综述：可持续地质聚合物混凝土的综合生命周期与性能评估

《Next Research》：Sustainable Geopolymer Concrete: A Comprehensive Lifecycle and Performance Assessment

本综述系统评估了地质聚合物混凝土（GPC）作为波特兰水泥混凝土（PCC）可持续替代品的潜力。研究表明，GPC可减少44–64%的CO2排放和50–80%的能耗，其利用工业副产品（如粉煤灰FA、矿渣）的特性契合循环经济，并展现出优异的力学性能（抗压强度30–60 MPa）和耐久性。文章同时指出了原材料质量波动、缺乏标准化配合比设计等推广障碍，为可持续建筑材料研究提供了重要参考。

　　

Abbreviations

Portland cement concretePCCPortland cementPC

Greenhouse gasesGHGNatural zeoliteNZ

Billion tonsBtGround granulated blast furnace slagGGBFS

Million tonsMtSupplementary cementitious materialsSCMs

Geopolymer concreteGPCOrdinary Portland cementOPC

Environmental footprintEFLifecycle impact assessmentLCIA

Carbon footprintCFLifecycle assessmentLCA

Self-consolidating concreteSCCFly ashFA

Natural aggregate concreteNACRecycled concrete aggregatesRCA

Rice husk ashRHAGlass powderGP

Superplasticizer and retarderSP and

Materials and Methods

本研究始于明确的研究目标，即系统评估地质聚合物混凝土（GPC）的环境与性能表现。研究团队通过检索Google Scholar、Scopus和Web of Science等数据库，识别了与GPC应用、气候变化、PCC替代方案、工业规模化及政策制定相关的关键议题。研究方法的核心是建立了一个混合生命周期评估（LCA）模型，该模型综合了来自不同地理区域的研究数据，用以分析GPC的二氧化碳（CO₂）排放、能耗以及多种材料特性。

Lifecycle Assessment and Environmental Implications

生命周期评估（LCA）是衡量GPC环境绩效的关键工具。全球变暖潜能值（GWP）用于量化产品生命周期内的温室气体（如CO₂、CH₄、N₂O）排放，是核心指标，因为水泥生产是碳密集型过程——每生产一吨波特兰水泥（PC）会释放约0.8–0.9吨CO₂，约占全球CO₂排放量的8%。除了GWP，LCA还关注能耗、资源消耗、用水、酸化和富营养化潜力等指标。分析结果表明，与传统的波特兰水泥混凝土（PCC）相比，GPC能够显著减少44–64%的CO₂排放和50–80%的能耗。这主要归功于GPC大量利用粉煤灰（FA）、高炉矿渣（GGBFS）等工业副产品（利用率高达80–100%），极大地降低了其对原生资源的依赖和环境足迹（EF），有力地支持了循环经济实践。

Performance Characteristics

GPC不仅在可持续性方面表现突出，其力学性能和耐久性也同样令人印象深刻。研究表明，GPC的抗压强度范围在30至60兆帕（MPa）之间，能够满足多种工程应用需求。在耐久性方面，GPC的使用寿命预计比PCC延长50–70%，展现出卓越的长期性能稳定性。此外，GPC还具备优异的耐热性能，可承受高达1,200°C的高温，这使其在高温环境下具有独特的应用优势。研究还探讨了纳米二氧化硅、再生塑料骨料等新型添加剂对GPC性能的改善作用，这些添加剂被证实可以优化GPC的内部结构，提升其导电性和高温行为。

Limitations

尽管GPC优势明显，但其广泛推广仍面临若干挑战。首要障碍是缺乏标准化的配合比设计，导致不同应用场景下GPC的性能存在波动。其次，关键原材料（如粉煤灰FA、矿渣）的质量不一致性是一个严峻问题，直接影响GPC产品的可靠性和均一性。此外，GPC与常规钢筋的兼容性问题也需要进一步研究解决。这些因素共同制约着GPC从实验室研究走向大规模工程实践的步伐。

Future perspectives

未来的研究应拓展对更多混凝土替代材料的探索，特别是那些来源于回收废弃物的材料。随着对可持续材料关注的升温，各种生物基和创新性前驱体用于制备GPC已成为研究热点。这些材料不仅减少了对传统原材料的依赖，也促进了废物增值和循环经济原则的实践。持续的深入研究将推动GPC配合比的进一步优化、性能指标的标准化，并解决其与现有建筑规范和材料的兼容性问题，为GPC的规模化应用铺平道路。

Conclusion

本综述充分肯定了地质聚合物混凝土（GPC）作为波特兰水泥混凝土（PCC）的一种可持续且环境友好型替代材料的巨大潜力。GPC在显著降低CO₂排放和能耗方面的卓越表现，结合其优异的力学性能和增强的耐久性，使其成为推动建筑环境领域实现碳中和目标的有力工具。克服当前存在的标准化、原材料质量及兼容性等挑战，将是释放GPC全部潜能、加速其融入全球可持续建筑实践的关键。

Findings

本研究的独特之处在于其对GPC进行的全面生命周期评估（LCA），提供了与PCC在多种环境和机械性能指标上清晰、数据驱动的对比。研究还揭示了新型添加剂在改善GPC内部结构、电导率和高温行为方面的潜力，为提升GPC性能开辟了新途径。

CRediT Author Statement

Muhammad Tamoor: 概念化，方法论，形式分析，写作-初稿，写作-审阅编辑，可视化。

Chunwei Zhang: 形式分析，写作-审阅编辑，可视化，监督。

Declaration of competing interests

作者声明不存在任何可能影响本研究报告的已知竞争性财务利益或个人关系。

Acknowledgment

本文感谢国家自然科学基金中国（批准号52261135807）、中国科学技术部（批准号2019YFE0112400）和山东省科学技术厅（批准号2021CXGC011204）提供的资金支持。