现代混凝土技术中的火山灰反应性：塑造耐久性和可持续性。探索先进火山灰如何改变未来建筑材料的面貌。（2025）

• 导言：火山灰反应性的科学
• 火山灰的历史演变与现代应用
• 当代混凝土中的主要火山灰材料类型
• 火山灰反应机制：化学与微观结构
• 性能优势：强度、耐久性和可持续性
• 火山灰反应性测试与测量：标准与方法
• 火山灰材料的采购和加工创新
• 环境影响与减少碳排放的潜力
• 市场趋势与预测：全球混凝土中的火山灰添加剂（预计2030年CAGR 8%，来源于cement.org）
• 未来展望：新兴技术与研究方向
• 来源与参考文献

导言：火山灰反应性的科学

火山灰反应性是现代混凝土技术的基石，支撑着在可持续性、耐久性和性能方面的进展。“火山灰”一词指的是硅酸盐或铝土矿材料与氢氧化钙在水的存在下进行化学反应，从而形成额外的 Calcium Silicate Hydrate (C-S-H) 胶体——混凝土中的主要粘合剂。这一反应在20世纪首次得到系统研究，随着建筑行业寻求减少碳足迹和延长基础设施的使用寿命，其重要性日益凸显。

到2025年，火山灰反应性科学处于研究和工业应用的最前沿。全球水泥和混凝土领域，由如全球水泥与混凝土协会等组织代表，积极推广使用补充水泥材料(SCMs)，如粉煤灰、硅灰和天然火山灰。这些材料与波特兰水泥混合时，能够进行火山灰反应，消耗氢氧化钙并形成额外的C-S-H，从而改善混凝土的机械性能和抗化学侵蚀能力。

近年来，分析技术的进展——如等温量热法、X射线衍射和扫描电子显微镜——使研究人员能够更精确地量化火山灰反应性。这导致了新测试协议和标准的发展，ASTM国际和RILEM（国际实验室和建筑材料、系统与结构专家联合会）等机构在标准化评估火山灰活性的过程中发挥了关键作用。

去碳化的驱动因素加速了火山灰材料的采用。根据国际能源机构的数据，水泥行业大约占全球CO₂排放的7%。通过增加具有高火山灰反应性的SCM的使用，行业可以显著减少水泥中的熟料含量，从而降低排放。到2025年，研究重点将放在优化传统和新型火山灰的反应性上，包括煅烧粘土和农业副产品，以满足性能和可持续性目标。

展望未来，预计未来几年将有更多火山灰材料融入主流混凝土生产，此过程将得到持续的研究、更新的标准和政策激励支持。火山灰反应性的科学将继续是混凝土技术创新的核心，使行业能够应对环境和工程挑战。

火山灰的历史演变与现代应用

火山灰材料在混凝土技术中的历史演变可以追溯到古罗马时期，当时火山灰与石灰混合以创建耐久的结构，其中许多至今依然屹立。“火山灰”一词本身源于意大利那不勒斯附近的波祖里镇，以其火山灰沉积物而闻名。几个世纪以来，火山灰反应性的理解和应用显著进步，最终在现代可持续建筑实践中发挥了核心作用。

在20世纪，工业副产品如粉煤灰和硅灰作为补充水泥材料(SCMs)的使用变得普遍，既受到性能优势的驱动，也考虑到环保因素。火山灰反应——硅酸盐或铝土矿材料在水的存在下与氢氧化钙反应形成额外的C-S-H——对增强混凝土的强度、耐久性和抵抗化学侵蚀能力至关重要。

到2025年，全球混凝土行业正在经历范式转变，火山灰反应性处于创新的最前沿。减少水泥生产碳足迹的推动——水泥生产约占全球CO₂排放的7%——加速了高反应性火山灰的采用。波特兰水泥协会和ASTM国际等组织已制定严格的标准，以确保火山灰材料在现代应用中的性能和安全性。

• 天然火山灰：对天然火山灰的兴趣重新升温，如煅烧粘土和火山灰在接入工业副产品有限的地区，研究表明这些材料可以部分替代波特兰水泥，尤其是在低碳混凝土配方中。
• 工业副产品：粉煤灰和钢渣的使用仍然显著，但供应链限制——尤其是煤电生产的减少——促使人们寻找替代来源。CEMBUREAU（欧洲水泥协会）积极推动对新火山灰材料的研究，包括回收玻璃和农业灰烬。
• 先进表征：现代分析技术，如等温量热法和X射线衍射，正在被标准化以更准确地评估火山灰反应性。这些方法得到了ASTM国际和ISO（国际标准化组织）内部技术委员会的认可。

展望未来，预计未来几年将在基础设施和绿色建筑项目中增加高性能火山灰的整合。带有量身定制火山灰含量的复合水泥的发展预计将在达到全球可持续发展目标方面发挥重要作用，如联合国环境规划署所概述的那样。因此，火山灰反应性在混凝土技术中的持续演变仍然是建筑行业创新和环境管理的基石。

当代混凝土中的主要火山灰材料类型

到2025年，现代混凝土技术中火山灰材料的格局受到传统和新兴来源的塑造，每种来源都贡献了不同的反应性特征，影响混凝土的性能和可持续性。当前使用或处于积极研究中的主要火山灰材料类型包括粉煤灰、硅灰、天然火山灰（如火山灰和煅烧粘土）以及工业副产品，如磨细的高炉矿渣(GGBFS)和稻壳灰。

• 粉煤灰：传统上来自煤电厂，粉煤灰由于其高含硅和铝含量而成为广泛使用的火山灰，能够与氢氧化钙反应形成额外的水泥化合物。然而，全球朝向非煤能源的转变正在减少粉煤灰的供应，促使对替代来源和选矿技术的研究以提升反应性和一致性。ASTM国际继续更新粉煤灰分类和性能的标准，反映供应和质量的变化。
• 硅灰：作为硅和铁硅合金生产的副产品，硅灰以其超细颗粒尺寸和高非晶硅含量而特征明显，导致快速而强烈的火山灰反应。它在高性能和超高性能混凝土中使用尤为显著，显著提高了强度和耐久性。欧洲硅协会等类似机构对生产和质量标准进行监控，以确保建筑行业的可靠供应。
• 天然火山灰和煅烧粘土：火山灰和热激活粘土（尤其是高岭土）作为可持续替代品正在获得关注，尤其是在有限的工业副产品可得地区。近来的研究突显了煅烧粘土的高反应性，能够部分替代波特兰水泥，同时保持或增强机械性能和耐久性。RILEM（国际实验室和建筑材料、系统与结构专家联合会）正在积极协调对这些材料的性能与标准化研究。
• 磨细高炉矿渣（GGBFS）：从铁和钢制造中产生，GGBFS是一种潜在的水硬材料，当磨细时具有火山灰特性。它在复合水泥中的使用已得到证实，有助于降低碳排放并改善长期耐久性。世界钢铁协会等组织正在推动钢渣在建筑中的可持续利用。
• 稻壳灰和其他农业副产品：在亚洲和其他稻米生产地区，农业废物的增值，尤其是稻壳灰，正在扩展。当经过适当处理时，稻壳灰表现出高火山灰反应性，提供了一种可再生的低碳替代品用于混凝土生产。

展望未来，预计未来几年将越来越多地采用本地可得和低碳的火山灰材料，受法规压力和可持续目标的驱动。由波特兰水泥协会和RILEM等组织支持的持续研究，集中在优化配合设计和激活方法，以最大限度地提高传统与新型火山灰在现代混凝土技术中的反应性和性能。

火山灰反应机制：化学与微观结构

火山灰反应性的机制是现代混凝土技术进步的核心，尤其是当行业寻求减少其碳足迹和增强材料性能时。火山灰材料——如粉煤灰、硅灰、高岭土和天然火山灰——其特征在于能够与氢氧化钙（Ca(OH)₂）反应，氢氧化钙是波特兰水泥水化的副产品，形成额外的C-S-H胶体。这种二次C-S-H负责提高混凝土的强度、耐久性和减少渗透性。

在化学上，火山灰反应是一个缓慢的异质过程，依赖于火山灰的非晶硅和铝含量、颗粒细度及Ca(OH)₂的可用性。反应可以概括为：

• SiO₂（非晶，来自火山灰）+ Ca(OH)₂ + H₂O → C-S-H（次级胶体）
• Al₂O₃（来自火山灰）+ Ca(OH)₂ + H₂O → C-A-H（铝酸钙水合物）

近期的研究（2023-2025）专注于利用先进技术量化火山灰反应性，如等温量热法、热重分析和扫描电子显微镜。这些方法能够精确监控反应动力学和微观结构演变，为补充水泥材料（SCMs）在混凝土配方中的最佳使用提供了见解。RILEM（国际实验室和建筑材料、系统与结构专家联合会）在标准化测试方法和促进火山灰材料的协作研究方面发挥了重要作用。

在微观结构上，火山灰反应细化了混凝土的孔隙结构，减少了毛细孔的连通性，并增强了对氯化物和硫酸盐等侵蚀剂的抵抗力。这种密实化对于暴露于恶劣环境的基础设施尤为相关，正在进行的由波特兰水泥协会和美国混凝土协会的项目突显了这一点。这两个组织正在积极更新指南，以反映有关SCM整合和性能的最新发现。

展望2025年及以后，火山灰反应性在混凝土技术中的前景受到可持续性和韧性这两大驱动的影响。高反应性火山灰的采用，包括煅烧粘土和工程副产品，预计将加速发展，受益于监管框架和行业标准。正在进行的研究旨在调整火山灰的化学成分和颗粒工程，以最大化反应性，进一步降低熟料含量和相关的CO₂排放。当行业朝着碳中和混凝土的方向发展时，理解和优化火山灰反应的机制将继续是创新的基石。

性能优势：强度、耐久性和可持续性

火山灰反应性，即火山灰材料与氢氧化钙在水的存在下的化学相互作用，是现代混凝土技术的基石，尤其是当行业在2025年及以后的年份更注重性能与可持续性时。高度反应性火山灰——如粉煤灰、硅灰、高岭土和天然火山灰的整合已被证明能够显著提升混凝土的机械和耐久性特性，同时还助力实现环保目标。

最近的研究和实地应用表明，火山灰材料可以改善抗压和抗弯强度，特别是在后期，因为形成了额外的C-S-H胶体。这种微观结构的密实化导致了渗透性降低和对氯化物、硫酸盐等侵入物的增强抵抗力，这对基础设施的耐久性至关重要。例如，使用F类粉煤灰和硅灰的高性能混凝土配合已导致28天抗压强度比传统波特兰水泥混凝土高出10-20%，这一点得到了诸如ASTM国际和美国混凝土协会等主要行业组织的报告支持。

耐久性的改善在应对气候变化及极端天气事件频率增加的背景下尤为重要。火山灰反应减少了有害反应的风险，如碱-硅反应（ASR），并增强了对冻融循环和化学侵蚀的抵抗力。波特兰水泥协会强调，火山灰掺合水泥可以将混凝土结构的使用寿命延长数十年，从而减少维护成本和资源消耗。

从可持续性的角度来看，用火山灰材料替代波特兰水泥可以直接降低二氧化碳排放，因为水泥生产是全球CO₂排放的主要来源。到2025年，补充水泥材料（SCMs）的采用正在加速，受到目标降低建材所含碳的法规框架和自愿标准的驱动。国际能源机构和CEMBUREAU（欧洲水泥协会）等组织正在积极推进火山灰的使用，以帮助水泥和混凝土行业实现雄心勃勃的去碳化目标。

展望未来，持续对新型火山灰来源的研究，包括煅烧粘土和回收材料，有望进一步提高混凝土的性能和可持续性。先进的表征技术与基于性能的规格之间的协同作用预计将推动下一代高性能、低碳混凝土的发展，从而巩固火山灰反应性作为韧性和可持续基础设施关键因素的地位。

火山灰反应性测试与测量：标准与方法

火山灰反应性测试与测量是现代混凝土技术的基石，因为它直接影响水泥材料的性能、耐久性和可持续性。到2025年，行业继续完善和标准化评估传统和新型火山灰反应性的方法，受到对减少混凝土碳足迹的补充水泥材料（SCMs）使用日益增加的推动。

评估火山灰反应性的最广泛认可的标准由如ASTM国际和国际标准化组织（ISO）等组织建立。ASTM C618仍然是对天然火山灰和粉煤灰分类的基准，规定了化学成分和强度活性指数的要求。同时，ASTM C311概述了测试火山灰的物理和化学特性的程序，包括强度活性指数，该指数在7天和28天的养护后比较含和不含火山灰材料的砂浆的抗压强度。

近年来，推动更快速和精确的方法。Frattini测试（EN 196-5）和Chapelle测试在欧洲被广泛使用，以量化火山灰的石灰消耗，提供其反应性的直接度量。到2025年，研究日益集中在等温量热法上，该方法测量水化过程中的热量释放，实时提供火山灰活性的见解。由于其灵敏性和检测早期反应的能力，这一方法正越来越受到重视，这对于评估新SCM（如煅烧粘土和农业灰烬）至关重要。

新兴技术，如热重分析（TGA）和X射线衍射（XRD），正在整合到标准协议中，以提供对火山灰反应在微观结构级别上的更全面理解。这些方法可以量化氢氧化钙的消耗和次级水合硅酸钙的形成，这些都是火山灰反应活性的关键指标。

展望未来，行业正朝着全球标准的统一化发展，像RILEM（国际实验室和建筑材料、系统与结构专家联合会）等组织正在领导协作努力，制定通用的测试方法。这在火山灰材料范围不断扩大的同时，基于性能的标准在可持续建筑实践中变得越来越普遍，这一点尤为重要。

总之，2025年标志着火山灰反应性测试与测量的重大进展时期，显示出更快速、准确和全球统一的方法的明确趋势。这些发展对于支持创新SCM的采用和确保现代混凝土的长期性能与可持续性至关重要。

火山灰材料的采购和加工创新

到2025年，推动可持续建筑材料的需求已加剧了火山灰材料的采购和加工创新，这对提高现代混凝土的反应性和性能至关重要。火山灰反应性——硅酸盐或铝土矿材料在水的存在下与氢氧化钙反应的能力——仍然是减少水泥材料碳足迹的一个焦点。近年来，传统火山灰（如粉煤灰和天然火山灰）向替代来源和先进加工技术的转变，旨在解决供应约束和性能需求。

一个重要的发展是对工业副产品和农业废物的增值。例如，煅烧粘土，特别是高岭土，因其高火山灰反应性和全球可用性而受到重视。加拿大矿业、冶金和石油研究所及其他技术机构已强调热激活粘土在部分替代波特兰水泥方面的潜力，在降低CO₂排放的同时保持或提高混凝土耐久性。类似地，稻壳灰和其他生物质灰烬正通过受控燃烧和研磨进行加工，以优化其非晶硅含量，这是火山灰活性的一个关键因素。

加工技术的进展也在改变这一领域的格局。机械激活——例如高能磨粉已被证明可以增加火山灰材料的表面积和反应性，使得使用低品质或以前未充分利用的来源成为可能。热激活过程正在不断完善，以调整矿物成分并最大化非晶相，这是进行快速和有效火山灰反应所必需的。国际实验室和建筑材料、系统与结构专家联合会（RILEM）已发布有关补充水泥材料表征和加工的技术建议，以支持这些创新的实际应用。

展望未来，人工智能与机器学习在材料选择和过程优化中的应用预计将加速。这些工具可以根据矿物和化学数据预测火山灰的反应性，从而简化新来源的识别和量身定制的加工方案的设计。此外，像ASTM国际等组织推动的研究机构、行业和标准组织之间的持续协作，正在促进新测试方法和性能规格的发展，确保创新的火山灰材料符合现代混凝土技术的严格要求。

总之，2025年标志着在火山灰材料的采购和加工方面快速进步的时期，这一进步受到可持续目标的推动，并得益于科学与技术的进步。这些创新将有望扩大可用火山灰的范围，提高其反应性，支持向更绿色、高性能混凝土的转型。

环境影响与减少碳排放的潜力

混凝土生产的环境影响，尤其是其对全球CO₂排放的重大贡献，推动建筑行业寻求创新的碳减排解决方案。到2025年，火山灰反应性——指某些硅酸盐或铝土矿材料在水的存在下与氢氧化钙反应的能力——在这些努力中仍是核心。通过用火山灰材料（如粉煤灰、硅灰、高岭土和天然火山灰）部分替代波特兰水泥，可以大幅降低混凝土的碳足迹。

来自领先行业组织的最新数据显示，使用高火山灰反应性的补充水泥材料（SCMs）可以降低水泥混合料中的熟料因数，直接减少CO₂排放。例如，CEMBUREAU（欧洲水泥协会）报告称，欧洲的水泥与熟料比率在2024年已下降至75%以下，这主要归因于SCM使用的增加。预计这种趋势将在2025年及以后继续，因为《欧洲绿色协议》和《美国基础设施投资和就业法》等监管框架激励低碳建筑材料的发展。

国际能源机构（IEA）强调，全球水泥行业必须每年将直接排放减少至少3%，以达到净零排放目标。火山灰材料通过增强混凝土的反应性和耐久性，在这一过渡中发挥着重要作用。IEA于2023年的水泥技术路线图项目，到2030年，高反应性火山灰的使用可导致与2020年相比，水泥相关CO₂排放减少16%。

到2025年，研究和试点项目越来越专注于优化传统和新型火山灰的反应性。像ASTM国际等组织正在更新标准，以容纳新的SCM类别，包括煅烧粘土和回收玻璃粉，这些材料表现出良好的火山灰特性。这些努力得到了RILEM（国际实验室和建筑材料、系统与结构专家联合会）的支持，该组织协调全球对可持续混凝土技术的研究。

展望未来，火山灰反应性在现代混凝土技术中的前景良好。先进表征技术与基于性能的规格的结合预计将加速高反应性火山灰的普及。随着产业向循环经济原则和更严格的碳法规迈进，火山灰材料将在减少混凝土碳排放和减轻建筑环境影响的战略中继续发挥重要作用。

市场趋势与预测：全球混凝土中的火山灰添加剂（预计2030年CAGR 8%，来源于cement.org）

全球混凝土中火山灰添加剂的市场正在经历强劲增长，预计到2030年复合年增长率（CAGR）约为8%，这一信息来自于波特兰水泥协会，这一协会是水泥和混凝土研究与标准的领导机构。此扩展受到可持续建筑材料需求增长、减少碳排放的法规压力以及火山灰反应性增强的持续创新推动。

到2025年，火山灰材料——如粉煤灰、硅灰、高岭土和天然火山灰的采用持续加速，特别是在制定雄心勃勃的去碳化目标的地区。亚太地区由中国和印度主导，仍是全球最大的消费市场，约占50%以上的需求，原因在于迅速的城市化和基础设施发展。欧洲和北美也在经历显著的增长，受到更严格环保法规和低碳建设实践激励的推动。

来自波特兰水泥协会和ASTM国际（全球公认的标准组织）的最新数据突显出对高反应性火山灰的转变。这些材料被设计用以优化火山灰反应，改善早期强度、耐久性和对化学侵蚀的抵抗力。到2025年，制造商正在投资于先进的加工技术，如机械激活和热处理，以增强天然和人为火山灰的反应性。

未来几年的市场前景受到几个关键趋势的影响：

• 供应链多元化：随着燃煤电厂的减少，传统粉煤灰的供应正在减少。这促使向包括煅烧粘土和回收玻璃火山灰等替代来源的转变，波特兰水泥协会对此进行了文献记录。
• 基于性能的标准：像ASTM国际这样的组织正在更新标准，以适应新的火山灰材料，侧重于性能指标而非规定成分，这鼓励了创新和更广泛的应用。
• 碳减排倡议：整合火山灰添加剂是实现水泥行业净零目标的核心，正如国际能源机构所指出的，补充水泥材料被视为减少排放的主要手段。

展望未来，火山灰添加剂市场预计将保持其增长轨迹，受科技进步、标准演变以及全球可持续建筑迫切需要的支撑。接下来的几年中，行业、标准机构和研究机构之间将进一步协作，以增强火山灰反应性并确保这些关键材料的可靠供应链。

未来展望：新兴技术与研究方向

火山灰反应性的未来在现代混凝土技术中受到可持续性需求、先进材料科学和数字创新相结合的影响。随着建筑行业加大努力降低其碳足迹，高火山灰反应性补充水泥材料（SCMs）的角色越来越核心。在2025年及未来几年，有几个新兴技术和研究方向有望重新定义火山灰材料在混凝土中的采购、表征和利用方式。

一个显著的趋势是替代火山灰的加速开发，这些火山灰来源于工业副产品和自然资源。随着全球煤电生产的减少，传统粉煤灰的可用性正在下降，促使研究人员探索煅烧粘土、火山灰和回收玻璃作为可行的SCMs。RILEM（国际实验室和建筑材料、系统与结构专家联合会）和波特兰水泥协会正积极支持对这些新型材料的反应性与性能的研究，关注优化煅烧过程和粒子工程以提升火山灰活性。

先进的表征技术也正在得到重视。现场分析工具的应用——如等温量热法、核磁共振（NMR）和同步辐射X射线衍射，使得能够实时监控火山灰反应在微观结构级别的变化。这些方法受到了领先研究机构和标准化机构的倡导，如ASTM国际，预计将在评估SCM反应性方面成为标准实践，从而促进更精确的配合设计与性能预测。

数字化和机器学习正在成为变革性力量。尽管还在开发阶段的预测建模平台，利用来自实验室和现场研究的大型数据集，被开发用于预测使用各种火山灰的混凝土的长期表现。国家标准与技术研究院等组织正处于前沿，旨在将人工智能整合到混凝土配合优化中，加速低碳、高性能材料的采用。

展望未来，火山灰材料与碳捕集及利用（CCU）技术的整合是一个有前景的方向。正在进行的研究旨在设计火山灰，不仅增强混凝土的耐久性，还能在水化期间主动捕获CO₂。这与国际机构如国际能源机构所设定的去碳化目标相一致，预示着一个未来，在这个未来中，火山灰反应性将不仅用于提升性能，也将作为气候行动中的一个关键杠杆。

总之，接下来的几年将见证火山灰反应性研究的范式转变，这一转变由材料创新、先进分析与数字工具的结合推动，旨在提供更可持续与更具韧性的混凝土解决方案。

来源与参考文献

• 全球水泥与混凝土协会
• ASTM国际
• RILEM（国际实验室和建筑材料、系统与结构专家联合会）
• 国际能源机构
• 波特兰水泥协会
• CEMBUREAU（欧洲水泥协会）
• ISO（国际标准化组织）
• 世界钢铁协会
• 加拿大矿业、冶金和石油研究所
• 国家标准与技术研究院