利用工业副产品制成的低碳碱活化地质聚合物：参数优化及其在绿色建筑材料中的生命周期优势

《Environmental Research》：Low-carbon alkali-activated geopolymer of industrial byproducts: parameter optimization and life-cycle advantages for the green construction material

煤矸石、高炉渣和硅灰三元碱激发复合材料研究。通过优化Na2SiO3模数（1.2）和Na2O/B含量（8%），获得28天抗压强度51.09MPa、抗折强度7.26MPa的最佳性能。生命周期评估显示该材料成本降低19.9%，能耗减少43%，碳排放减少61.8%，较传统水泥基材料更具环境效益和经济效益。采用XRD、SEM和EDS分析揭示其反应机制与微观结构，证实三元复合体系协同效应显著，为固废资源化利用提供新路径。

　　本研究探讨了一种利用煤矸石（CG）、高炉矿渣（BFS）和硅灰（SF）作为原料，结合碱性活化剂Na?SiO?和NaOH，并使用河砂作为细骨料，制备低碳碱激发材料（CBS）的新方法。这种材料旨在替代传统水泥基复合材料（CCMs），从而减少水泥生产带来的环境负担。研究重点在于通过优化碱性活化剂的配比，实现材料性能的提升，同时降低其生产过程中的能耗和碳排放。通过系统实验和分析，研究人员评估了不同碱性活化剂配比对CBS性能的影响，并结合生命周期评估（LCA）方法，从环境影响的角度全面分析了该材料的可行性。

煤矸石是煤炭加工过程中产生的固体废弃物，其全球储量巨大，尤其是在中国这样的煤炭生产大国。每年中国煤炭产量达到5亿吨，其中煤矸石的产量约占10%-25%。然而，由于煤矸石的化学成分主要为二氧化硅和三氧化二铝，与黏土矿物类似，其在自然环境中长期暴露会导致严重的生态污染，如土壤退化和地下水污染。因此，如何高效利用煤矸石成为当前环保和可持续发展领域的重要课题。

传统水泥的生产过程不仅消耗大量能源，还会释放大量的二氧化碳，对全球变暖产生重大影响。近年来，碱激发材料因其低碳、环保和高性能的特点受到广泛关注。碱激发材料通常由富含硅铝的前驱体材料与碱性活化剂反应生成，形成三维网络结构的地质聚合物凝胶。这种材料不仅在性能上优于传统水泥，还能有效减少生产过程中的碳排放和能耗。然而，目前大多数研究集中在单一或二元系统，对于以煤矸石为主料的三元混合系统的研究仍然较少，特别是在碱性匹配、反应协同性和微观结构均匀性方面存在明显不足。

在本研究中，研究人员提出了一种新的三元碱激发材料体系，通过将煤矸石、高炉矿渣和硅灰按优化比例混合，并采用复合碱性活化剂（Na?SiO?和NaOH）进行活化，最终得到具有优异性能的CBS材料。实验结果表明，当碱性活化剂的模数为1.2，Na?O/B含量为8%时，CBS材料的28天抗压强度和抗折强度分别达到51.09 MPa和7.26 MPa，表现出最佳的机械性能。此外，研究人员还发现，过高的或过低的模数或Na?O/B含量都会影响材料的固化能力，降低其性能表现。

在环境影响方面，通过生命周期评估（LCA）方法，研究人员对CBS材料的碳排放、能耗和成本进行了定量分析。结果显示，与传统水泥基复合材料相比，CBS材料的生产成本降低了19.9%，能耗降低了43%，碳排放降低了61.8%。这表明CBS材料不仅在性能上具有优势，而且在环保和经济性方面也表现突出。这种材料的开发为减少水泥使用、降低碳排放提供了可行的解决方案，同时也为煤矸石等工业固体废弃物的资源化利用提供了新的思路。

在微观结构和反应机制方面，研究人员利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）等先进技术，对CBS材料的反应过程和微观结构进行了详细分析。这些分析揭示了不同碱性活化剂配比对材料结构和性能的影响，进一步验证了优化配比的重要性。同时，研究还发现，硅灰的加入能够显著改善材料的可操作性和工作性能，使其更适用于实际工程应用。

此外，研究还采用了TOPSIS（技术对于理想解的接近度）方法，结合LCA结果，对CBS材料的综合性能进行了评估。这种方法能够客观地比较不同材料的性能指标，并帮助研究人员找到最优的材料配方。通过这种综合评估，CBS材料在多个关键性能指标上均优于传统水泥基材料，显示出其在绿色建筑材料领域的巨大潜力。

本研究的创新之处在于，它不仅提出了一个以煤矸石为主料的三元碱激发材料体系，还通过系统的实验和分析，明确了不同碱性活化剂配比对材料性能的影响。这种材料体系的建立为复杂固体废弃物系统的配方设计提供了理论依据，同时也为实现建筑行业的可持续发展提供了实践参考。未来的研究可以进一步探索CBS材料在不同工程场景下的应用潜力，以及其在长期使用中的性能稳定性。

综上所述，本研究通过优化煤矸石、高炉矿渣和硅灰的配比，结合复合碱性活化剂，成功开发出一种低能耗、低排放、高性能的碱激发材料（CBS）。这种材料不仅能够有效减少水泥的使用，降低碳排放，还能够促进工业固体废弃物的资源化利用，为建筑行业的绿色转型提供了新的方向。研究结果表明，CBS材料在环境友好性和经济性方面均优于传统水泥基材料，具有广阔的应用前景。