可持续建筑修复：基于废油精炼催化剂的液压石灰砂浆优化与生态效率最大化研究

《Developments in the Built Environment》：Optimisation of hydraulic lime mortars incorporating an oil-refinery catalyst by-product for sustainable building rehabilitation

为促进可持续建筑修复，解决传统液压石灰生产高环境负荷问题，本研究采用实验设计(DoE)与响应面方法(RSM)，系统探究了将油厂流化催化裂化(FCC)单元副产物——平衡催化剂(ECat)掺入液压石灰砂浆的可行性。研究建立了关键配比参数(ECat掺量、水胶比、憎水剂用量)与砂浆性能(和易性、抗压强度Rc、超声波脉冲速度UPV、动态弹性模量Ed)间的定量模型。数值优化确定了满足不同砌体应用法规与技术要求的生态效率最优配比，证实了ECat作为副产物的高价值化潜力(最大质量掺量可达56.6%)，为降低建筑环境影响、推进循环经济与建筑行业技术创新提供了有效途径。

　　

建筑，尤其是历史建筑的修复与改造，承载着多维度的社会、环境、经济与文化价值。在这项工作中，石灰砂浆因其与老旧建材更好的相容性而备受青睐。其中，液压石灰砂浆因其水化反应快、早期强度较高，同时在物理机械性能上与砌体基底保持良好兼容，成为修复工程中的优选。然而，一个严峻的现实挑战摆在面前：石灰的生产本身是一个资源密集且能耗巨大的过程，特别是需要高温煅烧石灰石的液压石灰，其生产过程会释放大量的二氧化碳，环境足迹显著。在全球石灰砂浆市场预计以3.7%年复合增长率持续扩张的背景下，如何降低液压石灰的环境影响，同时满足修复工程对材料性能的严苛要求，成为推动可持续建筑发展的关键。

为此，研究人员将目光投向了工业领域的“废弃物”。在石油精炼厂，流化催化裂化(FCC)单元每年产生约84万吨名为“平衡催化剂”的副产物，它通常被填埋处理。这种呈灰白色、粒径约75微米的细粉，主要成分为二氧化硅和氧化铝，具有极高的比表面积和火山灰活性。能否将这种工业副产物“变废为宝”，部分替代高环境成本的液压石灰，制备出性能优异且环境友好的修复砂浆？来自里斯本工程学院（ISEL）的Carla Costa和Sandra Nunes对此展开了深入研究。他们发表于《Developments in the Built Environment》的论文，系统回答了这个问题。

本研究采用了基于中心复合设计的实验设计方法，这是一种高效的数据驱动统计框架。研究人员选取了三个关键的配比变量：ECat在胶凝材料中的质量百分比、水与胶凝材料的质量比以及憎水剂在固体材料中的质量百分比。同时，固定了骨胶比、骨料组成及其他两种外加剂的用量，以模拟一个工业化砂浆配方。研究系统地制备了20组不同配比的砂浆，并测试了其新拌状态下的流动直径以及91天龄期时的抗压强度(R_c)、超声波脉冲速度(UPV)和动态弹性模量(E_d)。通过响应面方法，建立了这些性能指标与三个变量之间的定量数学模型，并最终利用数值优化技术，寻找在满足不同砌体应用性能要求的前提下，实现生态效率最大化的最优砂浆配比。

3.1. 实验结果范围

研究涵盖了广泛的配比范围，获得了性能各异的砂浆。流动直径在151至232毫米之间变化，91天抗压强度(R_c)在0.19至1.52兆帕之间，UPV在0.84至1.45千米/秒之间，而E_d则在706至2559兆帕之间。这些结果均落在欧洲标准EN 998–1:2010为修复砂浆设定的性能范围之内，表明通过配比调整，可以获得满足工程要求的材料。

3.2. 回归模型

通过回归分析建立的数学模型均具有高度的统计显著性。分析表明，ECat的掺量是影响所有硬化性能(R_c、UPV、E_d)的最关键因素，也是影响流动性的第二重要因素。水胶比是影响流动性的最主要因素。而憎水剂用量对各项性能的影响相对最小。此外，ECat掺量与水胶比之间的交互作用在所有模型中都非常显著，表明这两个变量共同影响着砂浆的性能。

3.2.2. 混合变量对性能的单独和交互影响

响应面图清晰地揭示了变量间的复杂关系。对于抗压强度(R_c)和动态弹性模量(E_d)，随着ECat掺量的增加，性能呈现先上升后下降的趋势，存在一个最优掺量点。这表明过高的ECat掺量可能导致“稀释效应”，即总的活性胶凝材料不足，或水化反应与碳化反应竞争消耗氢氧化钙，从而限制了火山灰反应的充分进行。水胶比的增加通常会降低这些力学性能，因为多余的水分会增加硬化后砂浆的孔隙率。对于新拌砂浆的流动性，水胶比的正向影响最为显著，而ECat掺量的增加会降低流动性，这与其高比表面积和吸水性有关。

3.3. 数值优化与模型验证

研究的最终目标是通过数值优化，找到同时满足多种性能要求的“最优”配比。研究人员设定了不同的应用场景目标，例如，针对需要较高强度的砌体填充或找平砂浆，设定了R_c> 1.0 兆帕的目标；针对更注重兼容性的历史建筑表层修复，则设定了R_c在0.4-0.6兆帕之间以及E_d< 1500兆帕的目标。优化结果表明，在满足这些性能目标的同时，ECat的最大可行掺量可以达到56.6%（质量分数）。研究人员随后制备了优化后的砂浆进行验证，实验测得的所有性能值均落在模型预测的95%置信区间内，有力证明了所建立数学模型的准确性和可靠性。

本研究得出的结论具有重要意义。它证实了石油精炼厂产生的平衡催化剂(ECat)作为一种高活性火山灰材料，可以成功地大规模整合到工业液压石灰砂浆配方中，用于建筑修复。通过系统的实验设计和数学建模，研究不仅揭示了关键配比参数对砂浆性能的定量影响规律，更重要的是，通过数值优化找到了能够最大化ECat掺量（最高至56.6%）同时满足不同修复应用性能要求的具体配比方案。这标志着ECat从一种需要处理的工业废弃物，转变为一种有价值的建筑资源。

这项工作的意义超越了技术层面。它直接促进了循环经济，通过工业共生，既为石化行业解决了副产物处置问题，又为建筑材料行业提供了可持续的替代原料，减少了原生石灰的消耗及其相关的碳排放。它开发的数据驱动优化方法，为复杂建材系统的配方设计提供了科学高效的范例。最终，这项研究为生产兼具高性能、高环境效益和成本效益的下一代修复砂浆铺平了道路，有力地支持了欧盟的循环经济行动计划以及联合国可持续发展目标中关于产业创新、可持续城市、负责任消费和生产以及气候行动的多项要求，为建筑环境的绿色转型贡献了切实可行的解决方案。