通过地聚合物化技术回收地质来源材料：迈向可持续且高性能的土砖，用于韧性建筑

《Next Materials》：Recycling of geosourced materials through geopolymerization: Towards sustainable and high-performance earth bricks for resilient construction

Earthen construction materials stabilized with geosourced materials (pozzolan, kaolin, sandstone, limestone) through alkaline activation show significant improvements in mechanical strength (up to 26 MPa) and water resistance (<6% absorption), while reducing CO? emissions by 70% compared to Portland cement. This study highlights the potential of local Moroccan resources for sustainable,抗震 earthen construction in semi-arid climates.

　　本研究探讨了在摩洛哥传统的土坯建筑中，如何通过使用当地地质来源的材料并结合碱性激活技术，来提升土坯砖的机械性能和耐久性。建筑行业作为全球能源消耗和二氧化碳排放的主要来源之一，其碳足迹问题日益严重，因此寻找低能耗、低排放的替代材料成为当务之急。摩洛哥的传统土坯建筑以其良好的热性能而受到重视，但其结构在地震和气候条件下的脆弱性也引发了广泛关注。特别是在2023年9月的阿尔豪兹地震中，大量土坯建筑受损，这凸显了在摩洛哥这样的地质活跃地区，提高土坯砖的机械强度和抗震性能的迫切需求。

研究采用了四种当地常见的材料，包括火山灰（pozzolan）、高岭土（kaolin）、砂岩（sandstone）和石灰岩（limestone），并将其与碱性激活剂（由14M氢氧化钠和1%的硅酸钠溶液组成）结合，制备出压缩土坯砖。实验结果显示，这些材料在提升砖体的机械性能和耐久性方面表现显著。其中，以火山灰为基础的砖体在10%的添加量下，其抗压强度达到了26MPa，抗拉强度达到了2.6MPa，相较于未经处理的样品，分别提升了超过1200%。而高岭土为基础的砖体则达到了19MPa的抗压强度，虽然略逊于火山灰，但仍显示出明显的性能提升。相比之下，砂岩和石灰岩主要作为填充物，尽管它们的化学反应性较低，但通过提高砖体的密实度，间接提升了整体的结构稳定性。

水吸收率的变化是衡量材料耐久性的重要指标。实验中，未经处理的样品水吸收率高达13%，而在优化后的配方中，水吸收率降低至低于6%，对应的渗透性减少了55%。这一显著的改善表明，通过合理的材料配比和激活剂使用，可以有效减少土坯砖在潮湿环境下的吸水性，从而增强其在干旱和半干旱地区的适应性。同时，研究指出，火山灰和高岭土在碱性激活条件下表现出高度的反应性，而砂岩和石灰岩则在提高砖体密实度方面发挥辅助作用，为材料的综合性能提供了支撑。

此外，研究还强调了地质来源材料的使用对环境的积极影响。与传统波特兰水泥相比，使用地质来源材料进行碱性激活可以减少多达70%的碳排放，这一发现对于推动摩洛哥乃至其他类似地区实现低碳建筑目标具有重要意义。研究团队在实验过程中特别关注了材料的物理和化学特性，如粒度分布、比表面积和含水量，这些因素对碱性激活过程的成功至关重要。通过对材料进行筛分和研磨处理，确保了混合物的均匀性和反应性，为后续的性能测试打下了坚实的基础。

研究中还详细描述了材料的制备流程，包括碱性溶液的配制、混合比例的设定以及成型和养护条件的控制。通过将不同比例的添加剂与土壤混合，并加入一定量的碱性溶液，制备出了一系列标准化的测试样品。这些样品在28天的控制养护后，被用于进行抗压和抗拉强度测试，以评估其机械性能。同时，水吸收测试则通过将样品浸入蒸馏水中，模拟长期暴露于湿气中的情况，以检测其耐水性能。

从材料的矿物学分析来看，土壤和地质来源材料的X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析揭示了其复杂的矿物组成。例如，土壤中主要含有方解石、石英、白云母和布鲁林石等矿物，这些矿物在碱性激活过程中能够形成新的硅铝酸盐相，并通过提高材料的密实度来增强其结构性能。同时，SEM-EDX分析进一步揭示了这些材料的微观结构和元素组成，为理解其反应机制提供了重要依据。

在讨论部分，研究指出，尽管砂岩和石灰岩在提升抗压强度方面不如火山灰和高岭土，但它们在提高砖体密实度和减少收缩裂缝方面发挥着重要作用。这表明，在设计复合材料时，除了考虑主反应材料的性能外，还需要合理选择辅助材料，以达到整体性能的平衡。此外，研究还强调了碱性激活剂在促进材料反应中的关键作用，通过调整其浓度和添加比例，可以显著影响最终材料的性能。

为了更好地理解这些材料的性能差异，研究团队还对不同添加剂含量下的样品进行了系统的性能测试。结果表明，随着添加剂含量的增加，样品的抗压强度和抗拉强度呈现出明显的增长趋势。特别是火山灰和高岭土在较高含量下表现出了卓越的性能，这与它们较高的硅铝比和反应性密切相关。然而，值得注意的是，这种性能提升并非线性增长，而是呈现出阶段性的变化。例如，在添加剂含量较低时，反应速率较慢，而在较高含量时，反应速率加快，导致材料性能的显著提升。

在实际应用层面，研究提出了一系列建议。对于需要高抗压强度和低水吸收率的结构应用，推荐使用火山灰基的碱激发材料，其添加量控制在8-10%之间。而对于常规的承重砌体，高岭土基的材料则更为合适，其添加量可在6-10%范围内进行调整。相比之下，砂岩和石灰岩更适合用于非承重或填充用途，其添加量可以适当减少，以在保证性能的同时，降低成本并提高经济可行性。

从环境角度来看，这种利用当地资源进行碱激发材料制备的方法不仅减少了对波特兰水泥的依赖，还显著降低了建筑材料的碳足迹。传统波特兰水泥的生产过程涉及石灰石的脱碳化和高温窑操作，这些步骤是造成高碳排放的主要原因。而碱激发技术则避免了这些高能耗步骤，从而实现更环保的建筑实践。

此外，研究还探讨了材料的经济可行性。虽然碱性激活剂的成本相对较高，但其在配方中的使用量较低，而主要的混合物成分则是当地丰富的、低成本的自然资源。因此，从整体成本角度来看，这种新型材料具有较高的竞争力。特别是在摩洛哥这样的国家，由于波特兰水泥的进口成本较高，利用本地材料进行建筑实践具有显著的经济优势。

本研究的结论表明，通过合理选择和使用地质来源材料，并结合碱性激活技术，可以显著提升传统土坯砖的性能，使其更适用于现代建筑需求。同时，这种材料制备方法不仅符合可持续发展的理念，还能有效应对地震和气候变化带来的挑战。研究还指出，未来的工作应进一步探索材料的耐久性，包括湿热循环、冻融循环和长期现场暴露测试，以全面评估其在实际应用中的表现。此外，研究建议对高岭土进行煅烧处理以提高其反应性，并尝试使用混合激活剂（如氢氧化钠和氢氧化钾）来优化材料的性能。

综上所述，本研究为传统土坯建筑的现代化和可持续发展提供了重要的科学依据和技术支持。通过利用当地丰富的地质资源，并采用低环境影响的碱激发技术，研究不仅实现了材料性能的显著提升，还为减少建筑行业的碳足迹和推动绿色建筑实践提供了可行的解决方案。这些成果对于摩洛哥的建筑行业具有重要的现实意义，同时也为全球范围内的可持续建筑实践提供了借鉴和参考。