泥。研究人员系统地改变了三项变量：这20%替代量中有多少是玉米秸秆灰、加入的水量与胶凝材料的比值，以及所用砂的含量。通过结构化的试验方案，他们制备了16种不同的混凝土配方，浇筑小立方体试件，并测定了养护7天和28天后各试件的抗压强度。

寻找强度的最佳点

实验表明并非所有组合效果相同。最强的配比在28天时达到了约110兆帕的抗压强度——比典型结构混凝土强数倍。这一最佳配方在20%替代范围内使用了15%的玉米秸秆灰，相对较低的含水量以及较高的砂含量。当玉米秸秆灰提升至20%且不含硅灰时，混凝土明显变弱，表明该灰料需要与硅灰协同作用才能发挥最佳性能。细致分析显示，在早期龄期含水量对强度影响最大，而在后期龄期砂含量与灰的替代水平更为关键。

深入混凝土内部观察

为了解为何某些配比更强，团队借助电子显微镜和X射线技术放大观察混凝土的内部结构。早期材料中存在较多孔隙且结合产物较少。随着养护进行，玉米秸秆灰和硅灰中的活性二氧化硅与水泥释放的钙化合物发生“次生”反应。这些反应生成额外的凝胶状矿物，紧密填充孔隙，使砂、石和水泥颗粒之间结合更为牢固。28天内，孔隙空间显著减少，内部结构变得更致密、更平滑，测得的强度相应提高。掺入的钢纤维还能使混凝土破坏方式更为渐进、延性，而非突然脆断。

更清洁的混凝土，走向低碳未来

通过用玉米秸秆灰与硅灰替代五分之一的水泥，这种优化后的混凝土配比在保持极高强度的同时，将胶凝材料的碳排放削减了近五分之一。简单来说，本研究表明曾被视为垃圾的农田废弃物经处理后可以成为耐用、长期使用混凝土的有价值成分，从而减轻农业与建筑业的环境负担。如果被广泛采用，这类配比可在城市向外与向上发展的同时降低对地球的影响。

引用: Wang, R., Chen, Y., Wei, G. et al. Optimization of mix proportions and hydration study of high-strength concrete incorporating corn stalk ash and silica fume as supplementary cementitious materials. Sci Rep 16, 8318 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39419-1

关键词: 可持续混凝土, 玉米秸秆灰, 高强度混凝土, 外掺胶凝材料, 低碳建筑