Valorization of Wastepaper Ash and Waste Ceramic Powder as Supplementary Cementitious Materials in Cement Mortar Production

想象一下，建筑世界就像一个巨大的、饥肠辘辘的怪兽，吞噬着大量的水泥来建造我们的房屋和道路。这个怪兽还带点捣蛋鬼的属性，它会喷出巨大的二氧化碳云团，让我们的星球变暖。与此同时，我们还有一堆“垃圾”堆在那里：旧办公用纸和破碎的陶瓷砖。通常情况下，这些东西最终会被送往填埋场或被焚烧，这对空气和土壤都是坏消息。

这项研究提出了一个简单而好奇的问题：如果我们能把这些“垃圾”喂给水泥怪兽，而不是制造新的水泥，会发生什么呢？

研究人员提取了两种特定类型的废弃物——废纸灰（WPA）（燃烧纸张后留下的灰烬）和废陶瓷粉（WCP）（破碎的瓷砖）——并将它们按 2:1 的比例混合在一起。然后，他们尝试用这种被称为 WPACP 的“垃圾混合物”来替换砂浆（连接砖块的胶水）中不同比例的成分。他们测试了 0%、5%、10%、15% 和 20% 的替代量。

“金发姑娘”区间：寻找完美的配比

把砂浆混合物想象成蛋糕糊。如果你加了太多的面粉，它会变得干燥且易碎；如果你加得太少，它就会变成一滩烂泥。研究人员发现，这种 WPACP “垃圾混合物”有一个非常特定的甜点位（最佳平衡点）。

• 流动性下降： 一旦他们开始添加这种垃圾混合物，砂浆就会变得更“渴”。它需要更多的水才能保持光滑和易于铺展。添加的垃圾越多，它就越难操作。到 20% 的时候，砂浆变得越来越僵硬且迟钝。
• 强度激增： 这是令人兴奋的地方。当他们用 WPACP 混合物替换了 15% 的水泥时，砂浆不仅撑住了，反而变得更强了。
  • 在养护（让其硬化）28 天后，15% 的混合物在抗压强度上比普通水泥混合物强了 25.3%。
  • 在 56 天时，它依然强了 16.1%。
  • 然而，如果做得过头，使用 20%，强度就会开始下降。论文明确排除了“垃圾越多越好”的可能性。20% 的混合物表现得比对照组更差，这证明了在削弱结构之前，你可以替换废物的限度是存在的。

无形的盾牌：耐久性与密度

为什么 15% 的混合物赢了？想象一下砂浆就像一块海绵。普通的吸水海绵有很多大孔，水可以钻进去造成破坏。而 WPACP 颗粒非常微小且呈棱角状。当以 15% 的水平添加时，它们就像微观层面的拼图，填补了较大砂粒之间的所有微小缝隙和孔洞。

• “填充”效应： 这创造了一个更加致密、紧凑的结构。15% 的混合物具有最低的水吸收率和最低的孔隙率（孔洞更少）。
• 声波测试： 他们使用声波（超声波脉冲速度法）来检查砂浆内部。声音在致密、坚固的物体中传播得更快，而在松散、多孔的物体中传播得较慢。15% 的混合物让声音传播得更快，证实了其结构紧密。到 56 天时，这种混合物被归类为“良好”质量，超过了普通水泥。
• 硫酸盐之盾： 他们甚至将样本浸泡在盐性的硫酸盐溶液（类似于刺鼻的海水）中，观察它们是否会崩解。15% 的混合物损失的强度最少，证明它是抵抗化学攻击的最佳选择。

微观侦探工作

为了绝对确定内部发生了什么，研究人员使用了观察热量和光线的尖端“显微镜”：

1. 热分析 (TGA/DTA)： 他们将样本加热到 900°C 以观察哪些物质会蒸发。他们发现 15% 的混合物的重量损失最少。这意味着它的结构最稳定，且“游离”水或薄弱环节最少。它还显示出废弃灰烬和粉末正在与水泥反应，从而产生额外的“胶水”（C-S-H 凝胶）并消耗掉较弱的部分（氢氧化钙）。
2. 红外光谱 (FT-IR)： 这就像是获取化学物质的“指纹”。扫描显示，15% 的混合物对于“超级胶水”（C-S-H 凝胶）的信号更强，而对于较弱部分（氢氧化钙）的信号更弱。这证实了废弃材料不仅是作为填充物存在，而且还在积极地帮助构建一个更强大的基质。

结论

论文得出结论，你不能只是无限制地向水泥中倾倒废物。20% 太多了，而 0% 则错失了收益。但是 15%？那就是那个魔力数字。

通过用 2:1 的废纸灰与废陶瓷粉混合物替换 15% 的水泥，你可以得到一种这样的砂浆：

• 更强韧（在 28 天时抗压强度提升高达 25.3%）。
• 更致密（更低的水吸收率和孔隙率）。
• 更耐久（对硫酸盐侵蚀有更好的抵抗力）。
• 更环保（减少了水泥的使用，减少了填埋场的废物）。

该研究表明，这是制造既能应对严苛工况又能对环境更友好的建筑材料的一种可行且现实的选择。然而，作者指出，虽然实验室结果令人鼓舞，但未来仍需研究来优化其大规模应用。他们还没有宣布这已成为解决全世界问题的方案，但他们确实为未来找到了一份非常强力的“配方”。