Mechanical Strength Assessment of Eco-Friendly Bricks Produced Using Waste Marble Dust and Crushed Stone Dust as Partial Cement Replacements

技术摘要：利用废弃大理石粉与碎石粉生产环保砖的机械强度评估

问题陈述
建筑业面临着双重挑战：一方面是工业废料（特别是大理石粉 MD 和碎石粉 CSD）的大量产生；另一方面是水泥生产造成的高环境足迹。在印度，大理石加工每年产生约 1200 万吨废料，对土壤和水质污染构成了重大风险。同时，水泥制造业贡献了全球约 5% 的人为二氧化碳排放。虽然以往的研究探讨了将 MD 或 CSD 单独作为部分水泥替代料的使用情况，但将这两种废弃材料结合用于砖块制造的协同效应仍是一个显著的研究空白。本研究旨在解决利用这些当地易得的废弃材料以减少水泥消耗、减轻环境危害并生产机械性能不减的可持续建筑材料的需求。

研究方法
本研究采用实验设计，评估将 MD 和 CSD 作为部分替代 Pozzolanic Portland Cement (PPC) 用于砖块生产的适用性。

• 材料： 研究使用了 PPC（含 35% 粉煤灰）、天然砂（Zone I）、大理石粉和大理石粉。
• 配合比设计： 砖块采用 1:4（水泥:砂）的比例进行浇筑，水灰比为 0.45。对照组混合物 (M0) 含有 100% 的水泥。实验组通过等比例替换水泥的方式，使用 MD 和 CSD 进行替换，共设置三个水平：
  • M10： 10% MD + 10% CSD（总替代量 20%）。
  • M20： 20% MD + 20% CSD（总替代量 40%）。
  • M30： 30% MD + 30% CSD（总替代量 60%）。
• 试件制备： 砖块尺寸为 230mm x 90mm x 80mm，使用木模浇筑，通过振动台进行压实，并在水中养护 7、14 和 28 天。
• 测试规程： 研究进行了筛分分析、比重测试、含泥量测试、吸水率测试和密度测量。抗压强度通过压力试验机 (CTM) 在 7、14 和 28 天时进行评估。
• 统计分析： 数据使用描述性统计（平均值、标准差、变异系数）和单因素方差分析 (ANOVA) 进行处理，以确定养护龄期和替代水平对强度的显著性影响 (p < 0.05)。

关键结果

• 抗压强度： 对照组 (M0) 达到了最高的 28 天抗压强度，为 24.56 MPa。M10 混合物（总替代量 20%）记录为 20.62 MPa，是一个可行的替代方案。然而，较高的替代水平导致强度显著下降：M20（40% 替代量）降至 8.61 MPa，M30（60% 替代量）降至 6.37 MPa。
• 统计显著性： ANOVA 证实，养护龄期和替代水平对抗压强度均具有统计学上的显著影响 (p < 0.001)。所有混合物随时间（7 到 28 天）的强度增长均具有显著性。
• 吸水率： 观察到强度与吸水率之间存在反向关系。随着替代水平的增加，吸水率从 5.66% (M0) 增加到 9.81% (M30)，表明在高替代水平下孔隙率增加且结合力降低。
• 密度： 砖块的密度随替代量的增加而逐渐降低，范围从 2698.87 kg/m³ (M0) 降至 2491.14 kg/m³ (M30)。M10 混合物保持了与标准建筑材料一致的密度。
• 材料特性： 大理石粉的比重为 2.63，石粉的比重为 2.57，均低于水泥 (3.1)，这导致了观察到的密度降低。

核心贡献与主张
本文主张，通过将水泥部分替换为大理石粉和碎石粉的组合，是一种可行的可持续建筑策略，前提是需要优化替代水平。

• 最佳替代水平： 研究确定 20% 的总替代水平（10% MD + 10% CSD） 为最佳候选方案。该混合物实现了 20.62 MPa 的平均抗压强度，作者认为，对于特定的建筑应用，这一强度足以与对照组竞争，同时能提供环境效益。
• 协同利用： 本研究强调了同时利用两种不同工业废料流的潜力，解决了关于组合废弃物价值化利用方面的文献空白。
• 环境与经济影响： 通过替代水泥，本研究声称可以减少与水泥制造相关的二氧化碳排放和能源消耗。此外，利用当地来源的废料降低了与大理石和石材加工行业相关的运输成本和处置责任。

意义
作者将这项工作定位为对可持续发展目标 (SDG) 9（工业、创新和基础设施）和 11（可持续城市和社区）的贡献。研究表明，工业副产品可以被工程化为功能性建筑材料，从而减少建筑环境的碳足迹并管理固体废弃物。论文得出结论，虽然过度的替代会损害耐久性和强度，但受控的低水平替代（特别是 20% 的总替代量）为实现成本节约、环境可持续性和可接受的机械性能之间的平衡提供了一种折中方案。未来的工作建议侧重于长期性能表现和废弃材料特性的标准化。