利用响应面方法对固体废物粘合剂稳定黄土再生砌块的优化设计及生命周期评估

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Optimization design and life cycle assessment of solid waste binder-stabilized loess recycled blocks using response surface methodology

固废结合料稳定化赤泥再生砌块（GLRB）通过响应面法优化配比，实现力学性能与环保效益协同提升，抗压强度17-31MPa，吸水率≤5.1%，生命周期评估显示减排超过60%。

　　

齐亚鹏|袁燕|尚晓宇|邵玉龙|张桂玉|肖兆然|杨静伟

郑州理工大学土木工程与建筑系，中国郑州，12746

摘要

寻找可持续的替代传统砌体材料的方法对于减少建筑行业对环境的影响至关重要。固体废物粘合剂稳定的黄土再生块（GLRB）通过结合高钙固体废物粘合剂（地质聚合物材料）、黄土、粉煤灰、再生骨料和再生渔网纤维（RFNF）提供了一种有前景的解决方案，但其性能和环境效益仍需进一步研究。因此，采用响应面方法（RSM）来优化混合比例，考虑了粉煤灰替代率（0–40%）、黄土替代率（0–40%）和RFNF含量（0–2%）。评估了17种混合设计在表观密度、吸水率、抗压强度和抗弯强度方面的表现。优化的GLRB还进行了干燥收缩和冻融耐久性测试，并对其微观结构进行了表征，以关联微观特征与宏观性能。基于RSM的结果，开发了四种优化混合物（GLRB1–GLRB4），分别针对不同的设计目标：平衡整体性能（GLRB1）；多固体废物的资源循环利用（GLRB2）；高密度、低吸水率和成本效益（GLRB3）；以及强度导向（GLRB4）。实验结果显示，这四种混合物的抗压强度范围为17–31 MPa，吸水率均控制在5.1%或更低。生命周期评估（LCA）表明，与传统再生块相比，GLRB使全球变暖潜力降低了60%以上，主要得益于消除了水泥生产。这些发现凸显了GLRB作为一种具有增强结构性能和环境效益的可持续替代材料的潜力。

引言

在全球气候变化的背景下，建筑行业是温室气体排放的主要来源之一，其中水泥是建筑材料中最广泛使用的成分。根据国际能源署（IEA）的数据，水泥行业占全球人为温室气体排放量的8% [1]，[2]。水泥行业的二氧化碳排放不仅来自能源消耗，还来自石灰石煅烧过程中释放的二氧化碳，分别占总二氧化碳排放量的约32%和58% [3]。此外，全球水泥产量从2010年的32.7亿吨增加到2030年的约48.3亿吨 [4]。这一增长不仅反映了建筑材料行业面临的环境压力，也凸显了迫切需要低碳替代品。传统水泥生产依赖于石灰石等原材料的高温煅烧，通常需要1400°C至1600°C的温度。这一过程能耗高，主要依赖化石燃料，导致大量二氧化碳排放。此外，水泥生产还涉及石灰石分解过程中的直接排放，进一步加剧了其碳足迹。因此，推进低碳水泥的研究和应用不仅是缓解气候变化的关键措施，也是实现可持续发展的必要步骤。事实上，为了减轻普通波特兰水泥（OPC）的环境影响，已经开发出多种来自天然、工业或副产品的地质聚合物替代品，并取得了有希望的结果 [5]，[6]，[7]。

考虑到工业固体废物粘合剂生产过程中的低能耗和二氧化碳排放 [8]，[9]，它比OPC更具环境友好性和可持续性 [10]，[11]，[12]。如今，固体废物粘合剂已成为传统水泥的可行替代品 [13]，[14]，用于生产更环保的混凝土 [15]，[16]。研究表明，与传统的OPC相比，这种粘合剂可以减少约44-64%的温室气体排放 [17]。除了环境效益外，这种粘合剂还具有更好的抗化学腐蚀、冻融循环和高温性能，以及比传统水泥基混凝土更紧密的微观结构 [18]，[19]。更广泛地说，来自工业副产品（如粉煤灰、矿渣和偏高岭土）的铝硅酸盐基粘合剂不仅促进了工业固体废物的回收，还显著降低了与OPC生产相关的能耗和温室气体排放 [20]，[21]，[22]。这符合实现成本效益、节能和可持续环境发展的目标，与零碳战略一致 [23]。

随着城市化进程的加快，建筑业的快速发展产生了大量建筑废弃物，不仅占用宝贵的城市土地资源，还造成了严重的环境污染 [24]，[25]，[26]。中国的黄土资源主要分布在黄土高原及其周边地区，占全国总面积的6.6%，使其成为世界上黄土最丰富的国家之一。黄土层厚度通常在50至300米之间，某些地区甚至超过500米。然而，随着城市化的推进，产生了大量基于黄土的固体废弃物，目前缺乏有效的处理方法，因此需要开发高效的黄土管理方式。黄土是一种高度结晶的铝硅酸盐材料，主要由CaO、Al₂O₃、SiO₂和Fe₂O₃组成 [27]，[28]。其细颗粒主要由淤泥和粘土构成，覆盖了地球表面约10%的面积 [29]。不同地区的黄土矿物组成相对均匀，为大规模应用于建筑材料提供了坚实的基础。将黄土转化为骨料不仅减少了对天然砂和砾石资源的依赖，还降低了建筑材料的生产成本，有效缓解了建筑废弃物造成的环境压力。近年来，宋等人 [30] 研究了完全分解的花岗岩（CDG）土壤作为波特兰水泥混凝土细骨料的潜力。实验结果表明，CDG的力学性能（包括干燥收缩、有机物影响和碱-硅反应指标）符合规定标准。罗等人 [31] 研究了用挖掘土壤（ES）和再生混凝土骨料（RCAs）制成的混凝土块的性能，结果显示，经过湿-干循环后，基于ES的混凝土块的抗压强度提高了20%至80%。因此，探索使用黄土替代建筑废弃物中的细骨料，并评估其在建筑材料中的潜在应用，为建筑行业提供了一个环保、经济且可持续的资源。

除了选择粘合剂和骨料外，纤维增强是提高水泥基和地质聚合物基砌体单元韧性和抗裂性的有效手段 [32]。在各种增强材料中，聚丙烯（PP）纤维和天然植物纤维被广泛用于改善水泥基复合材料的韧性和抗裂性 [33]。然而，PP纤维由原始石化原料制成，其制造过程会对环境造成不可忽视的负担，而天然纤维虽然可再生，但在水泥基和地质聚合物基体的高碱性孔溶液中可能会损失强度并发生降解 [34]。在这种情况下，从废弃的合成渔网中回收的再生渔网纤维（RFNF）表现出与传统PP纤维相当的拉伸强度和刚性，并具有天然的耐碱性，因此是地质聚合物稳定黄土再生块的有前景的可持续增强材料。从经济角度来看，商业PP或天然纤维必须作为成品购买，而本研究中使用的RFNF则来自本地可获得的废弃渔网，几乎不需要原材料成本。使用RFNF不仅提高了块的力学性能和韧性，还为废弃渔网提供了有效的再利用途径 [35]。

近年来，关于含有固体废物的低碳砌体单元的混合设计、力学性能和耐久性的研究已经取得了进展 [36]，[37]。然而，大多数现有的混合设计方法仍然只关注单一目标（通常是抗压强度），缺乏同时考虑力学性能、耐久性和低碳排放的多目标框架。此外，在关于基于黄土的块的研究中，生命周期评估（LCA）通常与混合优化和耐久性评估分开进行，对运输距离和原材料来源等关键参数的敏感性分析也有限。因此，很难在工程实践中为材料选择和低碳结构设计提供综合决策支持。

在本研究中，采用响应面方法（RSM），以表观密度、吸水率、抗压强度和抗弯强度作为响应变量，开发出同时具备良好力学性能、耐久性和环境效益的GLRB。首先，使用RSM在四个设计目标下优化了混合比例：实现整体性能平衡、最大化固体废物利用率、最小化密度和最大化抗压强度。然后选择了四种相应的优化混合物进行耐久性测试。其次，通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）将GLRB的宏观行为与其微观结构联系起来。最后，进行了生命周期评估（LCA），以比较GLRB和普通再生块（ORB）的环境影响。

材料

本研究使用了一种高钙固体废物衍生的水泥粘合剂，其硬化过程主要由富含钙的反应产物的形成和发展主导，因此在机制上不同于传统的基于碱活化前体的铝硅酸盐基地质聚合物。该产品被命名为GPM I-42.5（以下简称地质聚合物材料），由上海宝恒新材料有限公司（中国上海）提供，具有相应的强度等级。

GLRB响应面模型的建立

所有GLRB的实验结果见表9。表观密度范围为2462 kg/m³至2503 kg/m³，吸水率范围为3.48%至5.70%。抗压强度范围为15.15 MPa至29.66 MPa，抗弯强度范围为5.13 MPa至7.60 MPa。

结论

本研究成功开发出了具有优异性能和环境效益的固体废物粘合剂稳定的黄土再生块（GLRB）。使用响应面方法（RSM）优化了GLRB的混合比例，随后对其物理、力学、耐久性和微观结构性能进行了评估。最后进行了生命周期评估（LCA），以确定环境影响。主要结论如下：

1.

基于RSM的响应回归模型

CRediT作者贡献声明

尚晓宇：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念构思

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

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