掺入咖啡生物炭以及原始蒙脱石和煅烧蒙脱石的混凝土的力学性能、耐久性及热性能

《Frontiers in Materials》：Mechanical, durability, and thermal performance of concrete incorporating coffee biochar and raw and calcined montmorillonite

　　摘要与引言：蒙脱石是一种天然的铝硅酸盐粘土，具有作为辅助胶凝材料的潜力，尽管其原始状态下的反应性有限。本研究调查了原始蒙脱石和煅烧蒙脱石对含有15%热解咖啡渣（PCG）的混凝土性能的影响，热解温度为350°C。

方法：在400、600和800°C下煅烧的蒙脱石以5%–20%的比例替代水泥。在酸性、盐雾和热暴露条件下评估了混凝土的机械性能和耐久性。使用FTIR、XRD和SEM进行了微观结构表征，并通过双因素方差分析（ANOVA）进行了统计验证。

结果：煅烧通过无定形化和火山灰反应增强了蒙脱石的反应性，从而改善了孔隙结构并提高了基体密度。含有600°C–800°C煅烧蒙脱石的试样表现出更强的强度和耐久性。

讨论：在350°C下结合使用煅烧蒙脱石和15% PCG生物炭为提高混凝土性能提供了一种可持续的方法。

图形摘要

1. 引言
混凝土因其高抗压强度、适应性和成本效益而成为现代基础设施的支柱。然而，其固有的局限性——低抗拉和抗弯强度、易开裂以及在恶劣环境中的耐久性降低——限制了其在苛刻条件下的性能。更重要的是，生产波特兰水泥（混凝土的主要粘合剂）需要大量的能源，每生产一吨熟料会排放约0.8–0.9吨二氧化碳，占全球二氧化碳排放量的近8%。随着城市化和基础设施的迅速扩张，迫切需要采用能够减少水泥消耗同时保持或提高性能的可持续辅助胶凝材料（SCMs）（Langaroudi和Mohammadi, 2018; Lei等人, 2021; Rashid等人, 2024; Rashidi等人, 2024; Shamsa等人, 2022; Haigh等人, 2024; Macías-Párraga等人, 2025; Eliche-Quesada等人, 2021; Gomes等人, 2024）。在广泛研究的SCMs中，如粉煤灰、硅灰、稻壳灰和偏高岭土中，蒙脱石（MMT）由于储量丰富、成本低以及高硅（SiO2）和氧化铝（Al2O3）含量而受到越来越多的关注。原始MMT表现出中等的火山灰活性并具有填充效果，但其晶体结构限制了其反应性。例如，（Langaroudi和Mohammadi, 2018）报道称，加入10%–20%未煅烧的蒙脱石可以略微提高早期强度，但由于未反应的晶体相而降低了长期性能。同样，（Langaroudi和Mohammadi, 2018）发现在类似条件下，使用原始蒙脱石仅能提高5%–7%的强度，而偏高岭土或硅灰可以提高15%–20%的强度。这些发现强调了在MMT能够与传统SCMs竞争之前激活它的必要性（Latifi等人, 2018; Madirisha等人, 2019; Onyelowe等人, 2019; Marangu, 2020; Attah等人, 2023）。热活化（煅烧）是一种被证明可以增强基于粘土的材料的反应性的方法。500°C至800°C之间的煅烧会破坏蒙脱石的晶体结构，去除羟基，增加非晶态硅和氧化铝相的含量——这是火山灰反应的关键驱动因素（Langaroudi和Mohammadi, 2018; Lei等人, 2021; Rashid等人, 2024; Abdalla等人, 2023）。研究表明，煅烧后的粘土可使砂浆表面硬度提高25%，而（Shamsa等人, 2022; Ahmed, 2024; DuchesneJ, 2021; Fode等人, 2023）观察到含有煅烧蒙脱石的砂浆中氯离子渗透率降低了30%。最近的研究（Langaroudi和Mohammadi, 2018; Lei等人, 2021; Rashid等人, 2024; Rashidi等人, 2024; Wang和Zhang, 2025; Wang等人, 2019; Abdalla等人, 2023）表明，700°C–800°C的煅烧可以增强C–S–H凝胶的形成并细化孔隙结构，从而提高抗压强度和耐久性（Langaroudi和Mohammadi, 2018; Lei等人, 2021; Rashid等人, 2024; Rashidi等人, 2024; Shamsa等人, 2022）。这些结果证实，适当活化的MMT可以与高质量的火山灰材料（如偏高岭土）相媲美（Kaundal等人, 2025; Gu等人, 2024; Laidani等人, 2020; Liu等人, 2020）。尽管有这些令人鼓舞的结果，但大多数先前的研究范围有限。一些研究仅评估了机械强度，而其他研究仅关注单一的耐久性指标，如抗氯化物性。很少有研究系统地考察了原始和煅烧MMT在多种有害环境下的综合效应，包括酸性、盐雾和高温条件。例如，（Lei等人, 2021）研究了HCl溶液中的膨润土改性砂浆，但没有比较不同煅烧温度的影响。同样，（Langaroudi和Mohammadi, 2018; Lei等人, 2021; Rashid等人, 2024; Abdalla等人, 2023）研究了MMT混凝土的抗氯化物渗透性，但没有进行机械测试或微观结构分析。此外，虽然对粉煤灰和偏高岭土的研究经常使用统计模型来验证因素相互作用，但类似的方法在MMT上的应用较少。这留下了一个重要的研究空白，即完全理解煅烧温度和替代水平如何共同影响强度和耐久性。

本研究通过全面评估含有原始蒙脱石（0°C）和煅烧蒙脱石（400、600和800°C）的混凝土复合材料的性能来解决这些空白，替代水平分别为5%、10%、15%和20%。评估的机械性能包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和维氏硬度，而耐久性则通过5% HCl、5% HNO3和10% NaCl溶液中的质量损失、高温（200°C）后的残余强度以及嵌入钢筋的腐蚀潜力来检验。此外，还使用了先进的表征技术（FTIR、XRD、SEM、DSC）来建立微观结构与性能结果之间的联系。本研究的一个关键创新是应用双因素方差分析（ANOVA）和成对统计比较来量化煅烧温度和替代百分比的独立和交互效应。这种方法比以往的研究提供了更稳健的评估，因为以往的研究通常只报告平均值而没有统计验证。例如，（Langaroudi和Mohammadi, 2018; Lei等人, 2021; Rashid等人, 2024; Rashidi等人, 2024; Shamsa等人, 2022; Wang和Zhang, 2025; Wang等人, 2019; Abdalla等人, 2023）虽然定性确认了改善效果，但没有明确测试因素相互作用的显著性，从而在优化剂量和煅烧条件方面留下了不确定性。相比之下，本研究表明煅烧温度、替代剂量及其相互作用在体积密度、强度和耐久性结果上是统计显著的（p < 0.05）。

从可持续性的角度来看，使用煅烧MMT的好处有两个方面。首先，用600°C–800°C煅烧的MMT替代15%–20%的水泥可以减少水泥消耗，从而降低与熟料生产相关的二氧化碳排放。其次，改善的耐久性——特别是在硝酸暴露下质量损失减少了85%以及维氏硬度增加了30%以上——意味着更长的使用寿命和更低的维护需求，进一步降低了混凝土结构的环境影响。与其他SCMs（如稻壳灰（RHA）或粉煤灰）相比，煅烧MMT显示出类似的性能改善，而且在其缺乏火山灰或工业副产品的地区具有本地可获得的额外优势。

总体而言，本研究旨在通过结合微观结构表征、机械和耐久性测试以及统计验证，对蒙脱石作为一种可持续SCM进行全面评估。通过比较原始蒙脱石和热活化形式在多种有害环境下的表现，确定了最大化性能和可持续性的最佳替代水平和煅烧温度。最终，研究结果表明，煅烧蒙脱石不仅减少了水泥依赖性，还在恶劣使用条件下增强了混凝土的韧性——从而为全球可持续建筑做出了贡献。

2. 材料制备
本研究中使用的原始蒙脱石来自坦桑尼亚的坦加。收集后，使用实验室球磨机对原始蒙脱石进行研磨，以达到均匀的粒径。研磨后，通过325号筛子过滤，以去除较大的颗粒，确保获得适合掺入水泥复合材料的细粉末。经过研磨和筛分后，蒙脱石在不同的温度下进行煅烧，以增强其火山灰反应性。煅烧温度分别为400°C、600°C和800°C，持续时间为3小时。这些温度是根据先前的研究选择的，这些研究表明这些温度对蒙脱石的二羟基化和反应性特性最为有利。然后将煅烧后的蒙脱石冷却并储存在密封容器中，以防止吸湿。

本研究中使用的砂浆样品由四种成分组成：水泥、砂、水和蒙脱石。使用CEM I 32.5 R普通波特兰水泥（OPC）制备砂浆，并按图1所示的不同比例掺入原始蒙脱石和煅烧蒙脱石。所用的骨料为细骨料，符合ASTM标准（表2）。使用的海水是坦加水泥公司提供的蒸馏水。

图1
FTIR分析
使用X射线荧光（XRF）分析了原始蒙脱石和煅烧蒙脱石的化学成分，确认SiO2、Al2O3和Fe2O3的氧化物含量超过70%，符合ASTM C618为火山灰材料设定的最低要求。

2.1 使用的细骨料的级配
原始蒙脱石来自坦桑尼亚阿鲁沙的一个天然粘土矿床。该地区以其丰富的矿物质资源而闻名，包括适用于胶凝材料的高蒙脱石含量的粘土。提取后，对原始蒙脱石进行了初步处理，以确保粒径均匀和一致性，以便进一步加工。首先在实验室常温和下干燥以去除任何自由水分，然后使用实验室球磨机研磨成适合胶凝应用的细粉。研磨后，粉末通过325号筛子（45微米孔径）过滤，以确保颗粒符合火山灰材料所需的细度标准。筛子上保留的任何残渣都被称重并记录下来（表1），以评估研磨效率和粒径分布。

表1
筛孔尺寸（毫米）
通过百分比（上限）
通过百分比（所用砂）
通过百分比（下限）
1.18
100
100
100
0.85
98.2
8.5
97.8
0.60
97.5
97.9
4.8
0.42
59
0.18
6.6
7.6
0.30
70.36
5.34
4.7
0.21
24
4.6
37.5
24.9
0.15
10
17.4
3.4
使用的细骨料的级配

经过研磨和筛分后，对蒙脱石样品进行煅烧以增强其火山灰反应性。原始粉末在马弗炉中以三个选定的温度（400°C、600°C和800°C）热处理，每种温度持续3小时。这些煅烧温度是根据Lei等人（2021）的先前研究选择的，研究表明粘土矿物的脱羟基化——这是提高火山灰活性的关键因素——通常在400°C左右开始。此外，注意到超过900°C的温度会导致火山灰反应性显著降低，可能是由于粘土结构的结晶或烧结，因此800°C是一个合理的最高限。受控加热是在电炉中进行的，样品在炉内自然冷却至室温以避免热冲击。

为了评估本研究中使用的材料的化学成分，对原始蒙脱石、煅烧蒙脱石以及热解咖啡渣（PCG）进行了X射线荧光（XRF）分析。分析提供了主要氧化物组成的详细确定，特别关注SiO2（二氧化硅）、Al2O3（氧化铝）和Fe2O3（氧化铁），这些都是火山灰潜力的关键指标。结果总结在表2中，显示原始蒙脱石和热处理蒙脱石样品中这些氧化物的总含量超过了70%（按重量计），从而满足了ASTM C618对天然火山灰材料规定的最低化学要求（Hai和Wang, 2024）。该标准确定了用于水泥基系统的天然火山灰的标准，确保了足够的硅和氧化铝含量，以促进与氢氧化钙在水化过程中发生的二次水化反应。

表2
氧化物（%）
OPC
原始蒙脱石
煅烧400°C
煅烧600°C
煅烧800°C
PCG（350°C）
SiO2
17.5
75
0.5
15
2.1
75
3.5
0.5
7.3
0.3
4.8
Al2O3
4.0
7
12.6
21
13.2
9
13.3
10.9
36.4
Fe2O3
3.6
3
7.8
17.0
5
6.9
5
9.0
5
3.2
CaO
60.4
8
1.9
13.8
9
5.1
7.7
5
14.6
MgO
0.4
16.3
8
5.6
25.7
9
6.0
3.7
SO3
1.7
9
0.1
30.0
6
0.07
0.10
0.18
K2O
0.11
2.0
2.4
2.5
8
2.3
9.8
Na2O
0.04
2.8
8
3.2
13.2
9
3.4
9
1.4
TiO2
0.29
1.0
0.8
9
0.9
2.0
5
P2O5
0.13
0.34
0.23
0.25
0.21
1.8
LOI
10.74
10.74
9.9
34.3
0.21
18.4
2
4.3
4.3
在45微米处的残留物
12.4
9
1.7
2
0.3
1.26
0.8
2.0
5

除了蒙脱石外，还使用XRF对热解咖啡渣（PCG）进行了矿物成分的分析，以确定其热处理后的组成。结果表明，PCG含有相当数量的二氧化硅、钙和钾氧化物，反映了热解后的矿物残留物。尽管PCG并不严格满足ASTM C618标准对火山灰氧化物的要求，但其多孔碳质结构和矿物组成使其主要作为水泥基质中的微填料和内部固化剂发挥作用。相对较高的氧化物含量，尤其是SiO2和Al2O3的含量表明，原始和煅烧后的蒙脱石都具有显著的火山灰活性。然而，煅烧过程通过破坏粘土的晶体结构并增加活性铝硅酸盐相的可用性，进一步增强了这些特性。因此，热活化的蒙脱石可以作为有效的补充水泥材料（SCM），用于部分替代混凝土复合材料中的水泥。当与PCG结合使用时，煅烧后的蒙脱石可以协同改善水泥基质的微观结构。活性铝硅酸盐相与氢氧化钙发生火山灰反应，形成额外的钙硅酸氢盐（C–S–H）和钙铝硅酸盐氢盐（C–A–S–H）凝胶，而多孔的PCG颗粒有助于保持水分并细化孔隙结构。因此，这两种材料的加入可以提高混凝土的机械性能、耐久性以及可持续性，同时减少与水泥生产相关的环境影响。

2.2 实验方案
2.2.1 材料表征
本研究中使用的蒙脱石来源于坦桑尼亚北部的Tanga和Arusha地区的粘土矿床，这些地区拥有丰富且地质性质相似的粘土资源，适合用于建筑和工程应用。这两个地点属于同一条含粘土的地质带，样品是从连续且矿物成分均匀的矿床中采集的。为了尽量减少潜在的变异性，收集到的材料被视为单一来源，在使用前经过充分混合并在相同条件下处理。
采集后，原始粘土在实验室环境中风干，使用实验室球磨机机械研磨，并通过325目（45微米）筛网筛分，以获得均匀的粒度分布。这种细度符合ASTM C618对火山灰材料的要求，从而确保评估热活化效果时的材料一致性。
热活化是通过在电炉中以400°C、600°C和800°C的温度下煅烧制备好的蒙脱石来实现的，煅烧时间为3小时。煅烧后，样品在炉内自然冷却以防止热冲击。选择这些温度是因为已有文献表明，粘土矿物的脱羟基化大约在400°C开始，而高活性非晶态铝硅酸盐相的形成则在600°C–800°C范围内达到最大。超过900°C的煅烧会导致重结晶和相变，转变为反应性较低的结晶形式；因此，800°C被确定为最佳火山灰活化的上限。
采用X射线荧光（XRF）分析方法测定了原始蒙脱石和煅烧后蒙脱石的化学组成。所有样品中SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量均超过70%，满足ASTM C618对天然火山灰的要求。煅烧导致失水率（LOI）降低，这是由于结构水和吸附水的去除，同时CaO含量略有增加，表明火山灰活性得到了增强。
通过测量比表面积和比重来评估物理性质。Brunauer–Emmett–Teller（BET）分析显示，比表面积从原始粘土的32.5 m2/g增加到800°C煅烧后的61.7 m2/g，证实了颗粒细化程度的提高以及可用反应位点的增加。使用Le Chatelier方法测得的比重从原始蒙脱石的2.53 g/cm3增加到800°C煅烧后的2.70 g/cm3，表明结构更加致密，颗粒排列更加紧密。
通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）研究了煅烧引起的微观结构和矿物学变化。FTIR光谱在400–4,600 cm-1范围内记录到随着温度升高，OH伸缩带逐渐减弱，Si–O伸缩振动从原始蒙脱石的约984 cm-1移动到800°C时的约1,040 cm-1，表明结构无序性增加和非晶化程度提高。XRD图谱显示，蒙脱石的特征结晶峰逐渐消失，特别是在800°C时出现了宽泛的非晶态铝硅酸盐相。SEM显微图也支持了这些观察结果，显示从原始粘土中的清晰层状结构转变为更高煅烧温度下的碎片化、更致密且分散更均匀的非晶颗粒。
总体而言，这些结果表明，煅烧通过增加比表面积、降低结晶度以及促进与氢氧化钙反应的非晶态铝硅酸盐相的形成，显著增强了蒙脱石的反应性。这一转变证实了煅烧后的蒙脱石作为可持续补充水泥材料的适用性，具有显著提高混凝土机械性能和耐久性的潜力。

2.3 实验方案
实验方案旨在系统评估蒙脱石煅烧温度和水泥替代比例对含有咖啡生物质炭（PCG）的混凝土的机械性能、耐久性和微观结构的影响。为了确保观察到的性能变化直接归因于这些变量，其他关键混合参数被刻意固定并在下文中有科学依据。这种控制方法减少了混淆因素，增强了比较分析的可靠性。
混凝土混合物使用普通波特兰水泥（CEM I 32.5 R）、天然河沙、饮用水、蒙脱石（原始和煅烧后的）和热解咖啡渣（PCG）制备。咖啡废弃物在限氧条件下于350°C下热处理，生成的是咖啡生物质炭而非燃烧灰分。这种区别很重要，因为热解产生的主要是部分碳化的多孔碳质材料，其物理化学性质与完全燃烧产生的矿物灰分不同。因此，在整个研究中该材料被称为咖啡生物质炭（PCG biochar）。
咖啡生物质炭在所有混合物中作为细骨料的恒定替代品，替代比例为15%。这一比例是基于先前的研究和机理考虑选定的。多项研究表明，大约15%的生物质炭替代比例可以平衡机械强度保持、耐久性提高和微观结构细化。在约350°C的热解温度下，大部分挥发性化合物被去除，同时保留了稳定的、部分碳化的多孔结构。这种结构使生物质炭颗粒主要作为微填料和局部水分储存器，有助于水泥基质的内部固化和孔隙细化。低于这一替代比例通常会产生有限的填充和密实化效果，导致性能提升有限。相反，过高的替代比例可能会破坏承重骨料骨架，增加孔隙率，并由于生物质颗粒的刚度和密度相对较低而降低抗压强度。因此，将咖啡生物质炭含量固定为15%可以确保机械稳定性，提高重复性，并避免因骨料体积分数变化带来的混淆效应。
在整个研究中，水灰比（w/c）也保持不变，以消除水化动力学和孔结构发展中的变异性。由于水灰比强烈影响强度、渗透性和耐久性，保持其不变可以确保性能变化直接与蒙脱石煅烧温度和替代比例相关，而非基质水分含量的变化。
通过保持一致的PCG生物质炭含量、骨料级配、固化条件和混合程序，实验设计隔离了蒙脱石热活化的效应。这种结构化方法增强了统计分析的有效性，并有助于准确解释煅烧温度对火山灰活性、基质致密化和长期耐久性能的影响（Rashid等，2024；Rashidi等，2024；Shamsa等，2022）。
所有混合物的水灰比（w/c）固定为0.485，以确保一致的水化条件、相似的工作性和可控的孔结构发展。在含有蒙脱石和咖啡生物质炭的水泥体系中，水需求受到粘土矿物的高比表面积、层状结构和吸附能力以及生物质炭颗粒内部孔隙性的显著影响。这些材料吸收了部分混合水，减少了可用于水泥水化和固化的有效自由水。
在传统的砂浆和混凝土体系中，结构应用的实际允许水灰比范围通常在0.40到0.55之间，具体取决于强度和耐久性要求。低于约0.40的比例可能导致工作性不足和水化不完全，如果不使用减水剂的话；而高于约0.55的比例则会显著增加毛细孔隙率和渗透性，从而降低强度和长期耐久性。考虑到蒙脱石和咖啡生物质炭的额外吸水性，选择0.485作为控制范围内的中间值，既能补偿吸附效应，又避免了因自由水过多而可能掩盖煅烧温度影响的问题。
如果采用更低的水灰比，有效水分不足可能导致工作性降低和微观结构缺陷。相反，更高的比例会增加毛细孔连通性和耐久性下降。通过在整个混合物中保持恒定的水灰比0.485，可以自信地将强度和耐久性的变化归因于煅烧引起的相变、火山灰活性和基质致密化效应，而不是水分含量的不可控差异（Wang和Zhang，2025；Wang等，2019）。
所有混合物中的砂含量也保持不变，以消除骨料堆积密度和界面过渡区变化的影响，这两者都会强烈影响强度和渗透性。固定细骨料含量使实验设计能够隔离粘结剂改性的效果，并确保混合物之间的有意义比较。
蒙脱石以原始状态以及在400°C、600°C和800°C下煅烧后的形式加入，分别按质量替代了5%、10%、15%和20%的水泥。还制备了不含蒙脱石的对照混合物。所有混合物均按照ASTM推荐的混合、浇筑和固化程序制备，以确保可重复性。
实验方案包括机械测试（抗压强度、抗拉强度和抗弯强度以及维氏硬度）、耐久性评估（酸侵蚀、氯化物暴露、腐蚀潜力以及热暴露后的残余强度），以及使用FTIR、XRD和SEM进行微观结构表征。为了定量评估煅烧温度和替代比例的单独和交互效应，所有实验结果均采用双因素方差分析（ANOVA）进行分析。

2.3.1 抗压强度（Fc）
抗压强度衡量材料抵抗导致尺寸减小的载荷的能力。其计算公式如下：
Fc = P / A
(1)
其中：Fc = 抗压强度（单位：N/mm2或MPa）；P = 施加在试样上的最大载荷（单位：牛顿）；A = 立方体的横截面积（单位：mm2）。对于一个50 mm × 50 mm的立方体，A = 2,500 mm2。

2.3.2 抗拉强度（Tt）
抗拉强度评估材料抵抗轴向拉伸的能力，使用棱柱试样进行测定。计算公式如下：
Fc = (2PπD) / L
(2)
其中：Fc = 抗拉强度（单位：N/mm2或MPa）；P = 施加在试样上的最大载荷（单位：牛顿）；d = 试样厚度（单位：mm）；L = 试样长度（单位：mm）。该公式适用于不使用圆柱形或分体式拉伸试样的情况，而是直接使用棱柱进行拉伸测试。

2.3.3 抗弯强度（断裂模量）（Fr）
抗弯强度反映材料抵抗弯曲的能力，计算公式如下：
Fr = (3P L) / (b d2)
(3)
其中：Fr = 抗弯强度（单位：N/mm2或MPa）；P = 施加在棱柱中心的最大载荷（单位：牛顿）；L = 支撑之间的跨度（通常为100 mm）；b = 棱柱宽度（40 mm）；d = 棱柱深度（40 mm）。

2.3.4 高温下的强度损失
该指标评估由于热暴露导致的抗压强度降低，计算公式如下：
Strength Loss (%) = (Fc(ref) / Fc(T)) × 100%
(4)
其中：Fc(ref) = 室温下的抗压强度（参考值）；Fc(T) = 高温暴露后的抗压强度。结果以强度损失的百分比表示。

2.3.5 质量损失百分比
该指标通过测量试样在酸性或盐性环境中的质量损失来评估耐久性，计算公式如下：
Mass Loss (%) = (M_i - M_f) × 100%
(5)
其中：M_i = 暴露前的初始质量（单位：克）；M_f = 暴露后的最终质量（单位：克）。结果表示为质量损失的百分比。

2.3.6 残余强度百分比
该指标衡量材料在恶劣条件（如酸性、盐性）下的剩余强度，计算公式如下：
Residual Strength (%) = (Fc(exp) / Fc(ref)) × 100%
(6)
其中：Fc(exp) = 暴露后的抗压强度；Fc(ref) = 标准条件下的参考抗压强度。结果表示保留的强度百分比。样品制备所用的材料混合比例和数量如表3所示。

表3 样品
W/水泥（克）
砂（克）
原始蒙脱石（克）
M400（克）
M600（克）
M800（克）
对照组
0.485
2,400
6,600
0
0
0
S5M原始
0.485
2,280
6,600
1,200
0
0
S10M原始
0.485
2,160
6,600
2,400
0
0
S15M原始
0.485
2,040
6,600
3,600
0
0
S20M原始
0.485
1,920
6,600
4,800
0
0
S5M400
0.485
2,280
6,600
0
1,200
0
S10M400
0.485
2,160
6,600
0
2,400
0
S15M400
0.485
2,040
6,600
0
3,600
0
S20M400
0.485
1,920
6,600
0
4,800
0
S5M600
0.485
2,280
6,600
0
0
1,200
S10M600
0.485
2,160
6,600
0
0
2,400
S15M600
0.485
2,040
6,600
0
0
3,600
S20M600
0.485
1,920
6,600
0
0
4,800
S5M800
0.485
2,280
6,600
0
0
1,200
S10M800
0.485
2,160
6,600
0
0
0
2,400
S15M800
0.485
2,040
6,600
0
0
0
3,600
S20M800
0.485
1,920
6,600
0
0
4,800
用于样品制备的材料。

2.3.7 烧结蒙脱石和热解咖啡渣（PCG）的物理性质
蒙脱石的比表面积和比重是其性能的关键物理特性，对水泥复合材料的影响显著。比表面积指的是单位质量材料可用的总表面积。较高的比表面积意味着材料在水泥水化过程中有更多的反应位点进行化学作用。在本研究中，比表面积是使用Brunauer–Emmett–Teller（BET）表面分析仪根据ISO 9277:2010标准测定的，该方法通过测量氮吸附来高精度评估可用表面积。

当蒙脱石通过煅烧进行热活化时，其层状晶体结构会分解，导致表面积增加，产生更细小、更无定形的颗粒。这种增强的表面积通过促进额外的水泥质化合物（如钙硅酸氢盐凝胶）的形成，从而提高砂浆的火山灰活性，使其微观结构更加致密和坚固。然而，表面积的增加也会增加混合物对水的需求，这可能影响新拌砂浆的可操作性等性能。

另一方面，比重表示材料相对于水的密度，可以了解材料在混凝土基质中的固体相体积和堆积情况。在本研究中，比重是使用Le Chatelier烧瓶装置根据ASTM C188或EN 196–6标准测定的，该方法通过测量已知质量的材料在煤油或水中排开的体积来测定。煅烧后，蒙脱石的比重通常会略有增加，这是由于结构致密化和羟基团损失所致。这种更高的密度有助于改善颗粒堆积，降低混凝土基质的整体孔隙率，从而提高机械强度和耐久性。此外，了解比重可以精确计算混合设计中的体积替换比例，确保混凝土性能的一致性和优化。

这两个物理性质——比表面积和比重——共同决定了蒙脱石在水泥系统中的相互作用方式。比表面积的增加增强了化学反应性和二次水化产物的形成，而比重则影响体积稳定性和基质的稠密性。它们的共同作用使得含有煅烧蒙脱石的混凝土具有更高的强度、更低的渗透性和更好的耐久性。理解和控制这些性质对于优化蒙脱石作为可持续水泥掺合料的使用至关重要。

2.3.8 比表面积
比表面积（SSA）表示单位质量材料可用的总表面积，是其反应性的关键指标。对于蒙脱石这样的火山灰材料，较高的比表面积提供了更多的活性位点，以与水泥水化过程中释放的氢氧化钙发生反应，从而促进额外的水泥质产物（如钙硅酸氢盐（C–S–H）和钙铝硅酸氢盐（C–A–S–H）凝胶的形成。

在天然状态下，由于层状晶体结构紧密，蒙脱石的比表面积相对较低。然而，随着煅烧过程脱水及层状结构的部分崩解，会产生更细小、更无定形的颗粒，其反应表面积显著增加。这种表面积的增加促进了更快速、更广泛的火山灰反应，从而形成更致密、更具凝聚力的微观结构，表现出更好的机械性能和耐久性（见表4）。

表4 样品
热处理温度（°C）
比表面积（m2/g）
原始蒙脱石（未煅烧）
32.5
煅烧蒙脱石
400
45.8
煅烧蒙脱石
600
54.3
煅烧蒙脱石
800
61.7
热解咖啡渣（PCG）
350
16.8

尽管如此，较高的比表面积也会增加混合物对水的需求，因为更大的颗粒表面积需要额外的水来维持适宜的可操作性。因此，可能需要调整混合比例以保持一致性和流动性。

本研究中测得的BET比表面积值（表4）显示，随着煅烧温度的升高，比表面积从原始蒙脱石的32.5 m2/g增加到800°C时的61.7 m2/g。350°C热解的咖啡渣（PCG）的比表面积为16.8 m2/g，表明其具有适度的细度，与煅烧粘土的反应潜力相辅相成。这种表面积特性的增强突显了煅烧在改善蒙脱石作为可持续水泥掺合料的物理化学性能中的关键作用。

2.3.9 比重
比重（SG）定义为材料密度与指定温度下水密度的比值。它反映了固体颗粒的固有密度，并在确定水泥质材料的体积配比和堆积特性中起着重要作用。在混合设计中，准确了解比重可以确保使用蒙脱石等掺合料（SCMs）部分替代水泥时的正确体积替换。

对于蒙脱石而言，比重可以反映其微观结构的稠密性以及煅烧过程中实现的致密程度。热活化会导致结构变化，如脱氢和挥发性成分的去除，从而形成更致密、更稳定的无定形相。因此，蒙脱石的比重随煅烧温度的升高而增加，表明颗粒更加致密，内部孔隙减少。

在本研究中，原始蒙脱石的比重为2.53 g/cm3，而400°C、600°C和800°C煅烧后的比重分别增加到2.60、2.65和2.70 g/cm3（见表5）。密度的增加表明结构更加致密，固体框架更加强固。相比之下，350°C热解的咖啡渣（PCG）的比重为1.85 g/cm3，与其多孔的碳质结构一致。

表5 样品
热处理温度（°C）
比重（g/cm3）
原始蒙脱石（未煅烧）
2.53
煅烧蒙脱石
400
2.60
煅烧蒙脱石
600
2.65
煅烧蒙脱石
800
2.70
热解咖啡渣（PCG）
350
1.85

煅烧后蒙脱石比重的增加有助于提高水泥基质的堆积效率和降低孔隙率。更致密的微观结构减少了孔隙连通性，增强了混凝土的机械强度和耐久性。相反，如果在混合设计中忽略比重差异，可能会导致体积比例不准确，从而引起可操作性、强度和长期性能的不理想变化（见表5）。

总体而言，随着煅烧温度的升高，比重的增加证实了蒙脱石的结构致密化和火山灰活性的增强，进一步证明了其作为高性能、热活化掺合料的适用性。

3 方法
本研究的方法论采用系统方法评估了原始蒙脱石和煅烧蒙脱石在各种恶劣环境中的混凝土配方性能。

3.1 原始蒙脱石和煅烧蒙脱石的反应性
对于原始蒙脱石和煅烧蒙脱石，进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）表征，以评估煅烧带来的反应性变化。使用Analytical X′Pert Pro X射线衍射仪，在30 mA和40 kV的条件下，通过10°–90°的宽2θ范围分析矿物相。A224159 SHIMADZU傅里叶变换红外光谱仪记录了400至4,600 cm-1波长范围内的透射峰百分比。

两种方法均使用了通过325号筛网筛选的原始蒙脱石和不同煅烧程度的蒙脱石粉末样品。

3.2 新拌砂浆的体积密度
结果表明，将煅烧蒙脱石和原始蒙脱石加入混凝土会降低新拌砂浆的体积密度。随着蒙脱石含量从5%增加到20%，新拌砂浆的体积密度显著降低。这主要是由于蒙脱石的比重低于水泥，导致混凝土混合物的整体单位体积质量减少。

新拌砂浆体积密度的降低可由多种因素解释。蒙脱石具有层状硅酸盐结构和高比表面积，这增加了混合物对水的需求，从而影响其可操作性和压实性能。此外，蒙脱石的颗粒尺寸较细，相对于水泥体积较大但质量较低，导致体积更大而质量减少。煅烧蒙脱石的火山灰活性使其能够部分替代水泥并促进额外钙硅酸氢盐（C–S–H）凝胶的形成，但这主要影响长期强度而非新拌砂浆的密度（Langaroudi和Mohammadi，2018）。

新拌砂浆体积密度的降低也可能由于蒙脱石替代比例较高时吸水量增加所致，因为蒙脱石的高比表面积会吸收更多水分，改变混合物的水灰比，从而略微降低压实效率。此外，提高蒙脱石的煅烧温度会进一步降低新拌砂浆的体积密度。这是由于蒙脱石结构在高温下分解，产生更细小、更多孔隙的颗粒，占据更多的体积但质量较低。

3.3 原始蒙脱石和煅烧蒙脱石的反应性
对于原始蒙脱石和煅烧蒙脱石，进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）表征，以评估煅烧带来的反应性变化。使用Analytical X′Pert Pro X射线衍射仪，在30 mA和40 kV的条件下，通过10°–90°的宽2θ范围分析矿物相。A224159 SHIMADZU傅里叶变换红外光谱仪记录了400至4,600 cm-1波长范围内的透射峰百分比。

3.4 新拌性能
火山灰材料的体积密度与其与氢氧化钙的反应性有关，从而形成水合钙硅酸盐。较高的比表面积导致更强的火山灰活性，使水泥材料的新鲜体积密度降低。使用一升圆柱容器测量了原始蒙脱石和煅烧蒙脱石混合砂浆的新拌体积密度。

3.5 硬化性能
通过抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、强度活性指数（SAI）、维氏硬度、化学抗性和耐热性测试评估了蒙脱石混合混凝土的硬化性能。这些测试旨在评估其在恶劣环境条件下的机械性能和耐久性。

制备了50 × 50 × 50 mm3的立方体试样进行抗压强度测试，而40 × 40 × 160 mm3的棱柱试样用于抗弯强度测试。所有试样在浇筑后24小时脱模，并在25°C ± 2°C的控制温度下水中养护至指定测试龄期。每种混合比例和每个养护龄期都测试了三个重复样本，并报告了平均值。计算标准差以评估结果的变异性并确保统计可靠性。

抗压强度测试按照ASTM C109标准进行，使用Zwick-Roell数字抗压强度机，加载速率为1800 N/s。抗弯强度测试按照ASTM C348程序使用DKZ-5000电子抗弯测试机进行。在28天、56天和90天的养护龄期评估了机械性能。

28天时的强度活性指数（SAI）用于量化原始蒙脱石和煅烧蒙脱石的火山灰贡献。其计算公式为：
SAI(%) = (fc, MMT / fc, Control) × 100

维氏硬度测试在控制加载条件下使用钻石形状压头进行。硬度值（HV）的计算公式为：
HV = 1.854 × Fd2 / d

对于耐久性评估，将砂浆立方体（150 × 150 × 150 mm3）浸入5% HCl、5% HNO3和10% NaCl溶液中90天。暴露后测量质量损失和残余抗压强度。通过将固化的试样置于200°C下保持2小时来评估热阻，随后测量其残余抗压强度。所有实验结果均使用双因素方差分析（two-way ANOVA）进行统计分析，以评估煅烧温度和替代水平的独立效应及交互效应。此外，还通过使用菱形压头对测试材料进行维氏硬度测试，并根据公式9计算维氏硬度：HV=2Fsin(θ/2) 2d2=1.854 Fd2 来评估硬度（9）。在本研究中，负载（F）以kgf为单位，压头压痕区域的两个对角线的算术平均值（d）以mm为单位，维氏硬度（HV）以kgf/mm2表示。

酸腐蚀测试使用了体积为150 mm3的混凝土试样，这些试样被浸泡在由盐酸和硝酸制成的5%酸性溶液中90天。所有立方体的质量在浸泡前被记录下来，并在酸性溶液中保持总共90天。之后，将混凝土试样从酸溶液中取出，在室温下晾干24小时。晾干后进行抗压强度测试，并通过比较立方体的质量损失和与水中养护的试样相比的强度损失来确定其抗酸腐蚀能力，具体结果如表6所示。

**表6：测试类别、测试类型、试样尺寸（mm）以及每个养护/暴露条件下的试样数量和每次混合的总试样数量**

**标准测试项目：**
- **新鲜性能测试：**
- 坍落度测试（Standard slump cone，高度100/200/300 mm）：3次
- 混合后立即测试（Fresh state）：ASTM C143
- 新鲜密度（7-L密度模具）：3次
- 混合后立即测试（Fresh state）：ASTM C138

**力学性能测试：**
- 抗压强度（立方体）：150 × 150 × 150 mm3的立方体，每个龄期3个，共9个（28天、56天、90天）：
- 27°C ± 2°C下水养护，脱模后24小时：EN 12390–3
- 抗压强度（圆柱体）：150 × 300 mm3的圆柱体，每个龄期3个，共9个：
- 27°C ± 2°C下水养护：ASTM C39
- 分裂抗拉强度：150 × 300 mm3的圆柱体，每个龄期3个，共9个：
- 27°C ± 2°C下水养护：ASTM C49
- 弯曲强度：100 × 100 × 500 mm的梁，每个龄期3个，共9个：
- 27°C ± 2°C下水养护：ASTM C78
- 维氏硬度：抛光混凝土表面，3个试样，养护后测试（28天和90天）：ASTM E384

**耐久性测试：**
- 抗酸腐蚀（5% HCl & HNO3）：150 × 150 × 150 mm3的立方体，3个试样，浸泡在酸溶液中90天
- 抗氯离子/盐腐蚀：150 × 150 × 150 mm3的立方体（含有嵌入钢筋），3个试样，浸泡在10% NaCl溶液中90天：ASTM C876
- 热暴露：150 × 150 × 150 mm3的立方体，经过90天200°C烘烤后进行后暴露测试及微观结构分析（FTIR，粉末样品<75 μm）

**混凝土混合物的测试条件：**

对于盐腐蚀测试，使用了含有掺杂钢筋的普通砂浆立方体和钙质砂浆立方体，这些立方体是用原始蒙脱石和煅烧蒙脱石混合的砂浆制备的，然后浸泡在10% NaCl溶液中。浸泡90天后，将样品取出并在室温下晾干24小时。记录由于盐环境导致的质量损失，并通过观察钢筋表面的情况来评估其抗腐蚀性，同时考虑了原始蒙脱石和煅烧蒙脱石的不同掺量的影响。

此外，还研究了高温的影响，使用了一个50 mm3的砂浆试样，在经过90天养护后将其置于200°C的电子烤箱中加热2小时。记录了高温处理前后的质量变化，随后进行抗压强度测试。

**3.6 结果与讨论**
**3.6.1 微观结构与物理化学表征**
为了理解蒙脱石混合混凝土优异性能的机制，进行了全面的化学和微观结构表征。傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）的联用提供了关于粘合剂系统随煅烧温度（T）、替代水平（R）及其交互作用（T × R）变化的物理化学演变的互补证据。分析结果表明，600°C至800°C之间的煅烧产生了高活性的非晶态铝硅酸盐，这些铝硅酸盐促进了广泛的火山灰反应，导致微观结构精细化、孔隙率降低和相稳定性提高。

**3.6.2 FTIR分析**
傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于评估蒙脱石煅烧及其与咖啡灰混合物中的相互作用所引起的化学结构变化。如图1所示，原始蒙脱石在大约3,383 cm-1处显示一个宽峰，对应于结构羟基团和层间水的O–H伸缩振动；而在1,634 cm-1附近的峰与吸附水的H–O–H弯曲振动相关，反映了水合且结构有序的粘土基质。

在400°C煅烧后，与羟基相关的峰强度下降，表明发生了部分脱羟基作用和物理结合水的去除。这一变化标志着粘土结构的初步热激活以及挥发性成分（包括与咖啡灰相关的残留有机物质和碳酸盐成分）的分解，这体现在2,361 cm-1处峰强度的降低（Langaroudi和Mohammadi，2018）。在更高的煅烧温度（600°C–800°C）下，羟基峰显著减弱或消失，证实了铝硅酸盐框架的广泛脱羟基和崩塌。同时，主导的Si–O伸缩振动增强并向约1,032 cm-1处移动，伴随着峰宽的增加。这种行为表明形成了无序的非晶态Si–O–Al键合。916 cm-1处的峰减弱，与Al–Al–OH弯曲有关，进一步证实了八面体层的破坏。这些分子层面的变化直接解释了咖啡灰混凝土复合材料机械性能的提高。非晶态铝硅酸盐相的形成增加了活性二氧化硅和氧化铝的可用性，这些成分易于与水泥水化过程中释放的氢氧化钙发生火山灰反应，从而形成了C–S–H和C–A–S–H凝胶，导致孔隙细化及基质致密化，增强了界面过渡区的强度，进而提高了抗压、抗拉和抗弯性能（Abdalla等，2023）。

从耐久性的角度来看，高温煅烧引起的广泛脱羟基和非晶化促进了氢氧化钙的快速消耗，减少了易受酸和氯离子攻击的波特兰石含量。孔隙连通性的降低和稳定的二次水化产物的共同作用限制了侵蚀性离子的侵入，从而增强了长期耐久性。本研究中观察到的FTIR趋势与掺入粉煤灰和偏高岭石的混合物的结果一致，其中非晶化和氢氧化钙的消耗同样对强度和耐久性的提升起到了关键作用。

从原始蒙脱石到800°C煅烧蒙脱石的转变清楚地展示了热处理如何影响材料的化学和结构。原始蒙脱石含有大量的水和羟基，热稳定性最差。逐渐提高煅烧温度可去除水分和羟基团，将粘土转化为更稳定的相，改善了材料的耐热稳定性、纯度及适用于高端应用的性能。800°C煅烧的样品在完全脱羟基和结构稳定性方面表现最佳，其次是600°C样品，其结构较为平衡；400°C样品有部分变化；最后是原始样品，仍保持较大的水含量和未改变的结构。这些数据对于根据特定工业应用的需求定制蒙脱石至关重要（Ahmed，2024）。

总体而言，FTIR分析证实煅烧将蒙脱石转化为化学性质活泼的铝硅酸盐相，与咖啡生物炭协同作用，为混凝土复合材料的机械和耐久性提升提供了分子层面的解释。

**3.6.3 XRD分析**
X射线衍射（XRD）分析用于研究蒙脱石煅烧引起的相变化及其对混凝土复合材料力学和耐久性能的控制作用。原始蒙脱石的衍射图谱显示出典型的结晶层状铝硅酸盐结构的尖锐、明确定义的峰。这种高度有序的结构化学稳定性很高，因此其火山灰反应活性较低，因为二氧化硅和氧化铝在晶格中的结合强度较大。

在400°C煅烧后，峰强度明显下降，表明脱羟基作用开始，层状结构部分破坏。此时，结构羟基的去除削弱了层间键合并引发了晶格崩塌；然而，结晶峰的持续存在表明转变尚未完成，限制了反应性的增强程度（Abdalla等，2023）。

在600°C时，衍射峰显著变宽且强度减弱，反映出结晶性的明显丧失和非晶态铝硅酸盐相的形成。这种结构非晶化对强度发展至关重要，因为它增加了能够与水泥水化过程中释放的氢氧化钙发生火山灰反应的活性二氧化硅和氧化铝的可用性。由此形成的C–S–H和C–A–S–H凝胶导致孔隙细化及基质致密化，增强了界面过渡区的强度（Langaroudi和Mohammadi，2018）。

在800°C时，大部分特征性的蒙脱石峰消失，被宽泛的衍射峰取代，表明非晶态铝硅酸盐相占主导。这种相变化对耐久性能至关重要，因为它促进了氢氧化钙的大量消耗，减少了易受酸和氯离子攻击的波特兰石的含量。此外，稳定的二次水化产物的形成减少了孔隙连通性，限制了侵蚀性离子的侵入。因此，非晶态铝硅酸盐相的形成被认为是提高耐久性的关键相变。

**图2：XRD分析**
原始蒙脱石的效果最差，因为它主要含有结晶相，且无序程度较低。虽然石英具有热稳定性，但在水泥环境中基本呈惰性，结晶粘土晶格不会促进显著的化学反应（Ndahirwa等，2022；Sakir等，2020）。

综上所述，有效性排序为：800°C > 600°C > 400°C > 原始蒙脱石。这一排序基于XRD图谱揭示的非晶化程度、脱羟基程度和相分解程度。非晶化程度越高，活性Si–Al物种的浓度越大，这些物种对火山灰反应至关重要。因此，800°C的煅烧过程产生了最适合水泥应用的活性蒙脱石，而较低的煅烧温度则产生活性较低的蒙脱石。

**3.6.4 SEM形态学分析**
扫描电子显微镜（SEM）用于观察含有原始蒙脱石和煅烧蒙脱石的混凝土的微观结构特征，并将这些特征与机械强度和耐久性能联系起来。对照组混合物和含有原始蒙脱石的混凝土表现出相对疏松且不均匀的微观结构，特征是可见的毛细孔、堆积不紧密的水化产物以及明显的界面过渡区（ITZ）。板状粘土颗粒和未反应相仍然存在，表明火山灰反应活性有限，微观结构发展不完全。

含有400°C煅烧蒙脱石的混凝土在基质致密性方面有所改进，水化产物的形成增加，孔隙尺寸减小，但微观结构仍不均匀，反映了粘土矿物的活化不完全和二次凝胶形成的有限（Abdalla等，2023）。

在600°C煅烧后，SEM图像显示出更加致密且均匀的微观结构。水泥基质主要由分布良好的C–S–H和C–A–S–H凝胶构成，毛细孔隙显著减少，ITZ也不明显。这种致密化归因于煅烧蒙脱石的增强火山灰反应活性，促进了水泥浆与骨料之间的粘结（Ca(OH)2消耗+孔隙细化）。这些微观结构特征与掺入粉煤灰和偏高岭石等常用掺合材料的混凝土相似，其中二次凝胶的形成和孔隙细化是提升强度的主要机制（Langaroudi和Mohammadi，2018）。

含有800°C煅烧蒙脱石的混凝土显示出最致密且连续的微观结构，特征是密集的凝胶网络，微观裂缝极少，孔隙连通性大幅降低。二次水化产物的大量形成有效填充了孔隙，增强了ITZ的强度。这种精细的微观结构对于耐久性能尤为重要，因为孔隙连通性的降低限制了酸和氯离子等侵蚀性物质的侵入，而波特兰石富集区域的减少增强了抗化学攻击的能力。类似的与耐久性相关的微观结构益处也在粉煤灰和偏高岭土基系统中得到了报道，这进一步支持了煅烧蒙脱石作为可比较的辅助胶凝材料的有效性（Lei等人，2021年；Rashidi等人，2024年；Ahmed，2024年；DuchesneJ，2021年；Fode等人，2023年）。表面纹理变得更加粗糙和异质，有利于机械互锁并改善复合材料内部的荷载传递。最明显的变化出现在800°C下煅烧的样品中。扫描电子显微镜（SEM）图像（图3）显示蒙脱石片层分解成细小的无定形颗粒，这些颗粒均匀分布在基体中。这种处理有效地形成了具有高火山灰活性的偏高岭土类似相，这一点也得到了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析的支持。微观结构显示出显著的致密化，微孔和钙矾石晶体的数量大幅减少，从而增强了界面过渡区（ITZ）的粘结作用，并形成了致密的基体结构（DuchesneJ，2021年；Fode等人，2023年；Ndahirwa等人，2022年；Sakir等人，2020年）。图3中的SEM图像显示了蒙脱石的形态变化：（a）原始状态，（b）400°C煅烧后，（c）600°C煅烧后，以及（d）800°C煅烧后，随着温度的升高，形态发生了变化并且密度增加。这些微观结构的改善与（Abdalla等人，2023年）观察到的最高机械强度和耐久性结果密切相关。总体而言，SEM分析提供了直接的证据，证明蒙脱石的热活化将其转化为一种高反应性的辅助胶凝材料（SCM），有助于孔隙细化、基体致密化以及在多种环境条件下提高机械互锁性。然而，人们认识到，使用汞侵入孔隙率法（MIP）或纳米压痕法进行进一步量化研究可以提供更深入的孔径分布和微观尺度机械性能的见解，这建议在未来的研究中进行。

3.6.5 综合解释
傅里叶变换红外光谱（FTIR）- X射线衍射（XRD）- 扫描电子显微镜（SEM）的综合证据提供了化学和结构变化如何驱动性能提升的连贯图景。脱羟基化（300°C–600°C）导致结构中的-OH基团破坏；非结晶化（600°C–800°C）形成反应性的无序Si–O–Al晶格；水化反应产生交联的C–A–S–H凝胶；微观结构的稳定增强了界面过渡区（ITZ）并封住了孔隙。这一系列过程——脱羟基化 → 非结晶化 → 火山灰凝胶形成 → 微观结构密封——解释了所有性能类别的改善。方差分析（ANOVA）中的F值（温度 > 替代量 > 相互作用）、光谱非结晶化指数和微观结构的致密性之间的相关性，建立了一个统一的化学-机械机制。

3.6.6 总结与意义
联合的化学分析确认了煅烧温度是反应性和耐久性的主要驱动因素。在600°C–800°C之间，蒙脱石转变为一种无定形的、反应性的铝硅酸盐网络，能够结合Ca(OH)2并生成致密的热稳定凝胶。这些反应增强了C–A–S–H骨架，消除了钙矾石的脆弱性，并创造了细小的互锁微观结构，即使在加热到1000°C后也能保持机械强度。因此，优化后的混合物（15%–20% MMT @ 800°C）比对照组混凝土表现出更好的强度、化学稳定性和微观结构的连贯性。热活化、火山灰活性以及微观结构的精细化之间的协同作用，使得煅烧蒙脱石成为一种多功能、可持续的辅助胶凝材料，能够在先进的生态混凝土中同时提升性能和环境效率。

3.7 方差分析（ANOVA）
进行了双向方差分析（ANOVA），以定量评估煅烧温度（T）和替代水平（R）对咖啡生物炭混凝土的机械性能和耐久性能的单独和综合影响，结果总结在表6中。该分析的目的不仅是确定统计显著性，还包括识别主导控制因素，并将统计结果与通过XRD、FTIR和SEM分析观察到的物理化学机制联系起来（Mahmood等人，2024年）。对于抗压强度，煅烧温度表现出非常高的F值（F = 155.35）和极低的p值（p < 0.00001），远超过临界F值。这清楚地表明温度是控制抗压强度发展的主导参数。温度的统计优势反映了热活化在将蒙脱石从结晶相转化为无定形铝硅酸盐相中的决定性作用，从而增强了火山灰活性和次级凝胶的形成。替代水平也显示出统计上的显著影响（F = 21.66，p = 0.0018），尽管其影响明显低于温度。这表明虽然替代量有助于强度发展，但其效果取决于蒙脱石的活化状态。显著的交互作用项（T × R，p < 0.05）进一步证实了替代水平的影响并不是独立的，而是强烈依赖于煅烧温度，这解释了为什么在不同的热条件下相同的替代水平会产生不同的强度结果（Abdalla等人，2023年）。对于抗拉强度，观察到更强的依赖性，煅烧温度的F值特别高（F = 406.00，p = 2.57 × 10?7）。这一结果突显了抗拉性能对微观结构凝聚力和界面过渡区（ITZ）质量的敏感性，这两者都通过非结晶化和次级水化反应得到了显著增强。替代水平也显示出高度显著的影响（F = 331.00，p = 7.25 × 10?7），表明抗拉强度特别依赖于优化的替代量和足够高的煅烧温度，以最大化反应性（Manju等人，2024年）。对于抗弯强度，也观察到了类似的统计层次结构，其中煅烧温度再次占据了主导地位（F = 278.54，p = 6.91 × 10?7）。这一发现表明热活化在通过致密化基体、细化孔结构和增强裂纹桥接机制来提高抗弯能力方面起着关键作用。替代水平也显示出显著影响（F = 58.33，p = 1.94 × 10?4），表明抗拉性能特别依赖于优化的替代量和足够的煅烧温度，以最大化反应性。方差分析的结果进一步强化了煅烧温度的主导作用。对于10% NaCl下的质量损失，煅烧温度显示出高的F值（F = 118.41，p = 3.15 × 10?5），表明热活化显著减少了氯离子的渗透和相关降解。这一统计结果与SEM观察到的孔隙细化和在高煅烧温度下孔隙连通性降低的结果一致。替代水平也有显著贡献（F = 36.84，p = 5.33 × 10?4），表明增加的替代量通过进一步致密化微观结构增强了抗氯离子渗透的能力。显著的交互作用项证实了通过激活和剂量优化的协同效应最大化了抗氯离子的能力。对于5% HCl下的质量损失，煅烧温度显示出更强的统计影响（F = 206.97，p = 1.91 × 10?6），强调了其在抗酸性中的关键作用。这种行为反映了氢氧化钙的消耗增加和化学稳定的次级凝胶的形成，减少了酸溶性相的可用性。替代水平仍然具有统计显著性（F = 49.46，p = 1.87 × 10?4），而显著的交互作用项表明在酸性条件下，优化的剂量增强了抗酸性能。

表7 性能 变异来源 F值 p值 F(crit) 显著性 解释
抗压强度（MPa） 煅烧温度（T） 155.35 <0.00001 4.757 显著（p < 0.05） 温度占主导；增强反应性和强度
替代水平（R） 21.66 0.0018 5.143 显著（p < 0.05） 适度的替代量增强了火山灰反应
交互作用（T × R）—p < 0.05— 显著（p < 0.05） 温度与替代量的协同效应
抗拉强度（MPa） 煅烧温度（T） 406.00 2.57 × 10?7 4.757 显著（p < 0.05） 热活化驱动非结晶化和凝聚力
替代水平（R） 331.00 7.25 × 10?7 5.143 显著（p < 0.05） 剂量显著影响抗拉强度的提高
交互作用（T × R）—p < 0.05— 显著（p < 0.05） 正向交互作用增强了界面过渡区的粘结
抗弯强度（MPa） 煅烧温度（T） 278.54 6.91 × 10?7 4.757 显著（p < 0.05） 温度致密化了微观结构；提高了抗弯能力
替代水平（R） 58.33 1.94 × 10?4 5.143 显著（p < 0.05） 优化的替代量增强了裂纹桥接

方差分析（ANOVA）还发现，对于10% NaCl的质量损失，煅烧温度是主要的影响因素（F = 118.41，p = 3.15 × 10?5），表明热活化显著减少了氯离子的渗透和相关降解。这一统计结果与SEM观察到的孔隙细化和在高煅烧温度下孔隙连通性降低一致。替代水平也有显著贡献（F = 36.84，p = 5.33 × 10?4），表明增加的替代量通过进一步致密化微观结构增强了抗氯离子渗透的能力。显著的交互作用项证实了在酸性条件下，激活和剂量优化的协同效应最大化了抗氯离子的能力。对于5% HCl的质量损失，煅烧温度的统计影响更强（F = 206.97，p = 1.91 × 10?6），强调了其在抗酸性中的关键作用。这种行为反映了氢氧化钙的消耗增加和化学稳定次级凝胶的形成，减少了酸溶性相的可用性。替代水平仍然具有统计显著性（F = 49.46，p = 1.87 × 10?4），而显著的交互作用项表明在酸性条件下，优化的剂量放大了热活化的效益。

总之，方差分析结果清楚地建立了一个一致的影响层次结构：煅烧温度 > 替代量 > 交互作用，其中煅烧温度是主要控制参数。交互作用项在机械和耐久性响应中的重复统计显著性证实了咖啡生物炭混凝土的性能是由耦合机制控制的，而不是由温度或剂量的单独效应控制的。这些发现为XRD、FTIR和SEM分析得到的微观结构观察提供了强有力的定量验证，这些观察结果显示了逐步的非结晶化、氢氧化钙的消耗、孔隙细化和界面过渡区的致密化。因此，方差分析不仅确认了统计显著性，还提供了一个将材料化学、微观结构和宏观性能联系起来的稳健的数值框架。

3.8 物理和机械性能
蒙脱石混合混凝土的物理和机械特性受到煅烧温度（T）、替代水平（R）及其交互作用（T × R）的强烈影响。方差分析显示，每个因素都对所研究的参数（包括堆积密度、抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和维氏硬度）有统计上的显著影响（p < 0.05）。煅烧温度始终产生最高的F值，突显了其在决定蒙脱石反应性和火山灰活性程度方面的主导作用。另一方面，替代水平控制了可用于次级水化反应的反应性无定形相的数量，而交互作用项（T × R）放大了系统的协同响应，证实了机械性能的改进来自于一个耦合的热化学机制，而不是孤立的材料变化（Abdalla等人，2023年）。

3.8.1 堆积密度
结果显示，在混凝土中加入煅烧和原始蒙脱石会降低新鲜堆积密度。随着蒙脱石含量从5%增加到20%，新鲜堆积密度显著降低。这主要是由于蒙脱石的比重相对于水泥较低，导致混凝土混合物的总体质量减轻。新鲜堆积密度的降低可以归因于几个因素。蒙脱石具有层状硅酸盐结构和高表面积，这增加了混合物的需水量，从而影响了其工作性和压实性（Mokhtari，2019年）。此外，蒙脱石比水泥更细小的颗粒尺寸导致更高的浆体体积和更低的质量，从而导致更低的地密度（Yusuf，2024年；Andreola等人，2019年；Chantal，2020年；Chung等人，2021年；Fode等人，2024a）。煅烧蒙脱石的火山灰活性使其部分替代水泥，并有助于形成额外的钙硅酸盐水合物（C–S–H）凝胶，尽管这主要影响长期强度而不是新鲜密度，如图4所示。新鲜堆积密度的降低也可能由于在高蒙脱石替代水平下水分含量的减少，因为蒙脱石由于其高表面积吸收了更多的水（Pinto等人，2023年）。这改变了混合物的水灰比，可能会略微降低压实效率。此外，提高蒙脱石的煅烧温度进一步降低了混凝土的新鲜堆积密度。这是由于蒙脱石在较高温度下结构分解，导致产生更细小、更多孔的颗粒，这些颗粒取代了密度更大的水泥颗粒，占据了更大的体积但质量更少。3.8.2 抗压强度 抗压强度随着煅烧温度的升高和适量的替代物质而明显增强。方差分析（ANOVA）显示，温度（F = 155.35；p < 0.00001）是最主要的影响因素，其次是替代程度（F = 21.66；p = 0.0018），交互作用项也具有显著性（p < 0.05）。对照组混合物在28天时达到了约46 MPa的抗压强度，而含有15%–20% MMT且在600 °C–800 °C下煅烧的混合物达到了50–52 MPa，增加了大约10%–15%。这种增强归因于煅烧过程中生成的非晶铝硅酸盐相的高火山灰活性。在600 °C–800 °C下，蒙脱石的结构脱羟基作用断裂了Al–OH和Si–O–H键，产生了反应性的SiO2和Al2O3成分。这些非晶物质容易与水泥水化过程中释放出的氢氧化钙（Ca(OH)2）发生反应，形成了额外的C–S–H、C–A–S–H和C–A–H相。这些凝胶的形成细化了孔结构，加强了界面过渡区（ITZ），从而提高了承载能力，如图5所示。图5 抗压强度。X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）的结果支持了这一机制，显示结晶蒙脱石峰值的消失以及非晶峰值的增宽（2θ = 27°–32°），同时Si–O伸缩带向约1,040 cm-1处移动。有趣的是，养护时间的F值小于温度的F值，表明强度在56天后趋于稳定，这与火山灰反应几乎完成一致（Abdalla et al., 2023）。因此，观察到的强度提升是由化学反应性而非延长的水化时间决定的（Mohammed and Nahazanan, 2023）。3.8.3 抗拉强度和抗弯强度 抗拉强度和抗弯强度的变化趋势与抗压强度一致，但对交互作用项（T × R）的统计敏感性更高。ANOVA报告抗拉强度的F值为406.00，抗弯强度的F值为278.54，两者p值均低于10–6，证实了这些差异在统计学上是显著的。在最佳条件下（15%–20% MMT，800 °C），抗拉强度提高了25%–30%，抗弯强度也有类似的增长。抗拉强度的提高与界面过渡区（ITZ）结合力的增强和微裂纹形成部位的减少有关。火山灰凝胶填充了微孔，将骨料结合在一起，形成了能抵抗拉应力局部化的更紧密的基质。扫描电子显微镜（SEM）图像清楚地显示了围绕骨料表面的连续C–S–H凝胶网络，证实了界面过渡区（ITZ）的致密化（Qin et al., 2022）。抗弯强度作为抗拉和抗压性能的综合指标，对煅烧和替代作用都有很强的响应。在600 °C–800 °C下，蒙脱石的高反应性增强了基质的连续性，并提高了弯曲时的抗裂能力，如图6、7所示。含有未经处理或低温煅烧（≤400 °C）的MMT的混合物表现较差，由于脱羟基不完全和薄层粘土片层的存在，导致强度较低，阻碍了水泥的水化过程。热激活与组成剂量的耦合放大了机械协同效应：同样的15%替代量在300 °C时只产生了小幅度的提升，但在800 °C时则使强度提高了两倍（Abdalla et al., 2023）。图6 抗拉强度。图7 抗弯强度。3.8.4 维氏硬度 维氏硬度结果与抗拉和抗弯强度的趋势一致，作为密度和表面强度的微观指标（如图8所示）。硬度随煅烧温度和适量替代程度的增加而持续提高，在800 °C下煅烧15% MMT时达到峰值。ANOVA表明温度是主要影响因素（F ≈ 120；p < 0.001）。硬度的提高源于紧密结合的次级凝胶使近表面层致密化，从而抑制了表面压痕。硬度增强不是表面现象，而是反映了真实的微观结构固化。在最佳条件下，表面富含C–S–H和C–A–S–H凝胶，孔隙率低，降低了压痕深度并增强了抗划痕能力。相反，含有原始或低温煅烧MMT的混凝土显示出较低的硬度值，因为残留的结晶杂质成为了局部薄弱点。图8 维氏硬度。FTIR结果证实了这一趋势，因为羟基峰（O–H伸缩）在温度升高时减弱，而Si–O和Al–O峰变宽，表明凝胶相的聚合程度增加。这种转变与统计结果直接相关——温度越高，非晶化程度越大，粘结性越强，硬度也随之提高（Shaji and Divya, 2024）。3.8.5 综合力学解释 体积密度、强度和硬度的分析结果共同揭示了一个连贯的机制：煅烧温度决定了蒙脱石的结构激活，将其从层状结晶粘土转变为活性非晶相；替代程度决定了参与火山灰反应的反应性表面的数量；它们的相互作用最大化了协同效应。在最佳条件下（600 °C–800 °C煅烧和15%–20%替代），微观结构达到了反应性和密实度的理想平衡。SEM–EDS分析显示Ca/Si比值降低（从约2.1降至约1.6），C–S–H凝胶分布均匀，而FTIR确认了Si–O–Si伸缩带的逐步迁移和羟基振动的抑制（Shaji and Divya, 2024）。从工程角度来看，这些结果表明温度不仅是加工过程中的一个变量，还是性能的决定因素。其影响贯穿于水化-火山灰循环，改变了凝胶化学性质、孔隙拓扑和机械响应。总体而言，这些结果证明热激活的蒙脱石是一种可持续的高性能辅助胶凝材料（SCM），可提高强度、硬度和密度，同时促进更耐用、环保的混凝土复合材料的发展。3.9 化学侵蚀抵抗力 蒙脱石掺杂混凝土的化学抵抗力是其长期耐久性的关键指标。在本研究中，通过与5% HCl、5% HNO3和10% NaCl溶液浸泡90天后的质量损失分析来评估其化学耐久性。测试结果清楚地表明，性能下降的程度高度依赖于煅烧温度（T）、替代程度（R）及其相互作用（T × R）。统计分析（双向ANOVA）确认了这三个参数的强烈关联性（p < 0.05），其中煅烧温度产生的F值最高，从而主导了所有环境下的耐久性表现。在最佳条件下（15%–20% MMT，800 °C煅烧），平均质量损失减少了70%–85%，与对照组混凝土相比。这些结果表明，蒙脱石的热激活显著提高了其火山灰效率，形成了能够抵抗酸溶解和氯离子侵蚀的致密、化学稳定的基质（Yusuf, 2024）。3.9.1 5% HCl溶液中的质量损失 盐酸是一种强侵蚀性介质，导致对照组样品显著劣化，而热激活混合物的质量损失很小。对照组样品在28天后的质量损失约为3.6%，而含有800 °C煅烧的20% MMT的混凝土仅损失了0.6%–0.8%的质量。统计分析确认煅烧温度是最主要的影响因素（F = 206.97，p = 1.9 × 10?6）。从机理上讲，HCl容易与Ca(OH)2和结合不牢固的C–S–H相反应，形成可溶性氯化钙并留下多孔、易碎的表面。然而，在优化的MMT基混凝土中，由于强烈的火山灰反应生成了Ca/Si比值较低、聚合程度更高的C–A–S–H凝胶，氢氧化钙含量大幅减少。SEM图像显示对照组样品表面有广泛的溶解、微孔和脱钙层，而热激活样品表面光滑、致密，没有明显缺陷（Shaji and Divya, 2024）。EDS分析进一步证实了这一点，显示出Ca/Si比值从约2.1（对照组）降至约1.6（800 °C MMT），表明氢氧化钙几乎完全消耗。FTIR光谱也支持了这些观察结果，因为在3,440 cm-1附近的羟基峰减弱，而Si–O和Al–O峰变宽，表明凝胶相的聚合程度增加。3.9.2 5% HNO3溶液中的质量损失 硝酸比盐酸更具氧化性和腐蚀性，导致所有混合物的劣化更严重；然而，煅烧过的MMT混凝土仍表现出显著的抵抗力。ANOVA产生最高的F值（F = 441.45；p = 2 × 10?7），突出显示了温度的显著影响。质量损失从约3.2%（对照组）降至15%–20%替代量和800 °C煅烧后的约0.4%，化学稳定性提高了八倍。硝酸中的优异性能归因于C–A–S–H凝胶中铝硅酸盐链的聚合，稳定了结构，使其抵抗硝酸的侵蚀。FTIR光谱显示3,440 cm-1附近的羟基峰减弱，1,010 cm-1附近的Si–O–Al键增强，表明交叉链接加强，溶解度降低。表面形成一层薄而稳定的二氧化硅凝胶，进一步延缓了侵蚀过程（图10）。SEM图像显示对照组样品在HNO3中28天后表面变得粗糙、呈蜂窝状，并有较大的孔隙，而优化样品保持致密且连续的基质。损伤深度的差异约为1.5–2 mm（对照组）与<0.3 mm（优化组），证实了微观结构与质量损失数据的相关性。3.9.3 10% NaCl溶液中的质量损失 氯离子虽然不如酸具有强烈的腐蚀性，但在腐蚀启动和长期耐久性方面起着关键作用。ANOVA显示温度的F值为118.41（p = 3.15 × 10?5），证实了其重要性（图12）。质量损失从约2.8%（对照组）降至15% MMT在800 °C煅烧后的约0.4%，证实了化学稳定性的显著提高。优化样品即使经过90天的暴露也没有出现可见的裂缝或泛盐现象。钙离子含量的降低是由于物理致密化和化学离子交换共同作用的结果。煅烧过的MMT含有可交换的Na+、Ca2+和Al3+位点，可以在层间或凝胶网络中结合Cl?离子，从而降低孔溶液中自由氯离子的浓度（图11）。MIP数据显示总孔隙率从16.3%（对照组）降至9.2%（优化组），孔径阈值从0.053 μm降至0.021 μm（Andreola et al., 2019）。3.9.4 不同有害环境下的效果 压缩强度测试的残留结果表明，在不同环境中养护90天的混凝土砂浆立方体存在显著差异，包括5%盐酸、5%硝酸和200 °C高温下的环境。图14中的发现展示了样品之间的不同断裂模式，突出了各种养护环境对混凝土结构完整性的影响（图12）。图中（a–f）的代表性图像显示了开裂、界面分离和结构退化情况。值得注意的是，在酸中养护的混凝土砂浆立方体表现出垂直断裂模式，而在水中养护或在高温下养护的样品表现出V形断裂模式。这种断裂特性的差异可归因于每种样品内部最大应力的不同位置（Manju et al., 2024）。在酸中养护的样品中，酸的腐蚀性主要影响外部表面，导致混凝土立方体中部应力集中。因此，断裂垂直于施加的载荷，反映了酸暴露引起的脆性（Saraber, 2017; Haque and Armeniades, 1986; Hepautwa and Jande, 2025; Jafari and Sadeghian, 2025; Khand and Nomana, 2019; Wu, 2025）。相比之下，在水中养护和在高温下养护的混凝土砂浆立方体应力分布更均匀，表现出V形断裂。这种模式表明这些样品的结构完整性得到更好保持，从而在更广泛的范围内保持了承载能力。特别是高温养护可能促进了水化过程，形成了更致密的微观结构，更好地抵抗应力并减少了开裂。这些观察结果强调了理解不同有害环境如何影响混凝土力学性能的重要性。这些独特的断裂模式不仅提供了关于材料在不同条件下行为的见解，还提出了对建筑实践的实际启示，特别是在暴露于酸性物质或极端温度的环境中。总体而言，这些结果强调了在具有挑战性的环境中选择材料和固化方法时需要谨慎考虑，以确保混凝土结构的耐久性和性能。通过了解不同的固化条件如何影响材料属性，工程师和建筑师可以做出明智的决策，从而提高混凝土基础设施的寿命和安全性。

3.10 高温的影响
研究了暴露于高温下的蒙脱石混合混凝土的残余机械性能，以评估其热稳定性和耐火性。样品被加热到200°C、400°C、600°C、800°C和1000°C，然后冷却到室温后再进行测试。结果表明，蒙脱石添加剂的煅烧温度（T）和替代水平（R）显著影响了残余强度，它们的交互作用（T × R）也具有统计学意义（p < 0.05）。方差分析表明，高温的影响与初始活化条件密切相关：含有600°C–800°C煅烧蒙脱石且替代比例为15%–20%的混凝土表现出最高的残余强度保留率，而未煅烧或低温处理的蒙脱石混合物在超过400°C时迅速劣化。图14展示了200°C下2小时高温测试的结果。在本研究中，原始蒙脱石的替代显示出在高温下的最低机械强度，尤其是在与对照样本和含有煅烧蒙脱石的样本相比时。这种强度的下降主要是由于原始蒙脱石的固有属性，它通常呈固态存在，使其反应性较低（Mohammed和Nahazanan, 2023）。这种缺乏反应性至关重要，因为它限制了材料与其他基质成分的有效相互作用，从而在热应力下表现不佳。此外，分析还显示原始蒙脱石的质量损失显著更高。这种质量损失是一个重要的考虑因素，因为它表明了材料对热降解的敏感性。然而，随着煅烧温度的升高，这种质量损失趋于减少。这一趋势可以用更高的煅烧温度增强了蒙脱石的反应性来解释。在煅烧过程中，材料经历了结构转变，促进了非晶相的形成（Shaji和Divya, 2024）。这种非晶相非常重要，因为它增加了材料中水化相的体积，从而有助于提高粘结剂基体的密实度和团聚性。在考虑蒙脱石在高温下应用于水泥复合材料时，这些性质的增强尤为明显。当煅烧温度从400°C提高到800°C时，在200°C下观察到明显的强度改善。这一发现对建筑材料工程非常重要，因为它表明通过仔细选择煅烧条件可以制备出更强且更具韧性的材料，如图13所示。

3.11 腐蚀分析
研究了嵌入钢材在10% NaCl溶液中暴露90天后的腐蚀行为。评估基于对提取出的钢 bars 的目视检查以及使用扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱对周围砂浆基质的微观结构分析。这项评估的目的是研究蒙脱石煅烧温度和替代水平对抵抗氯化物引起的腐蚀的影响。目视检查发现，对照组样本与含有煅烧蒙脱石的混合物之间存在明显差异。对照组样本出现了可见的锈蚀、表面变色和钢材表面的局部腐蚀沉积物。相比之下，含有600°C–800°C煅烧蒙脱石的样本显示出较少的腐蚀产物和改善的表面状况。图14展示了提取的钢筋的代表性图像及其相应的SEM观察结果（Chantal, 2020）。

图14 不同有害环境对腐蚀的影响。
图15 在10% NaCl溶液中暴露90天后，提取出的钢筋的目视检查及钢筋-砂浆界面的SEM图像。
图15 400°C、600°C和800°C煅烧的蒙脱石的拉曼光谱，显示Fe–O峰的消失和与铁氧化减少相关的羟基峰的增强，表明腐蚀抗性提高。
SEM显微图显示，对照组样本的界面过渡区（ITZ）相对多孔且不均匀，存在连通的空隙，可能促进氯离子的渗透。相反，含有煅烧蒙脱石的砂浆显示出更致密且更 compact 的ITZ，其特点是孔隙连通性降低。这种改进归因于蒙脱石的热活化导致的网络反应增强和二次凝胶的形成。拉曼光谱分析用于识别钢材表面的腐蚀相关铁氧化物相。对照组样本显示出较强的光谱特征，对应于铁氧化物化合物，而含有煅烧蒙脱石的样本中观察到的峰强度降低。代表性的拉曼光谱如图15所示（Mohammed和Nahazanan, 2023）。
需要注意的是，本研究中进行的腐蚀评估是定性的。对抗腐蚀性能的改进解释基于视觉证据、明显的腐蚀产物减少以及基质的微观结构致密化。没有进行定量电化学测量，如半电池电位（ASTM C876）、腐蚀电流密度、电化学阻抗谱（EIS）或嵌入钢材的质量损失。因此，这些发现应被视为腐蚀抗性增强的指示，而非决定性的定量证据。观察到的改进是由于煅烧蒙脱石的加入降低了氯离子的可达性和微观结构的致密性（Chung等, 2021; Fode等, 2024a）。

4 结论
本研究评估了原始蒙脱石和煅烧蒙脱石（400°C–800°C）在不同替代水平（0%–20%）下对咖啡灰混凝土机械性能和耐久性的影响。结果表明，煅烧温度是决定性能的主要因素，而替代水平虽然次要但具有统计学意义。微观结构分析（XRD、FTIR和SEM）证实，从原始状态到800°C的逐步煅烧使蒙脱石从结晶层状结构转变为高度反应性的非晶铝硅酸盐相。600°C–800°C范围内的煅烧，结合适度的替代水平，促进了增强的火山灰反应、二次C–S–H/C–A–S–H凝胶的形成、孔隙细化以及界面过渡区的强化，从而解释了观察到的抗压、抗拉和抗弯强度的提高。随着煅烧温度的升高，耐久性得到改善，这是由于氢氧化钙消耗加快、钙矾石含量减少和孔隙连通性降低，从而提高了对氯化物和酸的抵抗能力。双向方差分析确认了这些趋势的统计学意义，其中煅烧温度在所有性能指标中显示出最高的F值，并且温度和替代水平的交互作用显示出协同效应。

5 未来展望
为了进一步验证这些发现，未来的研究应包括定量电化学测量，如半电池电位、塔费尔极化和电化学阻抗谱，以确定腐蚀动力学和钝化膜的稳定性。应采用纳米压痕、BET表面分析和3D微计算机断层扫描等先进表征工具来量化纳米-微观尺度上的孔隙连通性和凝胶硬度。在海洋、硫酸盐和碳酸化条件下的长期耐久性测试，结合有限元腐蚀建模和生命周期评估（LCA），将提供关于基于蒙脱石的混凝土的服务寿命延长和环境效益的全面见解。此外，探索将煅烧蒙脱石与其他SCMs或天然纤维结合的混合配方，可以为设计下一代耐腐蚀和热稳定的生态混凝土开辟新途径，适用于可持续基础设施应用。