利用热带地区的红土土壤开发轻量化、高能效的一体化系统：孔隙网络分布与热性能建模

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Development of the one-system lightweight and energy efficiency using laterite soils from tropics: Pore network distribution and thermal performances modelling

　　朱文纳尔·乔盖蒂·德图·纳梅莱乌（Juvenal Giogetti Deutou Nemaleu）| 韦伯斯特·桑博（Webster Sambo）| 埃利·坎塞乌（Elie Kamseu）| 野口尊文（Takafumi Noguchi）
东京大学工学研究科建筑系，日本东京文京区

**摘要**
在热带地区，家庭舒适度持续受到长期高温和高湿度的挑战。为了解决这一问题，提高建筑围护结构的能源效率至关重要。本研究重点介绍了利用热带红土制备低能耗建筑材料的方法，强调了其良好的隔热性能。复合前体通过与唯一的碱性活化剂（五水合钠或无水钠）充分研磨形成活性粉末，随后与过氧化氢混合制备出一体化轻质地质聚合物复合材料。同时，还测试了活化剂对孔隙结构、微观结构发展和导热性的影响。利用X射线计算机断层扫描（X-ray CT）技术研究了三维孔隙形态和分布。进一步通过多种理论模型预测了材料的有效导热性与孔隙率和孔隙形状之间的关系。结果表明，当过氧化氢含量达到6%（重量百分比）时，可以形成轻质多孔结构，从而使材料的导热性从0.59 W/mK和0.67 W/mK降低到0.15 W/mK和0.17 W/mK（分别使用五水合钠和无水钠制备的样品）。无论碱性活化剂的性质如何，在高孔隙率下，孔隙形状比的增加会显著降低导热性。
热性能和孔隙结构特征表明，这些材料适合作为建筑围护材料。基于孔隙形状比和孔隙率的理论模型预测的结果与实际测量值较为吻合。本研究为提高热带地区的家庭舒适度提供了可持续的外墙材料设计方案。

**引言**
热带地区全年交替经历旱季和雨季。旱季气温高且湿度大，这增加了建筑基础设施的热负荷（Nemaleu等人，2025年；Santha Kumar等人，2022年）。例如，在喀麦隆，旱季（11月至4月）的气温在35°C至48°C之间（世界银行，2025年）。这导致热指数上升，对人体健康和家庭舒适度产生不利影响。为应对这种情况，居民依赖电器设备来维持室内舒适度。不幸的是，这加剧了全球变暖问题。因此，实现净零能耗建筑（Net-Zero Energy Building，NZEB）标准面临重大挑战（Wells等人，2018年；Kamseu等人，2023年；Kurek等人，2022年；Mankel等人，2019年）。解决办法在于采用可持续建筑围护结构带来的被动舒适策略（Hussain和Kamal，2015年；Hernández等人，2024年；Gupta和Deb，2023年）。作为室内外环境的自然屏障，建筑围护材料负责建筑内约60%的热交换（Gupta和Deb，2023年；Bayat Pour和Abdul Hamid，2024年；Kumar等人，2022年）。因此，减少热带建筑物的碳 footprint和能源消耗在很大程度上取决于其能源效率。在各种策略中，使用低碳材料在可持续性、舒适性和成本效益方面具有优势，这些都是实现NZEB和可持续建筑目标的关键因素（Bal和Rani，2025年；Evans，2025年）。许多研究探讨了低碳和可持续建筑材料在提高能源效率方面的作用（Posani等人，2025年；Venkatarama Reddy，2009年）。这些努力旨在通过最小化能耗和环境影响来改善材料的热性能。节能建筑材料包括基于生物的材料、木质材料、回收材料、地质聚合物、保温混凝土模板（ICFs）和气态 autoclaved 混凝土（AAC）（Ghazi Wakili等人，2015年；Shi等人，2020年；Marczyk等人，2025年）。
特别是，地质聚合物的合成所需的能源较少，可减少高达80%的二氧化碳排放（Rathinavel等人，2025年）。这些绿色材料是通过天然或合成铝硅酸盐材料及工业副产品的化学活化（碱性或酸性）制成的（ABO等人，2025年；Mimboe等人，2020年；Kaze等人，2022年）。为了制备多孔或轻质结构，在活性浆料中引入了成孔剂或生物废物，从而触发化学反应产生气泡。常用的成孔剂包括化学物质（Ducman和Korat，2016年；Nemaleu等人，2023年）或金属基材料（Tchio等人，2024年；Kamseu等人，2015年）。
地质聚合物泡沫复合材料是一种环保材料，在保温材料、墙板、轻质混凝土结构以及防火涂层和屏障等领域受到欢迎（Lori等人，2025年；Dhasindrakrishna等人，2021年；Shao等人，2024年）。这些无机材料具有较低的密度、良好的导热性和高度多孔的网络结构（Dhasindrakrishna等人，2021年；?ach，2021年）。地质聚合物泡沫的结构包含纳米级、微米级和宏观孔隙及空隙（开放和封闭的）（Kamseu等人，2023年）。这些固有特性使它们能够吸热、储热和释放热量，并管理湿度，这对维持室内热舒适度至关重要。Kamseu等人设计了一种类似海绵的地质聚合物用于保温（Kamseu等人，2022年）。他们指出，微观结构，尤其是孔隙网络，在预测和优化材料热性能方面起着关键作用。Ngouloure等人进一步研究了地质聚合物的多孔结构在调节被动湿度方面的有效性，并得出结论：适当控制孔隙大小和分布（尤其是纳米孔和介孔）可使其适用于无需主动能耗的湿热应用（Ngouloure等人，2022年）。
尽管轻质地质聚合物复合材料具有可持续性优势，但仍存在一些缺点，主要源于合成过程。这些问题可能由腐蚀性化学物质、混合设计变异性、固化条件或原材料供应等因素引起。因此，需要密切关注以减轻这些复杂过程的负面影响。
本研究提出了一种高效处理轻质地质聚合物的替代方法。红土在热带地区容易获得，这些富含铁的粘土矿物已被证明是传统地质聚合物生产的主要前体。此外，在我们之前的研究中发现，虽然红土的可研磨性取决于Fe键合结构的硬度，但通过适当调整研磨参数可将机械能转化为土壤颗粒的能量，从而提高表面反应性和最终颗粒细度（Nemaleu等人，2025年）。在本研究中，采用的方法包括对混合的铁铝硅酸盐和碱性活化剂进行 intensive 研磨以制备活性粉末。过程中Fe2O3–Al2O3–SiO2 网络结构的破坏以及碱性活化剂中释放的碱阳离子（Na2+）可能融入前体颗粒表面，形成寡聚物。进一步加水以触发矩阵内的地质聚合物反应。本研究使用了两种碱性活化剂作为一体化轻质地质聚合物复合材料的化学试剂。传统多孔或轻质地质聚合物矩阵的生产仍存在显著限制（Dhasindrakrishna等人，2021年；?ach，2021年）。这些限制与处理和混合高腐蚀性、高粘度的碱性溶液及其他化学物质有关，从而阻碍了大规模生产和商业化。在喀麦隆这样拥有丰富粘土和红土沉积物的热带环境中，预期结果具有重要意义。此外，该研究有助于开发符合建筑材料制造脱碳要求的可持续材料工程策略，并利用当地热带资源。
本文对比了两种泡沫复合材料的性能，以突出单一活化剂对孔隙结构网络、密度和导热性的影响。此外，为了提高所制备材料的可靠性和实际应用效果（特别是在建筑保温领域），基于基础和理论模型预测了其热性能。这有助于理解轻质地质聚合物的微观结构特征（孔隙率、孔隙网络、孔隙形状）与其整体热性能之间的关系。

**材料特性**
本研究使用的红土作为主要固体前体，其成分已进行过测定（Nemaleu等人，2025年）。该材料主要由Al2O3、SiO2和Fe2O3组成，Al2O3+SiO2+Fe2O3的比例为94.42%（重量百分比）。烘干后的红土经过筛分，粒径小于300微米，d10、d50和d90的粒径分别为2.73微米、33.76微米和275.6微米。
米壳灰（RHA）由M.I.T. Corporation提供，作为非晶态二氧化硅来源（含有91.95%（重量百分比）的SiO2）。

**图1** 展示了代表性轻质矩阵的矿物特征。可以看出，碱性活化剂的类型并未显著改变最终矩阵的矿物组成。尽管五水合钠活化剂含有较多水分，但由于其固有的二氧化硅含量和高碱度（Na2O），两者在地质聚合物化过程中表现出相似的行为（Yun-ming等人，2017年；Dong等人，2020年）。

**结论**
本研究探讨了使用单一碱性活化剂（五水合钠和无水钠）制备适用于建筑围护材料的轻质地质聚合物复合材料的方法。该过程包括对复合前体和单一活化剂进行 intensive 研磨，得到活性粉末，再与过氧化氢混合制备一体化轻质地质聚合物复合材料。

**作者贡献声明**
朱文纳尔·乔盖蒂·德图·纳梅莱乌（Juvenal Giogetti Deutou Nemaleu）：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论设计、数据管理、概念化；
韦伯斯特·桑博（Webster Sambo）：撰写 – 审稿与编辑、软件应用、方法论设计、数据管理；
埃利·坎塞乌（Elie Kamseu）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法论设计、形式分析；
野口尊文（Takafumi Noguchi）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了日本学术振兴会（International Research Fellow of the Japan Society for the Promotion of Science）的支持（日本博士后研究奖学金）。