水泥生产新突破：用稻壳灰打造更强更环保的混凝土！

演讲人：宾夕法尼亚州立大学 Dia Brown

尽管含有高达 90% 二氧化硅的灰化农业废弃物可作为潜在的补充胶凝材料 (SCM)，但高需水量限制了它们的使用，因为这会影响混凝土的新鲜状态可加工性和机械性能——这对于农业部门规模庞大而其他工业 SCM 产量较低的国家来说尤其具有挑战性。为了应对这一关键挑战，我们开发了创新的加工方法，不仅可以封存二氧化碳，还可以消除与灰基 SCM 相关的新鲜状态可加工性问题。本次演讲将分享我们将这些方法应用于稻壳灰的最新成果，展示了在 20% 的替代水平下，28 天后生产出强度达到 8,000 psi 的高强度混凝土。这些结果与非二氧化碳研磨工艺所取得的改进进行了对比，凸显了我们二氧化碳辅助方法的卓越有效性。通过利用农业残留物制造高性能 SCM，我们的研究结果为在混凝土生产中利用丰富的废料提供了可行的途径，解决了全球环境和性能挑战。

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早上好，大家好。我是 Dia Brown，在 Juan Pablo Gevaudan 博士的指导下学习。我是宾夕法尼亚州立大学建筑工程系的博士生。今天我将和大家讨论一个我非常喜欢的话题。我花了很多时间研究这些材料，那就是利用高能球磨将农业残留物转化为高性能补充胶凝材料（SCMs）。

为了更好地理解这个话题，我想先做一个简要的介绍。我相信很多人都了解这些内容，但我们还是有必要提醒自己为什么要使用这些其他材料。为什么要少用水泥？根据国际能源署的数据，全球每年二氧化碳排放量约为 37 吉吨，相当于世界野生动物基金会所说的 60 亿头大象（如果做一些粗略估算）。因此，我们希望减少排放到大气中的二氧化碳量。考虑到水泥是人类制造二氧化碳的第三大来源，这似乎是一个我们可以大显身手的好地方。

那么，为什么要使用补充材料呢？当然是为了可持续性。我们希望地球能继续存在，为了我们自己，也为了我们的下一代。但同样重要的是，还有其他因素在起作用。补充胶凝材料可以提高强度，还可以降低成本。你可以获得更多本地采购的材料，这可以改变你的成本。还有其他一些很棒的研究着眼于碱硅反应的缓解或其他可能存在的耐久性问题，而 SCMs 有可能帮助解决这些问题。

为什么特别关注谷类作物作为 SCMs 呢？它们在全球北方和全球南方都很丰富。我还研究玉米秸秆和小麦秸秆，美国有很多这些材料。美国和全球南方也有稻米。所有这些谷类作物都属于禾本科植物，禾本科植物会产生蛋白石植物硅，这是一种存在于草中的坚硬结构，可以阻止草食动物。这对于植物在抵抗草食动物时很有益，对我们来说也很有用，因为蛋白石植物硅是一种非常无定形的硅质材料，是极好的二氧化硅来源。

因此，稻壳灰可以作为一种极好的 SCMs，但它在物理和化学性质上存在许多挑战。所以问题是如何改善其物理和化学性质，以便将其掺入水泥中。图中右上方显示的是稻米的脱壳过程，这只是提醒我们，稻米的使用有着悠久的历史背景，它是一种很好的 SCMs 选择。因此，假设通过湿磨工艺（通过研磨）可以改变灰分，使其更适合作为部分水泥替代品。

我所使用的稻壳灰来自一家能源工厂。这是另一种利用稻米脱壳后剩余稻壳的方法，用于商业稻米生产。这些稻壳可以进入能源工厂用作能源。但接下来的问题是，如何处理能源工厂产生的灰分？我们取了这些灰分，对其原始状态和研磨后的状态进行了表征。这些是我正在使用的研磨条件。你可以在左侧看到我们的研磨机。我以约 400 转/分钟的速度进行研磨，液固比为 5:1（水与材料的比例为 5:1），球粉比为 10:1，研磨约三个小时。

我这里的类别有：原始稻壳灰（来自能源工厂的稻壳灰）、研磨稻壳灰（我将称之为 MRHA），以及我用二氧化碳原位鼓泡的研磨稻壳灰（这是我们研磨机上的另一个功能，可以向研磨机中通入不同的气体）。

稻壳灰、研磨稻壳灰和二氧化碳研磨稻壳灰的反应性和抗压强度都进行了测试。你可以在左侧看到我们实验室里一位很棒的本科生在进行等温量热法，用于 R3 反应性测试。右侧则是使用研磨稻壳灰制成的立方体之一。

我们发现，研磨后强度和反应性大幅提高。你可以看到，R3 反应性测试的反应性翻了一倍。在抗压强度方面，与未经处理的材料相比，强度增加了两到三倍。但 XRD 显示，相变很小。我还研究了 29 硅核磁共振，以查看二氧化硅的配位是否发生变化，似乎变化不大，但这仍是我正在进一步探索的。因为核磁共振还有很多不同的方面可以研究配位，我有一些与此相关的未来工作。但研磨过程后，表面积几乎翻了一倍，这非常令人鼓舞。粒径分布也发生了变化，这使得它能更好地掺入水泥混合物中。

但另一个重要的事情是，与干磨相比，湿磨还可以进行浸出过程。对于植物来说，钾是一种很好的元素，它们需要钾才能生长。但最大的问题是，我们不希望水泥中含有大量钾。我们不希望水泥富含钾，那不好。因此，通过这种湿磨工艺，钾含量实际上会大幅降低。我现在还在进一步探索的一个事实是，稻米无论来自何处，取决于其生长季节、生长地点以及在能源工厂如何燃烧（因为当你从能源工厂获得稻米时，你无法随意改变其燃烧条件，它只是为了能源而燃烧），这里的希望是，这种研磨过程也能使材料的化学性质均质化。我唯一需要指出的是，这里没有强调太多，但根据磨机类型，可能会有潜在的污染。所以这是另一个需要考虑的因素，例如你使用哪种球磨介质，我们使用的是刚玉，这可能解释了氧化铝含量略有增加，而且我们有一个钢磨机，这可以解释一些潜在的污染。

总结

总而言之，研磨技术是一种可行的解决方案，它解决了如何更好地将稻壳灰掺入水泥中的问题。我之前没有提到的是，我制作的立方体没有使用任何外加剂，我用稻壳灰替代了约 30% 的材料重量。可加工性是我将进一步探索的，但它也得到了显著改善。

一些关键的结论是：

• 研磨后反应性确实增加。

• 表面积也增加。

• 钾含量降低，这可能减少后期不希望出现的相，我目前正在等待这些立方体的结果，但这也会影响早期水化，如先前研究所示。

我正在更多地研究这种均质化效应，可能来自其他稻壳，同时也研究材料的可加工性，并就此得出更定量的结论，因为它在研磨后确实更具可加工性。

这就是我的全部内容。如果大家有任何问题，欢迎提出。

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