**中文标题** 大理石粉与废玻璃在低碳可持续水泥基复合材料生产中的应用

《Sustainability》：Use of Marble Dust and Waste Glass in Production of Low-Carbon and Sustainable Cement-Based Composites Hasan Dilek and ?evket Can Bostanc?

　　

**摘要翻译**
本研究引入并探讨了一种新型相特异性废物利用策略，旨在同时提升水泥基材料的工程性能和环境效率。大理石粉（MD）被策略性地用作胶凝体系中的部分水泥替代物，而废玻璃（WG）则用作砂浆中的天然砂替代物。初步研究结果表明，掺入MD和WG的混合物均表现出工作性能的下降，其降低幅度分别达到48.6%和44.4%。掺入MD的混合物早期抗压强度降低了最高达9.2%，这主要归因于稀释效应，而掺入WG的混合物早期强度仅出现轻微下降。关键的是，在后期龄期（>28天）观察到显著的强度恢复。与控制混合物相比，MD和WG分别使抗压强度最终提升了最高3.8%和5.1%，而抗折强度则分别提高了6.8%和显著的13.8%。进一步分析揭示，在后期龄期（>28天）孔隙结构得到改善。掺入MD和WG的混合物的孔隙率分别大幅降低了30.1%和22.4%。类似地，吸水率也分别降低了29.5%和21.8%，研究人员将这些增强归因于MD的填充和成核效应以及WG的火山灰反应性。从环境角度看，掺入MD使CO₂排放量显著降低了最高10.87%。相反，WG通常导致轻微的增加（最高0.59%），尽管在10%的替代水平下实现了1.43%的降低。这些结果表明，与集料替代相比，水泥替代使用MD提供了更优的环境效益。该研究强调了通过这种相特异性方法成功平衡了力学性能与环境可持续性，并强调了运输距离对整体碳足迹的关键影响。

**论文解读**

随着全球基础设施需求的增长，波特兰水泥（PC）生产的高能耗与自然资源枯竭问题日益凸显。PC生产被认为是全球约8%二氧化碳（CO₂)排放的来源，且作为主要自然资源的石灰石消耗巨大。与此同时，建筑行业对砂石的巨量需求也引发了资源危机担忧。因此，利用本地废弃物部分替代水泥或骨料，被认为是实现水泥基材料低碳化与可持续生产的重要途径。大理石加工废料（大理石粉，MD）和废弃玻璃（WG）作为两种典型的本地化废弃物，其在水泥基材料中的应用虽已有研究，但现有工作多侧重于单一相替代（如仅替代水泥或仅替代砂）的工程性能评价，缺乏一种系统性的、能同时兼顾水泥浆体相和砂浆相、并综合评估工程性能与环境效率的相特异性利用框架。

为解决上述问题，研究人员提出了一种相特异性废物利用策略：将细颗粒的MD用作水泥浆体体系中的部分水泥替代物，发挥其填充与成核作用；将颗粒形态与细集料相似的WG用作砂浆体系中的天然砂替代物。研究制备了不同替代率（MD：0%、5%、10%、15%；WG：0%、10%、20%、30%）的水泥浆体和砂浆混合物，系统测试了其新拌性能（迷你坍落度、跳桌流动度、新拌密度）和硬化性能（硬化密度、抗压强度、抗折强度、孔隙率、吸水率），并对混合物生产的全生命周期等效二氧化碳排放（eCO₂）进行了环境足迹评估。该研究发表在《Sustainability》期刊上。

研究人员主要采用的关键技术方法包括：针对水泥浆体和砂浆分别设计配合比以确保工作性可比；依据ASTM标准进行迷你坍落度、跳桌、密度、强度、孔隙率和吸水率等一系列物理力学性能测试；以及基于材料生产运输边界模型进行环境可持续性（eCO₂排放）量化分析。样本均在标准水养条件下养护至7、14、28、56和90天龄期后进行测试。

**新拌性能**
研究发现，掺入MD和WG均降低了水泥浆体和砂浆的新拌流动性。MD因具有更细的颗粒粒径和更高的比表面积，增加了水需求和浆体黏聚性，导致其迷你坍落度值降幅（最高48.6%）大于跳桌流动度降幅。WG则因其破碎后产生的尖锐、不规则颗粒形状增加了内部摩擦，从而劣化了新拌性能。两种废弃物的掺入都可能增加施工时的能耗与成本。

**硬化性能**
* **密度**：由于MD和WG的比重均低于PC和天然砂，掺入它们的混合物新拌和硬化密度均有降低。MD掺入还因稀释效应限制了水化产物的形成，使硬化密度降低更明显。
* **抗折与抗压强度**：在28天及以前的早期龄期，掺入MD的浆体因水泥含量稀释导致水化产物减少、孔隙增加，其抗折和抗压强度均有所下降，且随MD掺量增加降幅增大。然而，28天后，MD的填充效应和提供额外水化成核位点的作用凸显，促进了微观结构致密化，强度得到恢复甚至超过控制组，15%掺量在90天时达到最高抗压强度。掺入WG的砂浆早期强度也因骨料-浆体界面结合较弱而轻微下降，但28天后，WG中二氧化硅（SiO₂）潜在的火山灰反应逐渐进行，生成额外的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶，改善了界面过渡区，使得后期（56天及90天）强度显著提升，30%掺量在后期表现出最佳的强度增强效果。抗折与抗压强度之间表现出高度线性相关性。
* **孔隙率与吸水率**：早期，MD因稀释效应和WG因其颗粒形状导致基体多孔，孔隙率和吸水率均高于控制组。随着养护龄期延长（>28天），MD的物理填充与成核作用，以及WG引发的火山灰反应共同作用，促进了孔结构细化，使得后期孔隙率和吸水率显著降低，甚至优于控制组。孔隙率与抗压强度、吸水率与抗压强度之间均存在强负相关关系。

**环境评估**
环境足迹分析表明，用MD替代水泥能有效降低eCO₂排放，降幅最高达10.87%，这直接减少了高碳足迹的PC用量。而用WG替代天然砂，其整体eCO₂排放与控制组接近或略有增加，这主要归因于WG的运输和破碎加工带来的额外能耗，因为天然砂本身是低碳惰性材料。研究强调，本地化供应废弃物是发挥其环境效益的关键，对于WG替代，其环境优势更多体现在缓解天然砂资源危机上，而非直接的碳减排。

**结论与建议**
综上所述，该研究验证了相特异性废物利用策略的可行性。在使用适量减水剂保证工作性的前提下，15%的MD替代水泥和30%的WG替代天然砂，均能在保证后期力学性能的同时，优化材料的耐久性（孔隙率和吸水率），并实现环境效益（MD显著减碳，WG节约资源）。MD替代水泥在降低碳排放方面比WG替代集料更为直接有效，但两者结合使用可为生产更低碳、耐用的建筑材料提供协同路径。未来研究应关注材料在严酷环境下的长期性能，并进一步通过微观结构分析揭示其作用机制。