Mechanical and abrasion behaviour of cement and alkali-activated material mixes based on oil refinery waste catalyst: investigation and semi-empirical predictive models

工厂、仓库和繁忙公共场所的混凝土地面正面临着不断的磨损挑战。每一次脚步、每一辆推车、每一辆汽车轮胎都在磨损表面，随着时间的推移，逐渐剥离材料并削弱结构。为了建造经久耐用的地面，工程师依赖于水泥——这种将混凝土结合在一起的胶凝剂。然而，生产这种水泥代价高昂：每制造一吨水泥，就会向大气中释放近 0.85 吨二氧化碳，显著加剧气候变化。这一现实促使研究人员寻找用工业废料替代部分水泥的方法，将污染问题转化为建筑解决方案。其中一种废弃物来自炼油厂，在那里，微小的颗粒被称为“催化剂”，用于帮助将原油转化为燃料。一旦这些颗粒完成了使命，它们就会作为“废催化剂”被丢弃。这些颗粒富含铝和硅，这正是构成混凝土的岩石和沙子中的主要成分，暗示了它们在“新生命”中可能发挥作用。

一支研究团队着手测试这些废弃的炼油厂颗粒是否可以混入混凝土，以创造出更坚固、更耐用且有助于环保的地面。他们专注于两种不同类型的混凝土混合物。第一种是标准水泥混合物，其中废弃颗粒将作为填充物来替代部分水泥。第二种是“碱激发”混合物，这是一种更先进的混凝土类型，它使用化学溶液来将废弃颗粒结合在一起，而完全不需要传统的传统水泥。研究人员想要观察废弃颗粒的大小和混合物的类型如何影响混凝土抵抗压碎、弯曲以及持续磨损的能力。他们还旨在建立一套规则，让工程师能够在浇筑混凝土之前，仅根据添加了多少废料以及颗粒有多细，就能预测地面的强度。

团队开始收集材料：标准波特兰水泥、河沙、水以及来自波兰一家炼油厂的废催化剂颗粒。他们仔细地将催化剂颗粒分为较细和较粗两种尺寸，以观察尺寸是否具有重要性。然后，他们制作了一系列测试批次。有些批次是用废弃颗粒替代了高达 20% 的水泥，而另一些则将这些颗粒作为碱激发混合物的主要成分。为了确保混合物的施工性能，他们添加了一种液体减水剂（塑化剂），以帮助湿润的混凝土容易流动到模具中。混凝土硬化后，研究人员对其进行了一系列严格的测试。他们压碎材料立方体以测量抗压强度，弯曲长梁以测试抗折强度，并使用一台专门的机器，通过旋转一个沉重的磨粒轮来测量材料随时间流失的重量。这种磨损测试至关重要，因为它能在短短几小时内模拟数年的行人流量和车辆磨损。

结果显示，性能表现取决于所使用的混凝土类型，存在明显的差异。在标准水泥混合物中，添加废弃颗粒的效果非常出色。当研究人员用废催化剂替代 20% 的水泥时，所得的混凝土变得更强，且更耐磨。使用最细颗粒的混合物实现了 52 兆帕的抗压强度和 8 兆帕的抗折强度，同时与纯水泥相比，其抗磨损能力提高了 18%。废弃颗粒就像海绵一样，吸收水分并与水泥发生反应以填补微小缝隙，从而创造出更致密、更坚韧的材料。然而，对于碱激发混合物，情况则大不相同。在这些混合物中，废弃颗粒与化学胶凝剂的反应并不充分。所得材料明显更弱，且磨损程度更高，在 28 天后其重量损失率比水泥混合物高出九倍。研究人员发现，化学激发过程并不完整，导致许多废弃颗粒未反应且松散地保持在结构中，这使得表面在摩擦下极易崩解。

为了理清这些复杂的结果，研究人员开发了一套数学模型，可以在无需进行每一次测试的情况下预测混凝土的性能。这些模型并非随机猜测；它们是基于物理原理构建的，将添加的废料量、颗粒大小、胶凝剂类型以及混凝土龄期与最终强度和耐久性联系起来。这些模型证明了高度的准确性，能够预测抗压强度、抗折强度和磨损损失，误差率低于 7%。这意味着，如果工程师知道他们计划使用的特定配比，他们就可以利用这些公式自信地预测地面在高强度交通下的表现。模型证实，对于标准水泥而言，添加废料是双赢的选择，既提升了强度也增强了耐久性。对于碱激发混合物，模型强调目前的化学配方尚不足以充分利用这种废料，因为颗粒仍然过于惰性，无法提供必要的结合力。

研究结论指出，在混凝土中使用炼油厂废料是一条可行的发展路径，但需要正确的方法。通过用这些颗粒替代部分水泥，可以创造出一种高性能材料，既能增强耐磨性，又能降低建筑业的碳足迹。研究人员估计，每使用一吨胶凝剂，替换掉 20% 的水泥即可减少约 170 公斤的碳排放。然而，只有当废料用于传统的混合水泥中，作为反应性填充料时，这种益处才能实现。在更具实验性的碱激发系统中，该技术尚未成熟到能有效处理这种特定废料的程度。这项工作为建筑业提供了一份清晰的路线图：通过仔细选择混凝土类型和废料颗粒的大小，建造者可以创造出不仅更可持续，而且更耐用的地面，将工业副产品转化为未来的基石。