从微观结构到力学模型：通过协同利用碱渣和工业废弃物开发可持续性的土聚合物

《Process Safety and Environmental Protection》：From Microstructure to Mechanical Model: Developing a Sustainable Geopolymer via Synergistic Utilization of Soda Residue and Industrial Wastes

　　

杨叶凯｜卢鹏源｜杨婷｜张洋洋｜吴成清

中国河北省燕山大学城市固体废物无害协同处理与回收工程技术研究中心，秦皇岛，066000

摘要

为了减少碳排放并提高固体废物回收率，本研究开发了一种利用工业废弃物（苏打残渣，SR；磨细粒化高炉矿渣，GGBS）并通过SR-NaOH-Na?SiO?协同体系激活的可持续高强度地质聚合物。系统研究了碱激活剂含量、成分、固化条件以及固化时间对材料力学性能的影响。最终发现，当激活剂与GGBS的比例为25%，且Na?SiO?:SR:NaOH=1:1:1时，在室温固化28天后，该地质聚合物的抗压强度达到68.67 MPa，比P.O 52.5水泥砂浆高出25.20%。较高的固化温度虽然加速了早期强度的发展，但导致了28天时的收缩开裂。通过XRD、SEM和EDS分析研究了水化产物和微观结构，发现形成了无定形凝胶和结晶产物。本文提出了一个模型方程，将抗压强度与激活剂含量、SR比例及固化时间相关联，为进一步研究SR激活的可持续地质聚合物及其在固体废物利用中的应用提供了基础。

引言

水泥作为建筑领域的基本材料，被广泛应用于各种工程项目中。高性能水泥（如P.O 52.5）因其优异的性能而备受青睐，特别适用于桥梁建设、维修加固以及隧道工程（Yang等人，2021年；Yang等人，2022年；Xu等人，2023年；Wang等人，2022年）。根据GB/T 17671-2021标准，使用P.O 52.5水泥制成的标准砂浆试样在28天时的抗压强度可达52.5 MPa（中国标准，2021年）。P.O 52.5水泥的显著强度是其广泛应用于各种建筑的主要原因。然而，水泥生产过程中会产生大量二氧化碳，对环境造成严重影响（Lin等人，2023年；Alventosa等人，2022年）。地质聚合物作为一种可持续的替代材料，由于其优异的力学性能、较低的碳足迹以及潜在的结构应用前景而受到广泛关注（Fan等人，2021年）。

地质聚合物是通过使用NaOH、Na?SiO?或Na?CO?等碱性激活剂活化铝硅酸盐前体（如FA、GGBS等）制成的低碳建筑材料（Tashan，2022年；Borges等人，2016年）。尽管传统的碱性激活剂能有效保证材料强度的发展，但其高昂的成本限制了其广泛应用（Tian等人，2020年；Zheng等人，2023年）。研究人员探讨了利用碱性固体废物替代传统碱性激活剂制备地质聚合物的潜力，以解决这一问题。在各种固体废物中，苏打残渣因其丰富的碱成分和低成本而成为研究的重点。苏打残渣是采用氨-苏打工艺生产工业碳酸钠（Na?CO?）过程中产生的碱性副产品，pH值在10至12之间，含有大量的CaCl?、NaCl和CaCO?（Yang等人，2024a）。先前的研究表明，仅用苏打残渣激活GGBS时，材料的早期强度增长缓慢，28天的强度显著低于7天和14天的强度（Lin等人，2020年）。研究人员尝试使用碳化钙渣、红泥或NaOH作为辅助碱性激活剂与苏打残渣结合制备地质聚合物（Guo等人，2021a；Bai等人，2023年；Qi等人，2024年）。虽然加入其他碱性物质可以略微提高早期强度，但其28天的抗压强度仍低于P.O 52.5级水泥的基准。达到这一强度水平不仅对于评估基于苏打残渣的粘结剂是否可以作为传统水泥在结构和高性能建筑材料中的可行替代品至关重要，也为其实际工程应用提供了可能。因此，开发以苏打残渣为主要碱性激活剂的高强度地质聚合物成为一个亟待解决的挑战。

除优化碱性激活剂体系外，固化条件在地质聚合物的反应过程和强度发展中也起着重要作用。温度和湿度的变化会影响溶解-聚合过程，从而影响基质中无定形凝胶和结晶相的形成与分布（Zhang等人，2019年）。适当的固化可以加速解聚过程并促进更密集的微观结构形成，而过度或不适宜的热处理可能导致凝胶收缩、微裂纹或碱元素渗出，最终影响长期强度（Guo等人，2021b；Nasir等人，2020年；Islam等人，2014年；Oh等人，2010年）。对于以苏打残渣为主的强碱协同激活体系，其反应路径与传统碱激活粘结剂不同，相关固化机制尚未得到充分理解。这凸显了系统研究固化制度对微观结构演变和强度发展影响的必要性。

上述综述指出了三个未解决的问题：（1）尚未有基于苏打残渣的激活剂体系表现出超过P.O 52.5级水泥的抗压强度；（2）强碱协同体系中控制微观结构演变的固化机制尚不清晰；（3）缺乏针对SR激活地质聚合物的定量配方设计工具。为解决这些问题，本研究开发了一种基于GGBS的地质聚合物，并采用SR-NaOH-Na?SiO?三元体系进行激活。通过系统改变激活剂的组成和用量，找到了能够超越P.O 52.5水泥强度基准的最佳配方比例。研究了RTC、SC和HWBC三种固化制度对材料力学性能和微观结构演变的影响，以阐明其固化机制。采用XRD、SEM和EDS分析了相形成与宏观强度性能之间的关系。最后，建立了一个统计抗压强度预测模型，为基于苏打残渣的地质聚合物提供了定量配方设计工具。

段落摘录

材料

本实验中使用的S95 GGBS是一种主要由CaO、SiO?和Al?O?组成的碱性激活地质聚合物的前体。如图1(a)所示，GGBS呈浅白色粉末状。图1(b)中的SEM图像显示，这些GGBS粉末在微观层面呈现出形状不规则且大小不一的颗粒。苏打残渣（SR）被用作激活剂，其主要化学成分包括CaO、Cl?和SiO?。原始的SR为泥状，在干燥后...

微观分析

本研究通过对碱性激活试样进行XRD和SEM-EDS分析，探讨了在不同变量影响下矿物相、水化凝胶及基质微观结构的变化，这些发现对于理解微观层面的力学性能变化机制具有重要意义。

结论

本研究采用GGBS作为前体，并结合SR-NaOH-Na?SiO?三元激活体系制备了高抗压强度的地质聚合物，系统研究了激活剂组成、用量、固化制度及固化时间对材料力学性能和微观结构的影响，得出以下结论：

• 1.
  XRD和SEM-EDS分析表明，主要的水化产物为C(N)-A-S-H凝胶和Friedel盐，这两者都与材料强度的发展一致。

CRediT作者贡献声明

杨叶凯：起草初稿、开展实验、获取资金、进行正式分析、整理数据。卢鹏源：提供资源、进行正式分析、整理数据。杨婷：负责撰写和编辑、监督工作、调配资源、开展实验。吴成清：负责撰写和编辑、监督工作、管理项目、进行正式分析、整理数据。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52408560）、中国区域创新发展联合基金（项目编号：U24A20167）、河北省自然科学基金（项目编号：E2024203068）以及河北省教育厅科研项目（项目编号：BJ2026114）的支持。