Analysis of the hydration heat evolution in cements incorporating construction waste powders by examining phase changes

混凝土是地球上应用最广泛的建筑材料，是由沙子、水和一种被称为水泥的胶凝粉末组成的混合物。当水与水泥接触时，一种化学反应便开始发生，将柔软的混合物转变为坚硬的类石材固体。这一过程被称为水化作用，会释放热量。在诸如大坝或高层建筑地基等大型结构中，这种热量可能会积聚到危险水平，导致混凝土在冷却时产生裂缝。为了应对这一问题，工程师经常寻找减缓反应速度或降低总产热量的方法。与此同时，建筑业产生了大量的废弃物，包括破碎的砖块、旧瓷砖以及拆除混凝土的碎屑。虽然这些碎屑的大块部分通常会被回收利用制成新的砾石，但通过粉碎产生的细微粉尘却经常被丢弃。研究人员目前正在调查这些细小的废弃粉末是否可以替代新混凝土中的部分水泥，从而将一个处置难题转化为一种既能降低化学反应热量又能作为有用资源的资源。

阿尔及利亚的一个科学家团队着手测试这一想法，他们使用了三种特定类型的建筑废料：由回收陶瓷砖制成的粉末、回收砖块的粉末以及回收混凝土的粉末。他们制作了一系列砂浆混合物，砂浆与混凝土类似，但仅使用细沙。在实验中，他们在每种混合物中用其中一种废粉替代了 10%、20% 和 30% 的标准水泥。随后，他们将这些混合物放入一个特殊的隔热容器中，该容器旨在测量材料硬化过程中的温度变化。通过追踪释放了多少热量以及热量释放的速度，研究人员可以绘制出从加水那一刻起整个化学反应的生命周期图谱。

结果显示，添加这些废粉显著改变了水泥的行为。在所有替换水泥的情况下，五天内的总热量释放量都下降了。添加的粉末越多，产生的热量就越少。当他们用回收混凝土粉末替换 30% 的水泥时，总热量释放量仅为标准混合物的约 70%。这种热量的减少对于炎热气候下的建筑施工尤为宝贵，因为过高的热量会在结构完全凝固前对其造成破坏。除了降低总热量之外，这些废粉还减慢了反应的速度。与普通水泥相比，热量释放达到峰值的时刻（即化学活动最剧烈的点）延迟了两到三小时。这种延迟为工人提供了更多的时间来浇筑和塑造混凝土，使其在开始变硬之前完成造型。

研究人员还仔细观察了化学反应的不同阶段，以了解这些变化发生的原因。他们发现，废粉的类型至关重要。非常细的回收陶瓷粉末缩短了反应的初始成核与生长阶段，而砖块和混凝土粉末则延长了这一阶段。然而，无论粉末类型如何，所有混合物的峰值热通量都延迟了 2 到 3 小时。研究表明，该反应涉及一系列事件：首先，新的晶体形成并生长；然后，这些晶体与剩余的水泥颗粒相互作用；最后，随着离子必须穿过正在固化的材料去寻找新的反应位点，反应速度逐渐放缓。废粉改变了这些步骤的时序。例如，砖块和混凝土粉末延长了初始晶体生长阶段，而陶瓷粉末则使最后的缓慢扩散阶段变得更加显著。

最终，这项研究证实了这些建筑废料的细微部分不仅是惰性填充物，而且是改变水泥行为的活性成分。这些废粉具有能够参与硬化过程的特性，从而创造出一种既具有化学活性又产热较少的材料。研究结果表明，使用高达 30% 的这些回收粉末是制造更可持续建筑材料的一种可行策略。通过减少施工过程中产生的热量，这些混合物有助于防止大型结构出现裂缝，同时也将数吨废料从填埋场中转移出来。该研究清晰地展示了这些材料的工作原理，为使建筑业变得更加高效且对环境破坏更小提供了一条切实可行的路径。