废玻璃基干法激发剂用于可持续“一键式”地聚合复合材料的开发、优化与性能研究

为应对建筑行业高碳排放（普通硅酸盐水泥贡献全球约8% CO2）及传统地聚合物（GP）依赖腐蚀性液体激发剂的难题，本研究通过热化学法利用废玻璃粉（WGP）合成了一种全废料来源的干法碱性激发剂（DA），并采用田口实验设计进行了多参数优化。研究证实了废玻璃基干法激发剂的可行性，所制备的“一键式”GP复合材料在28天抗压强度可达24.5 MPa，且相比传统GP可降低68%的CO2排放和57%的成本，为安全、经济和可持续的建筑材料生产提供了一种创新方案。

当我们谈及全球变暖，建筑行业是其中一个不容忽视的“碳排放大户”。其中，普通硅酸盐水泥的生产“贡献”了全球约8%的CO₂排放。为了寻找更绿色的替代品，碱激发材料和地聚合物技术应运而生。它们可以利用粉煤灰、矿渣等工业副产品，展现出优异的机械性能和耐久性，甚至已应用于机场路面、海洋结构等实际工程。然而，这项颇具潜力的技术却因一个“老大难”问题而推广受阻：它严重依赖氢氧化钠、水玻璃等腐蚀性强、粘度高、需要特殊存储和运输的液体碱性激发剂。这些“麻烦”的液体不仅带来安全隐患，其生产本身（特别是水玻璃）就是高能耗、高碳排放的过程。据统计，碱性激发剂本身约占碱激发材料总环境影响的60%。于是，一种更简洁、安全的构想——“一键式”或“即加水”地聚合物系统被提出，其中固体激发剂预先与铝硅酸盐前体混合，大大简化了现场操作。

然而，现有的“一键式”系统大多依赖商业生产的固体硅酸钠激发剂，其成本高、能耗大。近年来的研究开始探索从富硅废物中热化学合成干法激发剂的可能性。其中，废玻璃粉因其丰富的二氧化硅含量和巨大的堆存量而显示出巨大的潜力。以往的研究多将废玻璃粉作为辅助胶凝材料、部分前体替代物或填料，但将其作为热化学合成干法激发剂的核心原料，以系统化、多参数优化的方式完全替代商业水玻璃的研究仍显不足。由Seemab Tayyab, Wahid Ferdous, Weena Lokuge, Tuan Ngo, Andreas Gerdes, Allan Manalo组成的联合研究团队，在《Case Studies in Construction Materials》上发表的最新研究，正是为了填补这一空白。他们开发并优化了一种完全源自废玻璃的干法碱性激发剂，并将其成功应用于“一键式”地聚合物复合材料，系统评估了其性能与可持续性。

为开展这项研究，作者们采用了多阶段、多技术整合的研究策略。首先，他们以废玻璃粉为硅源，氢氧化钠为钠源，通过热化学法合成了干法碱性激发剂。研究采用了田口实验设计结合方差分析（Taguchi-ANOVA）这一统计工具，高效地研究了SiO₂/Na₂O摩尔比、活化温度、持续时间和加水量四个关键参数对激发剂合成效率的影响。接着，他们利用傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜-能谱分析对合成的激发剂进行了结构表征和效率半定量评估。然后，将优化后的干法激发剂用于制备不同配比的“一键式”地聚合物复合材料，并系统测试了其流变性能、机械性能（主要是抗压强度）和微观结构。最后，研究还进行了从摇篮到大门的可持续性与经济性评估，与传统地聚合物及普通硅酸盐水泥基材料进行对比。

3.1. 干法激发剂的开发与表征

研究人员通过FTIR光谱确认了钠硅酸盐的形成。与未处理的废玻璃粉的宽峰不同，经过热化学活化的样品在950–1050 cm^-1区域出现了明显的特征峰，这归属于Si–O–Si/Si–O–Al的不对称伸缩振动，是钠硅酸盐凝胶形成的标志。特别是实验E3、E4和E6样品显示出尖锐的双峰，表明形成了高度聚合的钠硅酸盐相。这些光谱特征与后续的效率计算相呼应，直观证明了热化学处理成功地将废玻璃中的二氧化硅转化为具有反应活性的钠硅酸盐。

3.2. 干法激发剂的效率

研究通过SEM-EDS获得的元素组成，计算了Na/Si摩尔比，并据此半定量估算了钠硅酸盐的产率。结果显示，钠硅酸盐产率在53%到82%之间变化，表明工艺参数对合成效率有显著影响。最高产率（82%）出现在E6实验条件下。通过计算信噪比并进行方差分析，研究确定了各参数对激发剂效率的影响权重：SiO₂/Na₂O摩尔比是决定性因素，贡献了总变异的约71.8%；其次是反应时间（16.3%）、加水量（9%）和温度（3%）。综合性能与能耗，研究最终确定最优合成条件为：摩尔比1.5、温度150°C、时间2小时、加水量10%。在此条件下合成的激发剂效率达到80%，且因其较低的活化温度而被认为更具能源和可持续性优势。

3.3. 设计参数对激发剂效率的影响

信噪比分析图直观展示了各参数不同水平对激发剂效率（以钠硅酸盐产率为表征）的影响。对于摩尔比，中间值（1.5）能获得最佳效率，过低或过高都会降低产率。温度的影响相对平缓，表明在150°C下已能实现有效反应，过高的温度带来的性能提升有限但能耗大增。时间和水量也显示出存在最优值，分别对应2小时和10%的添加量。这些分析为工艺优化提供了清晰的指导。

3.4. “一键式”地聚合物复合材料的评估

3.4.1. 流变行为

对使用优化干法激发剂制备的地聚合物浆体进行的流变测试表明，其表现出明显的屈服假塑性行为，符合宾汉姆流体模型并伴有轻微的剪切稀化。测得的屈服应力较高，表明浆体具有强内聚性和良好的形状保持能力。振荡频率扫描显示，在整个频率范围内，储能模量（G‘）均大于损耗模量（G“），表明材料具有以弹性为主导的固体样凝胶结构。这种流变特性有利于减少泌水和离析，并适用于需要良好可挤出性和形状保持性的应用（如3D打印）。

3.4.2. 物理和机械性能

3.4.2.1. 硬化密度

随着干法激发剂用量的增加，复合材料的密度从2135 kg/m³（GPC-DA0.3）轻微下降至2075 kg/m³（GPC-DA0.5），这归因于干法激发剂的比重低于液体激发剂以及引入的微孔。所有密度值均处于结构混凝土可接受的范围内。

3.4.2.2. 抗压强度

在60°C热养护24小时并于28天测试的条件下，抗压强度随着干法激发剂用量的增加而提高，在DA/粘合剂比为0.4时达到峰值22.93 ± 1.8 MPa，甚至超过了使用传统液体激发剂的对照组（19 ± 2 MPa）。然而，当比例进一步提高到0.5时，强度出现下降，表明过量的碱会导致快速凝胶沉淀、局部收缩和微裂纹，从而损害微观结构。在常温养护条件下也观察到类似的趋势，但强度整体较低。这表明优化后的干法激发剂系统不仅能匹配甚至能超越传统系统的力学性能。

3.4.3. 所产地聚合物复合材料的微观结构分析

3.4.3.1. 扫描电子显微镜

SEM图像清晰地揭示了微观结构与力学性能之间的关联。使用传统液体激发剂的样品（GPC-C）基质疏松多孔，含有大量未反应的粉煤灰颗粒。而使用优化干法激发剂且配比为0.4的样品（GPC-DA0.4）则显示出致密、均匀的基质，具有连续的凝胶网络和极少的孔隙，这与其最高的抗压强度相对应。当激发剂用量过低（0.3）时，基体仍多孔且反应不充分；用量过高（0.5）时，则因过度激发和收缩而产生微裂纹，导致强度下降。

4. 可持续性与循环经济分析

研究对传统地聚合物、不同配比的干法激发剂地聚合物以及基准的普通硅酸盐水泥混凝土进行了从摇篮到大门的成本与CO₂排放分析。结果表明，与使用商业液体激发剂的传统地聚合物相比，采用废玻璃基干法激发剂的“一键式”系统展现出巨大的环境与经济优势。以性能最优的GPC-DA0.4为例，其每立方米CO₂排放量相比传统地聚合物降低了高达68%，成本降低了57%。即使与普通硅酸盐水泥混凝土相比，在实现可比机械性能的同时，也显著降低了碳排放。这主要归功于两点：一是用工业废料（粉煤灰和废玻璃）完全取代了高碳足迹的普通硅酸盐水泥；二是用废玻璃衍生的低能耗干法激发剂替代了高环境影响的商业液体硅酸钠。

本研究成功论证了一种利用废玻璃粉通过热化学法合成全废料来源干法碱性激发剂的可行性。通过田口实验设计优化，确定了以摩尔比1.5、温度150°C、时间2小时、加水量10%为最佳工艺参数，可获得高达80%的钠硅酸盐转化效率。以此优化激发剂制备的“一键式”地聚合物复合材料表现出优异的流变性能（弹性主导的剪切稀化行为）和力学性能（28天抗压强度最高达24.5 MPa），其微观结构致密均匀，性能甚至超越了传统液体激发剂系统。尤为重要的是，可持续性分析揭示，该技术路线可实现高达68%的CO₂减排和57%的成本降低。这项研究不仅为建筑行业提供了一种更安全、更易操作的“一键式”地聚合物生产技术，而且通过将两种大宗工业废料（粉煤灰和废玻璃）转化为高附加值建筑材料，完美契合了循环经济原则，为构建低碳、可持续的未来基础设施开辟了一条极具前景的创新路径。