废弃煅烧粘土砖粉在可持续超高延展性应变硬化地质聚合物复合材料中的新用途：微观特性与力学行为

《Applied Clay Science》：Novel use of waste calcined clay brick powder in sustainable ultra-high ductility strain-hardening geopolymer composites: Micro-characteristics and mechanical behavior

超高性能应变硬化地聚物复合材料（SHGC）中再生砖粉（RBP）替代飞灰和矿渣的研究表明，适当替代比例（如50% FA和50% slag）对微观结构和力学性能影响较小，RBP替代100% slag时微结构劣化。提高碱激发剂模数和掺量可优化RBP-SHGC的微观结构和力学性能，100% RBP替代时仍保持较高强度，但需控制替代比例。

　　

马志明|吴元辉|李世峰|杨定一|王长青

绍兴大学土木工程学院，中国绍兴312000

摘要

应变硬化地质聚合物复合材料（SHGC）具有低碳特性和优异的机械性能，但用于制备SHGC的传统前驱体供应有限且价格昂贵。使用从烧结粘土砖废料中研磨得到的再生砖粉（RBP）作为绿色前驱体，可以促进烧结粘土砖废料的高价值利用，同时减少对粉煤灰（FA）和矿渣等传统矿物前驱体的依赖。本研究系统地研究了RBP-SHGC的微观结构特性和机械性能。将RBP作为FA和矿渣的适量替代品对SHGC的微观结构和地质聚合物产品影响不大，但用RBP完全替代矿渣会对微观结构产生负面影响。随着RBP替代FA和矿渣的比例增加，机械强度先上升后下降，尽管在RBP替代率达到100%时，RBP掺杂的SHGC仍保持相当的强度。用RBP替代适量的FA和矿渣可以改善单轴抗拉强度和应变能力。RBP同时替代了50%的FA和50%的矿渣的SHGC表现出与参考SHGC相当的极限抗拉应变。提高碱激活剂的模量和碱含量可以有效改善RBP掺杂SHGC的微观结构和机械性能。

引言

在建筑施工、改造和拆除过程中会产生大量的建筑废弃物。此外，这些废弃物占城市固体废弃物总量的很大比例，并且其年产生量持续增加（吴等人，2024a）。大规模填埋建筑废弃物会占用大量土地资源，破坏土壤结构和生态平衡。此外，建筑废弃物中的有害物质可能通过雨水渗透进入土壤和水体，导致环境污染，对生态系统和人类健康构成潜在威胁（Tafesse等人，2022）。以可持续和环保的方式回收建筑废弃物，并将其作为再生建筑材料利用，具有重要的研究意义，有助于减少对传统建筑材料的过度依赖（吴等人，2024b；Rahimpour等人，2024a）。可持续建筑材料在土木工程和材料科学领域受到了广泛关注（Hanafi等人，2024；Wang等人，2025a；Fahmi等人，2023）。烧结粘土砖废料是建筑废弃物的重要组成部分，尤其是在砖石结构和砖混结构拆除产生的废弃物中（Maaze和Shrivastava，2023；Ma等人，2024）。粘土砖废料的回收主要涉及两种方法。第一种方法是将粘土砖废料破碎成再生砖骨料，但其吸水性较高，将其加入混凝土会对微观结构、体积稳定性、机械强度和防水性产生不利影响（Meng等人，2022）。再生砖骨料的高孔隙率大大限制了其在混凝土中的应用。第二种方法是通过破碎和细磨将粘土砖废料制成再生砖粉（RBP），这是实现粘土砖废料高价值回收的关键途径。RBP含有丰富的铝硅酸盐相，具有潜在的火山灰活性，通过减小颗粒尺寸可以进一步增强其反应性（Li等人，2022；Zhao等人，2020）。

当RBP作为补充胶凝材料加入基于水泥的材料中时，适量替代水泥有助于改善微观结构。此外，RBP在长期固化过程中的火山灰反应可以进一步密实混合水泥浆的微观结构（Letelier等人，2018）。过度替代水泥会导致水化产物形成减少，从而增大孔径（吴等人，2024c）。提高固化温度可以改善RBP掺杂水泥浆的微观结构（Luo等人，2022）。部分替代水泥的高细度RBP可以提高基于水泥材料的抗收缩性、强度和防水性，但过度替代会对宏观力学性能和耐久性产生不利影响（Bideci等人，2024）。吴等人（Wu等人，2023a）比较了使用RBP替代水泥与替代河沙对水泥砂浆多种性能的影响。他们的研究结果表明，与替代水泥相比，使用RBP替代河沙在强度和防水性方面有更显著的改善。当RBP在超高强度混凝土（UHPC）中替代水泥时，未水化水泥颗粒可以减轻大量替代水泥对UHPC强度的不利影响；即使在70%的替代率下，所得UHPC仍保持较高的机械强度（≥120 MPa）（Wu等人，2024d）。此外，RBP还被用于高延性胶凝复合材料中，混合RBP和其他建筑废弃物粉末可以增强纤维-基体的摩擦粘结能力，从而提高延性和抗裂性能（Ma等人，2025a）。随着纳米材料的快速发展，将其整合到可持续材料中引起了广泛关注（Zinatloo-Ajabshir和Salavati-Niasari，2016；Mousavi-Kamazani等人，2025）。然而，目前文献中缺乏关于RBP来源和颗粒大小对其掺入混凝土的多尺度性能影响的系统研究。

可持续建筑材料和环保功能材料的发展受到了全球研究人员的关注（Mahdavi等人，2022；Zhang等人，2024；Imani等人，2025；Rahimpour等人，2024b）。RBP含有丰富的铝硅酸盐相，也可作为绿色前驱体，替代粉煤灰（FA）和矿渣制备可持续地质聚合物（Wong等人，2020；Maaze和Shrivastava，2024）。RBP中的活性铝硅酸盐相在碱性条件下溶解，发生聚缩反应，形成三维铝硅酸盐网络，从而获得更致密的微观结构和更好的机械性能（Ma等人，2024）。RBP中较高的非晶含量有助于形成胶凝相，而未反应的石英相则作为微填料。因此，适量添加RBP可以提高地质聚合物的性能（Ye等人，2022）。然而，RBP的地质聚合物化反应性低于FA和矿渣，如果用RBP大量替代FA/矿渣，由于胶凝产物形成不足，可能导致微观结构恶化，从而降低强度（Rovnaník等人，2018）。此外，提高固化温度可以促进RBP的溶解和聚缩反应，增强胶凝相的形成，改善微观结构和强度（Tuyan等人，2018）。适当增加碱激活剂的模量和碱用量可以进一步提高RBP的地质聚合物化程度，从而增强基于RBP的地质聚合物的机械性能（Ma等人，2024）。最近开发的应变硬化地质聚合物复合材料（SHGC）结合了高体积纤维和铝硅酸盐基地质聚合物，是一类新型的低碳、高性能胶凝材料（Wang等人，2022）。FA、矿渣及其混合物由于其广泛的可用性和相对稳定的化学成分，常被用作制备SHGC的主要前驱体。此外，偏高岭土、钢渣、稻壳灰和红泥也是替代前驱体（Zhong和Zhang，2023；Xu等人，2025a）。与使用水泥作为粘合剂的工程胶凝复合材料相比，SHGC的CO₂排放量显著降低（Chan和Zhang，2022）。随着天然骨料和传统矿物材料的日益短缺，将再生骨料和粉末纳入可持续SHGC的生产具有重要的研究意义和工程价值（Huang等人，2025；Xu等人，2023；Wang等人，2024a）。玻璃砂、海砂/珊瑚砂、海水、烧结天然粘土和其他固体废弃物也被用于制备低碳和可持续SHGC（Wang等人，2024b；Lao等人，2023）。虽然已经证实了在SHGC中使用再生粉末的可行性，但关于RBP-SHGC的机械性能的研究仍然很少，对其单轴抗拉行为和裂纹发展的了解也有限，碱激活剂参数的显著影响也未得到充分研究。

随着建筑技术和低碳建筑材料的快速发展，具有高强度和高延性的SHGC引起了全球研究人员的广泛关注。现有的SHGC研究主要集中在使用FA和矿渣作为矿物前驱体时的机械性能，而使用建筑废弃物粉末作为可持续SHGC前驱体的系统研究较少。RBP表现出地质聚合物化反应性和物理填料效应。使用RBP替代FA/矿渣制备可持续SHGC在理论和技术上都是可行的，这不仅减少了FA/矿渣的需求，还提高了粘土砖废料的回收效率。然而，关于RBP作为前驱体对SHGC微观结构和机械性能影响的系统研究仍然不足。因此，本研究创新性地使用RBP作为制备高强度和高延性SHGC的替代前驱体，特别关注RBP-SHGC的微观特性和机械性能的研究。本研究首次揭示了在不同替代比例下用RBP替代FA和矿渣对SHGC性能的影响。此外，还研究了硅酸盐模量和碱用量对微观结构和机械行为的影响，为RBP-SHGC的性能提升提供了关键数据。图1展示了实验框架。

部分内容

原材料

首先从砖混结构建筑的拆除现场收集烧结粘土砖废料，并在烤箱中干燥。然后将其在颚式破碎机中破碎，得到粒径≤5 mm的颗粒，以便后续进行细磨。最后，这些小颗粒在球磨机中研磨成RBP（粒径小于0.15 mm）。随着研磨时间的增加，RBP的粒径减小；通过优化，成功获得了与FA和矿渣相当的粒径的RBP。表1显示了

RBP-SHGC的微观结构和胶凝产物

图4(a)首先展示了不同RBP替代矿渣比例对SHGC微观结构的影响。SHGC-Ref具有致密的微观结构，未反应的FA颗粒被地质聚合物化产物紧密包裹。当RBP替代25%的矿渣时，不规则的RBP颗粒也被大量的胶凝相包裹，显示出RBP颗粒的有效填充效应（Dang等人，2024）。当RBP以低比例部分替代矿渣时，其

结论

本研究创新性地使用RBP作为替代前驱体制备超高延性、高强度的SHGC，得出以下结论。

(1) RBP富含硅铝氧化物，表现出地质聚合物化反应性和填料效应。部分替代FA和矿渣对SHGC的微观结构和胶凝产物影响不大，但用RBP完全替代矿渣会对微观特性产生负面影响。适当的

作者贡献声明

马志明：撰写——原始草稿，资金获取，概念构思。吴元辉：撰写——审阅与编辑，研究，数据管理。李世峰：验证，资源协调，研究。杨定一：撰写——审阅与编辑，可视化，方法论。王长青：撰写——审阅与编辑，监督，软件应用，形式分析。

利益冲突声明

本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意其可能发表。我代表所有合作者保证该贡献是原创的，未曾在其他地方发表或考虑发表。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号52478280）等 ongoing 项目的支持。