《Journal of Cleaner Production》：From inhibition to enhancement: Time-staged complementary roles of sugarcane bagasse ash and red mud in sustainable cementitious composites
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本研究通过响应面法、等温热力学及多尺度表征，探究三元OPC-SCBA-RM系统的协同效应，发现SCBA和RM分别通过降低孔隙率和促进C-S-H凝胶形成，而三元系统的协同作用优化了水化路径，实现76.3% OPC、20.7% RM和3% SCBA配比下与纯OPC相当的性能，并允许28%的胶凝材料替代量。
易超凡|马兴国|李宇恒|崔琦|陈正|刘建辉|王一辰
中国教育部灾害预防与结构安全重点实验室，广西大学，南宁，530004，中国
摘要
对工业和农业废弃物（如甘蔗渣灰（SCBA）和红泥（RM）进行功能化处理对于开发可持续的水泥基材料至关重要。虽然使用高剂量这些废弃物的二元OPC系统表现不佳，这是由于SCBA的低反应性或RM的抑制作用，但三元OPC-SCBA-RM混合物显示出有希望的协同增强效果。为了提供优化策略和机制洞察，本研究采用响应面方法、等温量热法和多尺度表征技术对三元OPC-SCBA-RM系统进行了研究。结果表明，SCBA和RM通过不同的但互补的机制发挥作用。SCBA主要降低了总孔隙率并延长了C-S-H凝胶中的硅酸盐链长度。相比之下，RM优先细化了有害的大孔，并提高了反应产物的缩合程度，这通过增加的部分相关系数、Al配位的Q2(2Al)和Q3(3Al)单元的存在以及显著更高的MCL值（7.52对比4.54）得到证实。三元水泥基混合物中的交互协同作用缓解了RM在相界反应和扩散动力学中的延迟效应。这种协同作用不是加性的，而是一种竞争性的相互作用，使水化途径朝着更有利的后期动力学方向发展。研究发现了一种由76.3% OPC、20.7% RM和3% SCBA组成的三元复合材料的配方，其机械性能与纯OPC对照组相当。此外，用这种复合材料替代28%的水泥时，强度损失不超过5%。这为高量废弃物的利用在低碳水泥基复合材料中提供了一条可行的途径。
引言
绿色和低碳产品的发展对于促进可持续经济和环境进步至关重要。普通波特兰水泥（OPC）材料仍然是全球使用最广泛的建筑材料（Watari等人，2022年）。然而，OPC的生产伴随着大量的二氧化碳（CO2）排放。研究表明，生产一吨OPC会释放大约800–900公斤的CO2（Wang等人，2022年），对全球碳足迹有显著贡献。最近的技术研究表明，来自这些废弃物的处理灰分似乎有助于提高混凝土的物理、机械和耐久性能（Abu el-hassan等人，2025年；Amin等人，2025b年）。甘蔗渣灰（SCBA）作为一种农业副产品，因其在环保型生物质基混凝土中的潜在应用而受到越来越多的关注（Subhani等人，2024年）。全球大约87.4%的甘蔗种植集中在15个国家（Jahanzaib Khalil等人，2021年）。同样，红泥（RM）是氧化铝生产过程中的重要工业副产品，富含二氧化硅、氧化铝、氧化钙和氧化铁（Cao等人，2024年）。全球红泥的库存已超过40亿吨，每年增加约1.5亿吨（Wang等人，2025年）。这不仅消耗了大量土地资源，还带来了严重的环境风险（Wang和Liu，2021年；Wang等人，2021年）。
近几十年来，已经证实SCBA和RM都表现出火山灰活性（Cordeiro等人，2016年；Cui等人，2024年），使它们成为生产低碳和可持续混凝土的有希望的辅助水泥基材料。SCBA适用于混凝土应用的主要原因是其高二氧化硅含量和适中的钙含量，使其能够参与火山灰反应并与波特兰石（CH）反应形成额外的C-S-H凝胶（Torres等人，2024年）。这有助于提高水泥基复合材料的机械性能和耐久性（Torres de Sande等人，2022年）。然而，需要注意的是，尽管SCBA富含SiO2，但并非所有二氧化硅都以反应性的非晶形式存在（Rossignolo等人，2018年）。实际上，SiO2以结晶相和非晶相的混合物形式存在（Marcela M. N. S.等人，2016年）。许多研究表明，SCBA替代OPC的最佳比例通常在10%–20%之间，超过这个范围后，机械性能和耐久性可能不再进一步提高（Liu等人，2024b年；Sankeeth等人，2025年）。例如，Minnu等人报告称，将SCBA掺入混凝土中最多可提高20%时，混凝土的强度和耐久性持续改善（Minnu等人，2021年）。Shaban等人（2024年）也发现，当SCBA掺量为20%时，超高性能混凝土在28天和91天时的强度达到最大值。这一发现还伴随着孔径的减小和整体基体密度的提高。Andrade Neto等人观察到，15%的SCBA替代可以降低30%–50%的氯离子扩散系数，并提高对碱-硅反应的抵抗力（Andrade Neto等人，2021年）。这些改进归因于火山灰反应生成的额外C-S-H凝胶以及结晶成分对孔结构的填充效应（Tabish等人，2025年）。在另一项研究中，Amin等人（2025a）使用糖渣灰处理回收骨料，从而提高了回收骨料混凝土的耐氯性，因为粗骨料与浆体之间的界面粘结得到了加强。然而，过量的SCBA替代会由于稀释水泥成分和相应减少的非晶反应相而降低强度发展（Chen等人，2025年；Subhani等人，2024年）。此外，原始SCBA通常含有未燃尽的碳和粗颗粒，这些成分会对其反应性产生不利影响（Li等人，2022b年）。为了缓解这些问题，已经研究了几种预处理方法。物理处理（如研磨）被用来增加比表面积。Cordeiro等人报告称，更细的SCBA颗粒可以加速水泥水化（Cordeiro等人，2017年），而Moraes等人观察到，提高细度可以增加反应性和抗压强度（Moraes等人，2021年）。化学处理（如煅烧）也被用来增强SCBA的火山灰活性。研究表明，煅烧可以减少未燃尽的碳含量并增加反应性非晶氧化物的数量（Yadav等人，2020年）。Mali等人确定了600–700°C的最佳煅烧温度范围，该温度范围可以保持非晶二氧化硅结构，并使SCBA符合ASTM C618标准的要求（Mali和Nanthagopalan，2021年）。
RM是铝土矿通过拜耳法提取氧化铝过程中产生的工业副产品。这种生产方法产生的残渣含有碱性化合物和潜在的有毒金属离子（Zhang等人，2023年），对环境构成了重大挑战，需要安全可持续的处置方案。鉴于此，大量研究致力于将RM重新用于水泥基材料（Liu等人，2024a；Wu等人，2023年），而这些材料本身也是全球碳排放的主要来源。因此，将RM掺入OPC中代表了一种潜在的协同策略，有助于废物利用和减少与建筑材料相关的碳足迹。然而，未经处理的RM通常表现出较低的火山灰活性，限制了其作为辅助水泥基材料（SCM）的有效性。为了解决这一限制，已经探索了各种活化方法（Tang等人，2024年；Wang等人，2021年），其中通过煅烧的热处理被广泛采用（Peng等人，2025年）。先前的研究表明，在400°C–800°C的温度范围内煅烧可以增强RM的反应性，促进OPC混合物在水化过程中形成额外的C-(A)-S-H凝胶（Zhou等人，2024年）。这种活化使RM掺杂的水泥基系统的抗压强度提高了10%–15%（Yan等人，2023年）。除了提高化学反应性外，煅烧还细化了RM的颗粒大小和形态，从而提高了分散性和混合均匀性（Zhao等人，2025年）。尽管有这些好处，但由于RM天然反应性较低，其掺入量仍然有限。当前的研究建议的替代率通常在15%以内（Panda等人，2024年；Patangia等人，2023年）。例如，Luo等人观察到，15%的RM替代使抗压强度提高了约14%（Luo等人，2019年）。其原因在于：（i）煅烧后的红泥颗粒较大，所需的水分较少，从而释放出更多的水分用于水泥水化；（ii）此外，两种结晶相（霓石和钙铁矾）的存在增强了整体基体的强度。然而，过量替代OPC会导致抗压强度降低，因为结晶含量的增加伴随着非晶反应相的减少。在另一项独立研究中，最佳替代率仅为5%（Manfroi等人，2014年）。
基于SCBA和RM的已知单独效应，关于它们在水泥基材料中共同使用可能产生的潜在协同效应仍存在关键的知识空白。同时，三元OPC-SCBA-RM混合物的水化过程机制及其水化产物和微观结构的物理化学特性仍然基本未知。这些空白限制了预测和优化此类复合系统性能的能力，以适应特定的工程应用。此外，与水泥的机械不兼容性和性能权衡也限制了SCBA和RM单独使用时的掺入率。这提出了一个核心研究命题，即结合SCBA-RM系统可能通过协同作用克服这些限制，从而提高废物材料的掺入阈值。然而，对于精确的化学过程、微观结构发展及其对复合材料性能的净影响缺乏机制理解。据作者所知，很少有相关研究探讨了三元OPC-SCBA-RM混合物的潜力。为了填补上述研究空白并促进SCBA和RM的可持续应用，本研究系统地提出了这一课题。采用响应面方法，制定了混合比例来评估单独使用SCBA和RM及其组合的效果。同时跟踪了水化过程和相关的强度发展。还采用了互补的分析技术来表征混合物的形态、化学和微观结构演变。最终，将提出一种最佳混合策略，以指导这类低碳三元水泥基材料的设计和应用。
材料与混合比例
本实验中使用的胶凝剂包括P·I 42.5水泥、RM和SCBA。SCBA是从中国广西南宁的一家糖厂收集的，它是甘蔗在700°C至900°C温度下燃烧的副产品。RM是从中国广西南宁的一家铝厂获得的。获得后，SCBA和RM都在马弗炉中以600°C的温度煅烧2小时（Chen等人，2025年；Zhou等人，2024年）。冷却后，样品被干磨
抗压强度和抗弯强度
图4和图5展示了添加SCBA和RM作为辅助水泥基材料的水泥基系统的抗压和抗弯性能。在二元系统中，用SCBA替代15%的OPC提高了抗压和抗弯强度。这种改进归因于三种机制：（i）稀释效应，改善了颗粒堆积并提高了有效水灰比（Wang，2014年）；（ii）SCBA中的二氧化硅和钙的火山灰反应（Li等人，2022b）；
结论
根据研究结果，可以得出以下结论：
(1)虽然含有高剂量固体废弃物的二元系统表现不佳，这是由于原始SCBA的低反应性或RM对OPC水化的抑制作用，但三元OPC-SCBA-RM系统表现出协同效应，实现了与纯水泥混合物相当或略高的机械性能。
(2)在三元OPC-SCBA-RM系统中，SCBA的早期成核作用受到RM的抑制，然而SCBA
局限性与前景
本研究的一个关键局限性是在所有混合设计中使用了恒定的水灰比（W/B）。这种方法没有考虑辅助水泥基材料（SCMs）的不同细度和内在水分需求。为了将这项工作推向实际应用，未来的研究应系统地分离W/B比率的影响与SCMs的细度和水分需求的影响。建立这种关系对于发展
CRediT作者贡献声明
易超凡：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、概念化。马兴国：撰写 – 原始草稿、方法论、调查、正式分析、数据管理。李宇恒：方法论、调查、正式分析。崔琦：方法论、调查。陈正：资源管理、资金获取、正式分析。刘建辉：资源管理、正式分析。王一辰：撰写 – 原始草稿
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了广西自然科学基金（2025GXNSFBA069535）、广西科学技术重大计划（GKAA23023034）和国家自然科学基金（52408246）的支持。
