通过地质聚合物化技术对再生粉煤灰和废旧轮胎碎橡胶进行升级回收：合成、表征及成本分析

《Waste Management》：Upcycling reclaimed fly ash and waste tire crumb rubber through geopolymerization: Synthesis, characterization, and cost analysis

本研究探讨利用回收飞灰（RFA）和废轮胎颗粒橡胶（WCR）制备地质聚合物的可行性。通过对比不同固化条件（ATC、AWC、HTC、HWC）下的性能，发现60% RFA与30% WCR的组合在流动度、机械性能及耐久性方面表现最优，同时验证了WCR在高温固化下的优势，为可持续建材提供新方案。

　　随着全球建筑业的持续发展，传统建筑材料如普通波特兰水泥（OPC）的使用仍然占据重要地位。然而，OPC的生产过程伴随着显著的碳排放和资源消耗，这不仅对环境造成压力，也对可持续发展构成挑战。飞灰（FA）作为一种常见的工业副产品，常被用作OPC的替代材料，但近年来其高质量供应量逐渐减少，而其在混凝土行业中的需求却在上升。与此同时，废弃轮胎的数量也在不断增加，这些非生物降解材料由于体积庞大、结构复杂以及可能释放有毒化学物质，使得它们的回收和再利用面临巨大困难。因此，寻找一种既能有效利用这些废弃物，又能满足建筑需求的新材料，成为当前研究的重要方向。

本研究聚焦于利用地质聚合物技术对废弃飞灰（RFA）和废轮胎碎橡胶（WCR）进行升级再利用。通过将RFA和粉煤灰（GGBFS）作为结合剂，配合河砂（RS）和WCR（分别以30%和50%的比例替代）作为细骨料，研究者在不同的固化条件下，包括常温固化（ATC）、常温水固化（AWC）、高温固化（HTC）和高温水固化（HWC）中，评估了这些地质聚合物的性能。研究结果显示，当RFA和WCR的掺入比例分别为60%和30%时，地质聚合物能够展现出良好的流动性与机械性能，适用于多种建筑应用场景。然而，当使用WCR替代RS时，机械性能显著下降，这表明WCR在某些情况下可能无法完全替代传统细骨料。相反，在AWC和HWC条件下，所有地质聚合物均表现出足够的强度和对环境因素的抵抗力。

除了性能评估，研究还关注了材料成本的问题。随着RFA含量的增加，地质聚合物的生产成本略有下降，而WCR的掺入则导致成本上升。这说明在实际应用中，需要在材料性能和经济性之间找到平衡点。研究进一步指出，RFA和WCR的结合使用，不仅有助于缓解建筑行业对传统水泥的依赖，还为可持续的废弃物管理提供了新的解决方案。通过将这两种材料整合进地质聚合物体系，研究者能够减少对自然资源的消耗，同时降低对环境的影响，从而推动绿色建筑的发展。

地质聚合物的性能受到多种因素的影响，包括结合剂的种类和比例、活化剂的浓度以及固化条件（如介质、持续时间和温度）。其中，固化条件对地质聚合物的性能具有决定性作用。例如，低钙前驱体（如飞灰、偏高岭土等）制备的地质聚合物通常需要高温固化以实现足够的强度，这限制了其在现浇混凝土中的应用。而高钙前驱体（如GGBFS、铝酸盐细粉等）则可以在常温下快速凝固并获得较高的抗压强度。在高温条件下（如40–90℃）固化一段时间（6–48小时）后，地质聚合物的机械性能会有显著提升。然而，一些研究表明，常温固化后的地质聚合物强度也会随时间逐渐增加，这种现象与传统混凝土相似。因此，固化方法和温度在地质聚合物化过程中起着至关重要的作用。

本研究采用了一种新的方法，即在不同固化条件下，将RFA作为GGBFS的部分替代（40%–60%），同时将WCR作为河砂的部分替代（30%–50%），以制备地质聚合物。通过这种组合，研究者不仅能够解决RFA和WCR的处理问题，还能开发出一种更具成本效益和环境友好的替代材料。研究结果表明，RFA和WCR的结合使用在一定程度上提高了材料的流动性，同时对机械性能和运输性能产生积极影响。此外，这种组合方式还能够改善地质聚合物的微观结构，使其更加均匀和致密，从而提升整体性能。

研究还指出，随着RFA和WCR的广泛应用，其对建筑行业的影响将逐步显现。在许多国家和地区，废弃飞灰和轮胎的处理问题长期存在，这些废弃物往往被直接填埋，不仅占用大量土地资源，还可能对环境造成污染。因此，将这些废弃物转化为建筑材料，不仅可以减少环境负担，还能为建筑行业提供新的资源来源。同时，研究还强调了固化条件对材料性能的重要影响，不同的固化方法和温度对地质聚合物的强度、耐久性和微观结构都会产生不同的作用。因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的固化条件，以确保材料性能达到最佳状态。

在研究过程中，研究者对不同比例的RFA和WCR进行了详细的实验分析。实验结果表明，当RFA和WCR的掺入比例分别为60%和30%时，地质聚合物能够展现出良好的流动性与机械性能，适用于多种建筑应用场景。然而，当WCR的掺入比例增加至50%时，材料的机械性能显著下降，这表明WCR的使用需要受到一定限制。此外，研究还发现，RFA的使用可以降低生产成本，而WCR的使用则会增加成本。因此，在实际应用中，需要根据具体的经济条件和性能需求，合理选择RFA和WCR的掺入比例。

研究还强调了WCR在地质聚合物中的应用优势。由于WCR的粒径较小，其与结合剂的结合性能较好，因此能够提高材料的整体性能。同时，WCR的使用还能改善地质聚合物的微观结构，使其更加均匀和致密，从而提升其抗压强度和耐久性。然而，WCR的使用也伴随着一定的技术挑战，如如何确保其在固化过程中的均匀分布，以及如何避免其对材料性能的负面影响。因此，在实际应用中，需要对WCR的掺入比例和粒径分布进行优化，以实现最佳的性能平衡。

本研究的成果不仅为建筑行业提供了一种新的材料选择，也为废弃物管理提供了新的思路。通过将RFA和WCR整合进地质聚合物体系，研究者能够减少对传统水泥的依赖，同时降低对环境的影响。这种新型材料的开发和应用，有助于推动可持续建筑的发展，提高资源利用效率，减少废弃物排放。此外，研究还指出，随着地质聚合物技术的不断发展，其在建筑行业中的应用前景将更加广阔。因此，未来的研究应进一步探索RFA和WCR的优化组合，以及其在不同固化条件下的性能表现，以确保材料在实际应用中的可行性和经济性。

综上所述，本研究通过将废弃飞灰和废轮胎碎橡胶作为地质聚合物的结合剂和细骨料，成功开发出一种新型建筑材料。这种材料不仅能够满足建筑行业的性能需求，还能有效利用废弃物，减少对环境的影响。研究结果表明，RFA和WCR的结合使用在一定程度上提高了材料的流动性、机械性能和耐久性，同时降低了生产成本。然而，WCR的使用需要受到一定限制，以避免其对材料性能的负面影响。因此，在实际应用中，需要根据具体需求合理选择RFA和WCR的掺入比例，并优化其粒径分布，以实现最佳的性能平衡。未来的研究应进一步探索这种材料的长期性能表现，以及其在不同环境条件下的适用性，以确保其在建筑行业中的广泛应用。