新型补充水泥材料的挑战与解决方案|材料|水泥|混凝土|矿渣|粉煤灰|粘土

https://www.youtube.com/watch?v=nyVqT__2-mA&t=137s

以下是视频的汉语翻译，供大家参考：

大家好，我是马努·桑塔纳姆，印度理工学院马德拉斯分校土木工程系的教授兼系主任。今天我要和大家谈谈适用于热带气候条件的未来水泥解决方案。首先，我要感谢ICCMS2021的组织者给我这个机会与大家交流。

我的演讲大纲如下：首先，我将讨论热带地区施工面临的挑战。然后，我将介绍一些替代的补充水泥材料，主要是作为补充材料的石灰石，石灰石与其他补充材料结合替代水泥，最后我们还会看看农业灰烬。因此，我今天的目的是尝试提出这些材料的特性以及在混凝土中使用这些材料时可以预期的性能特征。

那么，热带地区施工的主要挑战是什么？当然，我说的是世界上很大一部分地区，一个广阔的热带带。我们都知道，腐蚀是所有热带气候中一个主要问题，尤其是在沿海地区，但除此之外还有很多问题。如果你看看世界的地理，大多数位于热带地区的国家都是新兴经济体，或者在过去我们称之为发展中国家。因此，这些国家面临很多挑战，施工只是其中之一。由于这些挑战超出了施工的技术领域，施工行业也受到很多影响。

那么，这些影响是什么，为什么在热带条件下施工困难？首先，施工本身的条件就很困难。在大多数情况下，你会遇到非常高的温度和湿度，这增加了混凝土施工的问题，也加快了结构的劣化速度。我们知道，许多热带国家有很长的海岸线，这增加了氯化物相关问题的可能性，当然在印度，我们在沿海地区也经历了很多这种问题。

此外，在大多数新兴经济体中，印度也不例外，人们普遍不愿意使用混合水泥系统。虽然实际上今天市场上你几乎买不到普通硅酸盐水泥用于一般用途，但在基础设施项目中，普通硅酸盐水泥仍然是首选材料。在基础设施项目中，除非有合适的研究项目进行混合设计，否则很少强调使用补充材料。大多数项目中使用的材料规格似乎已经过时，仍在处理过去的材料和材料特性，而实际上，过去10到20年间，建筑工程材料技术已经显著扩展或增强，将这些反映在我们当前的实践中对于充分利用这些材料非常重要。

现场材料通常存在质量和一致性问题，你几乎从未遇到一个项目完全使用完美的材料，总是会偶尔遇到质量差的材料，这最终会影响项目的顺利进行。尤其是当你处理这些补充材料时，例如粉煤灰，材料的高变异性是常见问题，在施工项目中进行一致性测试和检查是绝对重要的。

另一个常见问题是混凝土混合设计没有提前进行，人们通常不会提前进行混合设计来了解混凝土的可能性和特性，以及如何确保为给定的暴露环境和混凝土的使用条件提供最佳的材料组合。通常我们在最后一刻才进行混合设计，因为人们不认为混凝土很重要。实际上，现场遇到的很多问题都是与混凝土相关的，这些问题可以通过确保你特别关注混凝土混合设计过程来避免。

在大多数施工现场，缺乏熟练工人也是一个普遍问题，这也是因为人们普遍认为混凝土是一种容易处理的材料，不需要专业技能来处理。这实际上是一个错误的想法，需要纠正并确保对材料及其应用方式有足够的理解。由于缺乏理解，我们经常看到在施工现场，为了提高工作性而向混凝土中加水仍然是一个非常常见的做法。现场的质量检查不频繁，我们很少看到材料质量经常被测试以确保供应的材料保持完美的一致性。

正如之前所说，人们普遍不愿意使用混合水泥，我们通常更多地依赖普通硅酸盐水泥或普通水泥。其次，我们总是认为强度是混凝土的最终特性，但在许多情况下，强度只是需要满足的基本要求，实际性能在于混凝土的耐久性，这是我们需要更多关注的。由于对混凝土的重要性认识不足，混凝土的混合和浇筑计划与材料选择同样重要，影响混凝土性能。你需要确保花足够的时间考虑如何混合和浇筑材料，如何计划压实和养护策略，这些都非常重要。如果我们不关注这些问题，这在包括印度在内的热带带国家中非常常见，会导致混凝土施工中的许多其他问题。

当然，还有新的挑战，我们的技术必须跟上世界各地的实践。浇筑技术、养护技术、混凝土混合技术都显著增强了。当然，我们还面临新的规范要求，不再满足于仅仅考虑强度，显然会有耐久性要求，这些要求显然是由专家提出的。这是特定服务环境所需的混凝土。因此，我们现在有了新的规范，我们确实需要理解混凝土的要求。

总体而言，施工成本在上升，当然，COVID-19并没有帮助这一点。你可能在报纸上看到，材料成本在后COVID-19时代也显著上升。劳动力的可用性始终是一个主要挑战，因为施工方面的劳动力总是流动的，他们总是在寻找更好的机会，不断从一个地方转移到另一个地方。实际上，许多劳动力接受的培训并没有在项目期间得到充分利用。

在许多施工现场，优质水是一个主要挑战，尤其是因为混凝土不仅需要水来混合，还需要水来养护。因此，你现在确实需要考虑如何最好地利用可用的水或减少混凝土中使用的水量，并提供未来替代的养护方法。

我们将更多地面临骨料的可用性问题，尽管到目前为止这还不是一个主要挑战，但在某些地方今天已经是一个挑战。在未来，我们肯定会看到优质骨料的可用性面临重大挑战。在可预见的未来，我们可能还会看到水泥库存不断减少，我们将不得不更多地依赖替代材料，因为水泥本身是一种需要使用石灰石制造的商品，而世界各地的石灰石库存随着时间的推移在减少。估计表明，如果只使用普通硅酸盐水泥，石灰石库存可能只能提供大约50年的普通硅酸盐水泥。

这非常清楚地表明，我们确实需要转向替代解决方案。

通过补充水泥材料解决水泥需求

那么这些替代解决方案是什么？显然，我在强调我们需要在混凝土中使用越来越多的补充水泥材料。补充水泥材料如粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土等，所有这些都可以延长水泥制造所需原材料的寿命。你可以将石灰石储量延长到100年、150年，而不是在50年内完全耗尽。许多补充水泥材料也是副产品，或者我们有时称之为其他行业的废物产品。因此，通过在混凝土中利用它们，我们实际上对环境做出了重大积极改变。

当我们开始使用补充水泥材料时，环境和经济效益显然是巨大的，特别是补充水泥材料可以增强混凝土的某些特定特性，这是单独使用普通硅酸盐水泥无法实现的。

补充水泥材料的可持续性影响

如果你根据可持续性三重底线评估补充材料的影响，提供经济、社会和环境效益，你会发现，在所有方面，使用补充水泥材料和混凝土时都能打勾。因为你在使用废物或副产品并减少使用的水泥量，显然具有环境效益，因为水泥对整体温室气体排放贡献很大。在社会方面，你生产的混凝土将持续更长时间，耐久性高，因此结构有可能在更长时间内保持服务状态，这显然会对社会产生重大影响，也会对经济产生影响，因为效益成本比将远远超过仅使用普通硅酸盐水泥的合同，特别是当你谈论氯化物相关问题时，多年的研究表明，使用补充水泥材料是提高抗腐蚀性的一个重要措施。

那么这些补充水泥材料主要做什么？这些材料主要由无定形二氧化硅组成，这种无定形二氧化硅基本上与水泥水化产生的氢氧化钙结合，形成额外的硅酸钙水合物。这是补充材料的主要影响，但我会在讲座中展示，你还可以有一些次要影响，有时还会形成其他产品，这导致孔隙结构的完全填充，最终提高了耐久性。

补充水泥材料赋予的特性

那么我们在使用补充水泥材料时寻找的特性是什么？有时我们希望降低水化热，例如在进行大体积混凝土结构时，我们希望尽可能降低水化热，而不是选择难以制造的特殊水泥，你可以简单地通过使用补充材料减少水泥含量。当然，工作性可能会改变或受到不利影响，具体取决于你使用的补充材料类型。补充材料的结构、细度和反应性可能会对工作性产生不同的影响。一般来说，硅灰或钙质粘土会给你带来工作性问题，而粉煤灰会提高工作性，矿渣则不会显著影响工作性。

强度发展通常较慢，因为补充材料需要生成的氢氧化钙，因此它们需要一段时间才能真正发挥作用。因此，有时你可能需要进行更长时间的养护，特别是当你使用粉煤灰或矿渣时。如果你使用钙质粘土，可能不需要这样做，因为反应相对较快。如果你进行良好的养护，通常预期使用补充材料生产的混凝土的耐久性将显著优于普通硅酸盐水泥混凝土。

补充水泥材料的挑战

当然，存在挑战。我知道补充水泥材料是提高混凝土耐久性的一个好解决方案，但挑战在于克服变异性，特别是粉煤灰的质量变异性，即使有时来自同一来源。确定可用性非常重要，因为需要确定将补充材料从某个距离运到施工现场使用在混凝土中是否具有经济意义。它必须具有经济意义，否则可能不会使用这些材料。其次，补充材料的可用性形式也很重要，有时需要对补充材料进行加工，可能需要进一步研磨，有时需要燃烧等等。因此，这种加工可能会增加成本，并导致更多的二氧化碳和能源排放，因此你需要确保在整体计算中考虑到这一方面。

另一个问题是某些类型的补充材料的可用性可能是本地的，你需要以某种方式确定这些材料的特性，以便识别本地可用的来源和可能在全球范围内可用的补充材料来源。让我们从更大的角度来看这个问题，所以我将在今天的演讲中介绍一些本地和全球的选择。我将主要谈论石灰石作为添加剂，你很清楚，石灰石是制造水泥的主要原料，因此它是补充水泥材料的全球解决方案，因为只要有水泥制造，石灰石就会存在。

煅烧粘土可以作为粉煤灰的一个很好的替代品，粉煤灰反应速度很慢，而煅烧粘土反应速度要快得多。但印度理工学院马德拉斯分校和世界其他地方的最新研究非常清楚地表明，石灰石和煅烧粘土的组合作为大体积水泥替代品，仍然可以产生优异的混凝土性能。最后，我将谈论另一种选择——农业灰烬，这更多是一个本地选择。石灰石和粘土可以在世界各地获得，但农业灰烬显然仅限于实际种植特定物种的特定地点，这些物种产生灰烬，这构成了我们在印度理工学院马德拉斯分校所做工作的核心。我们主要研究了甘蔗渣，这是我们在印度理工学院马德拉斯分校的研究工作中所研究的内容，我将在后面的幻灯片中与大家分享。

但首先，让我们从全球角度来看水泥材料的可用性。显然，与熟料相比，补充材料的数量会减少或较少，因为熟料依赖于石灰石，石灰石有很多，但我们不想使用所有的石灰石。其次，我们不能使用所有的石灰石，请注意，如果你看看印度的统计数据，印度的石灰石储量中，近90%是无法利用的，因为它们存在于保护区森林中，你不能真正开采这些材料，只有10%是可供开采的，在这10%中，只有一小部分实际上是用于制造水泥的优质石灰石。

因此，这些广泛的全球石灰石储量，其中一些甚至可能没有被触及，但无论如何，石灰石是存在的。相比之下，你的补充材料显然数量较少。粉煤灰可能有很多，但其中相当一部分质量不佳。矿渣显然依赖于钢铁工业，因此在世界各地的可用量不多。天然火山灰等天然火山灰我们并不真正了解，因为没有人真正勘探过这些材料可能大量存在的地点，因为火山喷发发生在地质年代，有时这些灰烬可能被困在我们无法挖掘的地层下，因此这往往会造成适当量化的问题。

因此，你会看到这里有一个箭头，这意味着我们缺乏对如何实际估算可用量的理解。我们知道有大量可用的是高岭土，粘土可以煅烧，如果你有纯高岭土煅烧，你会得到偏高岭土，但你也可以有其他类型的粘土，如钙质粘土，这些粘土也可能为你提供一些非常有趣的选择，关于混凝土的选择。但在大多数情况下，我将在这里主要谈论高岭土粘土。

但主要是我们需要在大规模利用材料之前非常了解其可用性。因此，假设我选择硅灰作为未来的材料，我知道它的实际可用量非常少，我不能像推广粉煤灰或矿渣那样推广它，因为这些材料的可用量要大得多。

细磨石灰石作为添加剂

现在让我们看看细磨石灰石作为添加剂，正如我所说，由于石灰石在任何制造水泥的地方都可用，它肯定是全球解决方案之一。对于水泥行业来说，使用石灰石作为混凝土或水泥本身的添加剂显然是有意义的。例如，如果你看看印度的规范或波特兰水泥的规范，或者欧洲的许多规范，也处理了高达5%的水泥或高达5%的水泥替代品由石灰石本身在普通波特兰水泥中替代。如果你购买普通波特兰水泥，你仍然可以有高达5%的水泥被细磨石灰石替代，我们称之为性能改进剂。

实际上，它正在降低成本，并减少每袋水泥的总二氧化碳排放量，你正在减少水泥量或熟料量，并部分替代石灰石，因此你实际上减少了水泥的二氧化碳影响。然后，有些国家的波特兰石灰石水泥厂也得到了推广。在印度，波特兰石灰石水泥的标准也在准备中，我们预计这也将在未来作为行业中的一种水泥类型。

在这里，水泥被替代高达6%到20%的石灰石，更受欢迎的是世界各地有15%的熟料被石灰石替代，以制造波特兰石灰石水泥。如果你看看加拿大和欧洲的文章，你会看到许多建筑项目实际上使用了波特兰石灰石水泥用于各种应用。

有时，实际上开始使用细磨石灰石与补充水泥材料一起使用在所谓的三元系统中是有好处的。三元系统意味着我们有两种以上的结合材料，当然水泥是其中之一，第二种是石灰石，第三种是补充材料，如粉煤灰或矿渣，或者煅烧粘土，因为我们希望最大化补充材料的反应性。因此，石灰石和煅烧粘土作为一种流行的组合在过去几年中成为水泥的重要替代品。

现在可以尝试使用石灰石含量超过20%的混凝土替代水泥，但显然你在这里做的是用非反应性材料替代反应性材料，石灰石的细度只能在改善混凝土性能方面起到一定作用。

随着石灰石替代量的增加，你显然会遇到水泥成分稀释的问题，这将导致强度和耐久性的损失。然而，有许多应用场景可以使用低等级混凝土，例如在非结构性应用中，如路缘、隔离带、砖块等。在这些地方，不需要担心使用非常普通的水泥或大量的波特兰水泥，你可以使用非常高水平的替代品，即使是那些不适合制造水泥的石灰石。这意味着在水泥矿山中可用的低等级石灰石可以被提取并用于制造适用于非结构性应用的低等级混凝土。

正如我之前所说，在二元系统中，这意味着仅作为水泥的替代品，你可以在普通波特兰水泥中使用高达5%的石灰石作为性能改进剂，或者作为波特兰石灰石水泥厂中的主要添加剂。

那么这种细磨石灰石做了什么呢？细磨石灰石加速了水泥中最大量成分的水化，即C3S的水化。在石灰石存在的情况下，C3S的水化加速了，碳酸盐基相也参与了反应。石灰石是碳酸钙，其中一部分是可溶的，可溶的碳酸盐可以与水泥材料中的铝酸盐反应，形成碳铝酸盐。这些是固体产品，将占据体积，我稍后会详细讲解。

但这是有限的，因为首先，铝酸盐已经在与水泥系统中的硫酸盐反应，只有少量的碳酸盐可以溶解。因此，实际上大部分石灰石只是作为填料存在，它在大多数情况下是非反应性材料，只是作为填料存在，但即使这样也是一种良好的性能，因为最终你是在阻塞孔隙。

当你开始用高达50%的石灰石替代时，你仍然可以制造出优质的低等级混凝土。什么是优质的低等级混凝土？我指的是强度发展不那么关键的地方，以及在沿海环境中不需要高耐久性的地方。例如，当你用混凝土制造砖块或砖块时，为什么需要如此高的耐久性？你需要混凝土的耐久性是因为你想保护钢筋，但在普通混凝土中，你不需要太担心这个问题。当然，你需要担心泛碱、水吸收等问题，但这些问题需要适当设计来解决。

那么，当石灰石与另一种补充材料结合时会发生什么呢？例如，在这个系统中，你有水泥熟料，基本上是水泥的所有化合物C3S、C2S、C3A和C4AF。你有补充水泥材料1，基本上可以是粉煤灰、矿渣或煅烧粘土等，补充水泥材料2是石灰石。

现在发生的是你有一个三元混合物，你得到不同的化学反应。首先，你降低了成本，因为你使用的是已经在水泥厂可用的石灰石，不需要从远处运来补充材料。其次，你将由于水泥水化形成的相，通常是高密度相，转化为低密度相的混合物，这些低密度相包括更多的钙矾石、单碳酸盐、半碳酸盐。

长期来看，补充材料1（粉煤灰或矿渣或煅烧粘土）发生火山灰反应，生成我们称之为钙铝硅酸盐水合物。因此，你部分用石灰石和补充材料替代了水泥，系统中的反应和化学反应导致形成更多的固体水化产物。

你知道，在混凝土中，形成的固体水化产物越多，孔隙率越低，孔隙率越低，强度越高。但这不是故事的结尾，孔隙率越低，孔隙连通性也越低，因为孔隙变得越来越小，孔隙连通性也减少。当孔隙连通性减少时，混凝土的渗透性也下降，渗透性下降时，耐久性显然提高。这就是在使用石灰石与其他补充材料结合时需要传达的信息。

为了更详细地展示化学反应，普通波特兰水泥中发生的反应如下：你有钙硅酸盐水合物和氢氧化钙作为水泥水化形成的主要产物，长期来看，钙铝酸盐水合物和单硫酸盐是稳定相，而钙矾石是高体积相，长期来看会转化为单硫酸盐。

这是硫酸盐攻击中的问题，当外部硫酸盐与单硫酸盐接触时，它们形成钙矾石，这种钙矾石在硬化混凝土中形成体积膨胀和开裂，这是通过使用三元系统避免的。因此，现在发生的是硫酸盐与碳酸盐竞争与铝酸盐反应，硫酸盐导致钙矾石的形成保持稳定，钙矾石的数量不会减少，保持稳定，因此不会形成单硫酸盐。另一方面，你开始形成所谓的单碳酸盐或半碳酸盐，基本上是碳酸盐与铝酸盐反应形成的产物。

长期来看，你还减少了潜在的含量，转化为额外的钙硅酸盐水合物。因此，总体上，你的系统中形成了更多的钙硅酸盐水合物，这意味着更多的结合特性，孔隙率更小，结果是耐久性更好。

你有钙矾石的稳定性，增加了碳酸盐相，降低了氢氧化钙或波特兰含量，并增加了钙硅酸盐水合物和钙铝硅酸盐水合物，从而提高了长期耐久性。现在只是为了展示这种三元组合的效果，我们在实验室中进行了典型结构等级的M30和M50混凝土的比较混合设计。我们用普通波特兰水泥（OPC）制作了混凝土，30%的粉煤灰替代波特兰水泥，以及我们称之为LC3的粘土石灰石水泥。

我们使用15%的石灰石，30%的煅烧粘土，以及50%的水泥熟料和石膏来制作LC3粘土石灰石水泥。在这两种情况下，我们显然采用了不同的粘结剂含量和水胶比来获得特定等级的混凝土，而在这种混合物中，我们采用了相同的粘结剂含量和水胶比。你可以看到，我们能够生产出强度为43到49 MPa的混凝土，强度大致相同，除了LC3比粉煤灰基混合物略高一些，但强度不是我们要强调的重点，我们更强调耐久性。

对于这些M30和M50混合物，如果你看强度发展，你不会看到太大差异，除了LC3系统在早期强度方面似乎与OPC相匹配，而粉煤灰基系统（红色）开始时强度发展非常缓慢，但最终在一年后，不同混合物之间没有太大差异。差异在于耐久性。

如果你比较快速氯离子渗透测试（RCPT）的结果，你会看到波特兰水泥混合物始终在2000到4000范围内，不论混凝土类型如何。粉煤灰基材料或混合物现在已经降到大约1000左右。当然，如果你对粉煤灰进行28天的养护，然后进行90天的养护，耐久性显著提高，这意味着养护时间越长，粉煤灰混合物的耐久性越好。对于LC3混合物，即使进行28天的养护，你已经处于氯离子渗透率低于100的范围内，因此你可以看到LC3的效果非常显著。

现在，如果你进行快速迁移测试的比较研究，根据挪威标准NT 492，在这个测试中，你会看到非稳态迁移系数在X轴上绘制。你会看到OPC混合物的值相当高，粉煤灰是中间值，而LC3的非稳态迁移系数非常低。熟悉这个测试的人会意识到，获得小于2×10^-12的值通常只有在使用硅灰基高性能混凝土混合物时才可能，而这些并不是高性能混凝土，这是M30、M50和强度约为45 MPa的混合物。因此，这根本不是高性能混凝土，但它仍然能够产生与高性能混凝土预期相当的耐久性。

现在，关于氯离子渗透特性，直接体积扩散测试（ASTM C1）是确定氯离子渗透的真正测试，清楚地表明，渗透到LC3系统中的氯离子量远低于粉煤灰系统，而粉煤灰系统又远低于波特兰水泥系统。因此，使用LC3在混凝土中具有显著的优势，特别是在氯离子扩散特性方面。

那么，当我们在现场制作时，它是否仍然能提供相同的性能？我们想测试这一点，所以我们实际上在现场条件下准备了典型的钢筋混凝土板，我们进行了正常的混凝土浇筑、抹面，然后只进行了7天的养护。对不起，是14天的养护，使用麻布或粗麻布进行14天的湿养护，然后将混凝土板暴露在环境中，并在28天后通过取芯测试这些板块。耐久性和强度测试是在从这些板块中取出的芯样上进行的，分别是用LC3混凝土和粉煤灰混凝土制备的板块。

让我们看看这些现场样品的表现。对于LC3，现场样品（即从板块中取出的芯样）与实验室样品进行了比较，这些样品是在实验室标准条件下养护的。你会看到，在RCPT方面没有太大差异，迁移系数仍然小于2，两种情况下都是如此。氧气渗透性相似，活性可能略有不同，但无论是在实验室还是在现场养护，你都能获得相同的耐久性。

在粉煤灰基混凝土的情况下，你会看到这里的差异很大，实验室样品的表现远好于现场样品。这意味着粉煤灰基混凝土比LC3基混凝土更容易受到现场养护的影响。因此，这是在现场应用中使用LC3而不是粉煤灰混凝土的主要好处。

当然，还有很多内容，我在这里没有时间详细介绍LC3，但我们在LC3或粘土石灰石水泥方面进行的研究工作已经发表了多篇论文。我这里只列出了印度理工学院马德拉斯分校关于LC3的出版物，当然还有很多其他基于LC3技术的论文来自欧洲、印度理工学院德里分校和澳大利亚。如果你对这个主题感兴趣，并希望进一步研究这种特种水泥，应该阅读这些文献。

这就是它的样子，你可以看到它看起来像细粒粉末，但里面还有一些纤维状的材料，这些纤维显然来自甘蔗渣中的纤维。之前的研究清楚地表明，甘蔗渣中的细粉似乎含有高质量的二氧化硅，这些二氧化硅是无定形的，可以在水泥基体中表现出良好的反应性，就像粉煤灰一样。因此，我们的目标是了解如何最好地利用这种材料，我们需要进行多少加工，才能使这种材料达到替代水泥的质量。

为什么在印度使用甘蔗渣灰？

为什么甘蔗渣灰在印度如此重要？如果你看看该地区的地理，你会发现印度有几个地方生产大量的甘蔗，包括北部的旁遮普邦、北方邦，以及南部的马哈拉施特拉邦、安得拉邦、卡纳塔克邦和泰米尔纳德邦。这些是该国主要的甘蔗生产中心，这里生产的甘蔗数量也直接关系到最终倾倒在附近地区的甘蔗渣灰的数量。每天大约有六到七千吨甘蔗渣灰被处理掉。

你可以想象，这是一个重大的环境问题，因为燃烧后他们没有任何用途，所以他们只是把灰烬倾倒在田地里。现在，糖厂还被要求建立所谓的联合发电厂，这意味着他们应该能够通过燃烧甘蔗渣灰来驱动涡轮机，产生自己的电力，有时甚至将多余的电力供应回电网。因此，甘蔗渣灰的产生预计会越来越多。

显然，需要采取措施利用这些甘蔗渣灰，否则他们会占用越来越多的土地，最终我们将失去可耕种的有用土地。

甘蔗渣灰的物理、化学和矿物特性

那么我们如何确定这种材料是否具有反应性呢？如果你进行X射线衍射分析，你可以很好地了解混合物中存在的无定形成分。甘蔗渣灰中显然也有一些晶体物质，如石英和方解石，但大多数情况下，你会看到一个大的无定形峰，这表明系统中存在的大量二氧化硅可能是无定形的，而无定形显然意味着具有反应性。

直接使用它的困难在于它具有极高的灼烧损失。灼烧损失意味着如果你将其加热到1000摄氏度，你仍然会失去很多重量。为什么会失去这些重量呢？因为甘蔗渣灰中仍然存在未燃烧的碳。因此，大约21%的材料在灼烧时会损失，这意味着你有很多碳在1000摄氏度时被烧掉。

那么我们该怎么办呢？有没有办法去除这些未燃烧的碳？有没有办法以最小化能量输入的方式利用这种材料，使其适合使用？有办法，这就是我们在这项研究中试图找到的答案。

原始甘蔗渣灰的微观结构

首先，我们试图了解从现场收集的原始甘蔗渣灰的微观结构。我们从泰米尔纳德邦南部的一些糖厂收集了甘蔗渣灰，然后进行了扫描电子显微镜研究，以了解这种材料中可以看到的不同形态。你可以看到，这种材料具有纤维状颗粒、不规则形状颗粒和更规则的棱柱形或球形颗粒的组合。

显然，当你开始看到棱柱形或球形时，你知道材料已经获得了一定程度的形状，这种形状特别是棱柱形是系统中存在的晶体材料的结果。纤维状颗粒可以归因于碳基材料，但你仍然需要确认这一点，这就是我们通过能量色散光谱学所做的。不规则颗粒是我们感兴趣的，因为这些是二氧化硅颗粒，再次通过能量色散光谱学确立。

甘蔗渣灰中的颗粒

基本上，原始甘蔗渣灰由细粉组成，这些细粉基本上是细烧的二氧化硅颗粒，你有10毫米大小的粗纤维颗粒和1毫米大小的细纤维颗粒。这两种颗粒都需要从系统中去除，以真正获得更好的甘蔗渣灰性能。那么如何去除它们呢？这是一个问题。我们采用了多种去除技术。

显然，当存在碳时，一种去除方法是进一步燃烧。正如我之前所说，在甘蔗厂中，通常燃烧温度为550摄氏度。因此，我们尝试了更高温度的燃烧，600、700、800、900摄氏度。当你开始接近900摄氏度时，二氧化硅开始重新结晶并形成其他晶体成分，这降低了反应性。我们希望从这种材料中获得最小的火山灰活性，因此我们认为燃烧到700摄氏度可能足以生产出优质材料，但燃烧涉及大量的能量消耗，我们能否以某种方式减少这种消耗？

然后我们发现，通过300微米筛网筛分材料足以使活性指数达到最低要求。筛分然后进一步燃烧可以进一步提高性能。有趣的是，筛分和研磨到水泥细度，这是你将甘蔗渣灰与熟料混合并放入球磨机时所期望的。研磨将导致生产出均匀的尺寸。当然，这取决于相对硬度，但甘蔗渣灰或甘蔗渣灰中的二氧化硅与水泥中的常规钙硅酸盐相比，硬度可能没有太大差异。

当你这样做时，只需筛分和研磨，你会得到超过100的活性指数，这表明你几乎可以获得水泥般的性能，甘蔗渣灰替代水泥的比例高达20%到25%。这是你可以期望的经过处理的甘蔗渣灰的巨大性能。因此，你将从垃圾场收集的甘蔗渣灰干燥，因为当他们倾倒这些灰烬时，他们总是混合水以确保干粉不会飞散，这会导致健康问题。因此，你将其干燥，然后通过300微米筛网筛分，这样可以去除纤维碳，剩下的是优质的粉状二氧化硅。你只需将其粉碎到与水泥相当的尺寸。我们发现这种材料与水泥结合几乎减少了100%的效果。因此，这就是我们在使用甘蔗渣灰混合水泥时所采用的方法。

材料加工和基于甘蔗渣灰的PPC生产

我们制作了5%、10%、15%、20%、25%甘蔗渣灰替代水泥的混合物。显然，5%可以作为性能改进剂使用，而25%可以考虑作为波特兰火山灰水泥使用。中间值只是为了了解随着甘蔗渣灰替代水泥含量的变化会发生什么。

我们为所有不同类型的水泥混合物采用了一个通用的混合设计。水泥含量为360，水胶比为0.45，砂石比为60:40。我们进行了常规的湿养护，分别为28天和56天，并按照常规程序进行了耐久性测试的调节。

抗压强度

你可以看到，随着甘蔗渣灰含量的变化，对强度的影响不大。因此，在5%、15%、25%甘蔗渣灰替代水泥时，强度在控制强度的5%到10%范围内，高或低并不重要。大多数情况下，它们的强度与常规混凝土或仅使用普通波特兰水泥的控制混凝土在同一范围内。这意味着甘蔗渣灰的性能与水泥相当。

耐久性测试方法

我们进行了许多不同的耐久性测试方法，我将展示一些这些方法的结果，因为我还展示了幻灯片中捕获的样品制备过程，这些过程对于几种耐久性技术是通用的。

氯离子测试结果

你看到的是替代水平下通过的电荷量结果。当我替代高达5%时，我略微减少了通过的电荷量，因此对耐久性没有太大影响，但仍然减少了一些电荷量，这是一个重要影响。当我们替代15%或25%时，我们将氯离子通过的电荷量显著降低到非常低的水平，这是你期望的高质量粉煤灰的性能。

同样，氯离子电导率指数（根据南非方法进行的另一项测试）清楚地表明，当你用甘蔗渣灰替代水泥时，电导率下降，较低的电导率意味着更好的耐久性。

氧气渗透性测试结果

氧气渗透性指数绘制在这里，基本上是渗透系数的负对数。如果渗透系数非常低，你的渗透性指数值将会很高。因此，值越高，混凝土越好。与控制混凝土相比，所有含甘蔗渣灰的混凝土似乎都给出了更高的氧气渗透性指数值，这意味着你生产的混凝土在气体渗透性方面质量更好。

Torrent空气渗透性测试结果

我们对所有混合物进行了Torrent空气渗透性测试，你会看到，随着甘蔗渣灰替代水泥水平的增加，渗透系数降低。

Wenner电阻率测试结果

Wenner电阻率测试结果显示，较高的电阻率或较低的电导率意味着更好的混凝土质量。你可以清楚地看到，混合水泥混凝土的电阻率明显优于控制混凝土。因此，所有耐久性结果似乎都表明，甘蔗渣灰基混凝土优于普通波特兰水泥基系统。

水渗透测试结果

另一个积极的结果是，随着甘蔗渣灰替代水平的增加，水渗透深度下降。

所有这些研究结果都发表在几篇论文中，如果你对甘蔗渣灰感兴趣，可以阅读这些论文。仍有许多工作需要完成，例如材料的收缩或甘蔗渣灰混凝土的收缩、结构性能等。我认为了解这些混凝土性能如何受到甘蔗渣灰的影响非常重要，以便在甘蔗渣灰充足的地方最大限度地利用它。

新补充材料的挑战

新补充材料（例如甘蔗渣灰）的主要挑战之一是估计可用量。我们还需要了解需要进行何种加工。为了了解需要进行何种加工，进行全面的材料特性分析非常重要。你之前看到，通过对甘蔗渣灰的加工，我们能够成功地分离出材料中的不同种类。如果我们只是随机进行燃烧或研磨，可能无法获得所需的结果。

我们需要评估这种策略或评估的成本，然后证明这种新补充材料的成本和性能。必须在不同类型的混凝土中建立这种新补充材料的性能。不能仅在一种混凝土中建立性能，然后简单地说它在所有地方都适用。需要查看所有类型的混凝土特性。

标准化是下一步。必须在性能水平上达到一定的信心，以便将材料推向标准委员会，并将其列入可用替代品的清单中。例如，在IS456中，他们有一节说这些是允许用作火山灰替代品或其他填料的材料，而不是普通波特兰水泥。

当然，标准化之后是大规模生产和使用。我还要告诉你，LC3或石灰石钙粘土水泥的标准正在制定中，应该在接下来半年内发布。之后，你会看到大量的LC3商业生产。我展示的所有结果都来自LC3的试验生产。因此，将来你会看到LC3也作为商业可用的水泥选项。

总结

正如我所说，粘结剂的选择可以是本地的或全球的，取决于材料的可用性。你确实需要激励使用这些材料的人，确保制定政策和激励措施以促进这些材料的使用。

当你开始考虑利用新材料时，加工是主要挑战。确保对它们进行良好的特性分析，并了解真正将它们作为水泥替代品所需的加工技术。你为材料进行的可持续性影响评估不仅仅是停止使用水泥，因此你的混凝土更可持续。你提出的替代材料应能够减少与普通波特兰水泥相关的总体二氧化碳和能源，只有这样它才是绿色或可持续的。仅仅说替代水泥就变得可持续是不够的，你需要在证明这些材料可以用于混凝土之前，正确计算加工中涉及的这些成本。

当然，你还需要确定对本地混凝土的影响，因为材料的来源和质量在本地有所不同。因此，所有这些都需要在国家层面进行大量研究。

非常感谢大家，你们可以在会议结束时联系我，提出问题或对所展示内容有具体疑问，或者如果你想获取一些这些研究论文供自己使用，可以通过电子邮件联系我：manus civil dot i came to uc 010。我还在这个网站上整理了一些我的讲座和论文：Concrete Portal。我鼓励你们探索可用的内容，如果有任何疑问，可以随时联系我。

非常感谢大家，很高兴与大家分享我的演讲，我将在这里结束我的演讲，谢谢，再见。

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