基于煅烧石膏粉的无水泥混凝土的地质聚合物化及化学特性研究，旨在实现可持续应用

《Journal of the Indian Chemical Society》：Geopolymerization and chemical characterization of calcined gypsum powder-based cement-free concrete for sustainable applications

地聚物混凝土通过煅烧石膏粉末（CGP）和碱激发（NaOH浓度2-14M）制备，显著提升抗压强度（50.94%）、抗拉强度（34%）及耐化学侵蚀和氯离子渗透性。

　　水泥生产是全球二氧化碳排放和环境退化的重要来源之一。因此，迫切需要开发替代性结合剂，以减少对普通波特兰水泥（OPC）的依赖，同时保持或提升混凝土的机械性能和耐久性。尽管已有大量研究探索了粉煤灰、粒化高炉矿渣（GGBS）和偏高岭土等材料作为地质聚合物混凝土的前驱体，但关于煅烧石膏粉（CGP）作为高效结合剂的潜力研究仍显不足。此前的研究表明，细石膏的加入通常会降低混凝土的抗压强度；然而，对于CGP为基础的地质聚合物混凝土，特别是在机械强度和化学侵蚀抵抗性方面的全面评估仍然较少。本研究旨在开发包含CGP的地质聚合物混凝土，并探讨碱激发对其机械性能和耐久性的影响。

石膏作为建筑材料之一，因其多样的优势和广泛的可获得性而被全球广泛使用。它通常在沉积岩层中自然形成，其中硫酸钙（CaSO?）通过水化反应转化为石膏（CaSO?·2H?O）。除了自然来源，石膏也可以作为工业过程中的合成副产品获得。由于其防火性能、成本效益、多功能性和吸声特性，石膏在建筑行业扮演着重要角色。其主要用途在于生产石膏板，即所谓的“gyprock”或“干墙”，这些石膏板被广泛用于室内隔断和吊顶系统。这些石膏板由两层纸包裹着石膏芯组成，这不仅提高了其结构强度，也增强了施工的可操作性。此外，石膏在农业中也具有重要价值，能够改善土壤质量，并作为牲畜垫料使用。在水泥工业中，石膏则被用作凝结时间调节剂。尽管通常以少量比例（约水泥重量的3-5%）加入，但它能有效控制水泥与水之间的水化反应速率，从而防止过快凝结。然而，过量使用石膏在混凝土中通常不被推荐，因为这可能导致不期望的膨胀和开裂。

混凝土是全球最广泛使用的建筑材料之一，但其生产过程会产生大量的碳排放，造成显著的环境影响。考虑到水泥相关排放和废弃物管理的双重挑战，通过掺入废弃物衍生材料使混凝土更加可持续已成为一个重要的研究方向。建筑和拆除废弃物（C&DW）的大量产生，使得回收或再利用这些材料成为迫切需求。其中，石膏干墙废弃物占C&DW总量的近27%。不当处理石膏干墙废弃物，如将其丢弃在垃圾填埋场，不仅会占用宝贵的填埋空间，还可能污染地下水，因为石膏与雨水和渗滤液反应会产生有害化合物。因此，探索石膏废弃物的潜在用途，以促进环境友好型资源管理，具有重要意义。

近年来，许多研究关注了工业和农业副产品作为传统水泥的可持续替代品的潜力。例如，粉煤灰、高炉矿渣和偏高岭土等工业副产品，以及稻壳灰、花生壳灰、玉米芯灰、棕榈油燃料灰和小麦秸秆灰等农业废弃物，都被广泛研究作为补充性水泥性材料（SCM）。这些材料不仅能提升混凝土的机械性能和耐久性，还能显著减少水泥制造过程中的碳排放。事实上，已有大量研究利用农业和工业废弃物制备碱激发混凝土和地质聚合物混凝土。因此，石膏废弃物也逐渐受到关注，被视为一种潜在的SCM。一些研究人员已经探讨了其在提升混凝土混合物工作性、强度发展和凝结特性方面的可行性。

在一些研究中，Naik等人评估了含有不同比例石膏板粉（0%、7%、10%、20%）和不同粉煤灰含量（0%、20%、33%、50%、60%）的混凝土混合物。他们的研究结果表明，含有20%粉煤灰和10%石膏板粉、70%水泥的混合物，在91天的养护后，其抗压强度与传统混凝土相当。Raghavendra和Udayashankar则研究了掺入回收石膏板和粉煤灰作为SCM的砂浆混合物的新鲜和硬化特性。他们发现，加入碎石粉和石膏会增加用水需求，同时降低抗压强度，但28天时的强度达到最大值。Antunes等人则评估了使用来自建筑和拆除废弃物（C&DW）中的石膏作为波特兰水泥砂浆的骨料替代物的可行性。他们的研究结果表明，最多可将30%的石膏废弃物作为骨料替代物，而不会影响混合物的机械性能。

近年来，Hansen和Sadeghian研究了含有不同比例回收石膏粉（0-20%）和不同粉煤灰替代比例（0-50%）的混凝土。他们发现，随着回收石膏粉含量的增加，7天和28天时的抗压强度下降，但当粉煤灰含量增加到50%，且石膏粉替代水泥的20%时，90天后的抗压强度保持不变。Takbiri和Sadeghian则研究了将水泥替换为10%和20%的回收石膏（以细石膏粉和完整石膏两种形式）在不同环境条件下的影响。他们的研究结果显示，掺入10%和20%的细石膏粉分别使28天的抗压强度下降约36%和40%。然而，现有文献指出，细石膏粉的掺入通常会降低混凝土的抗压强度。本研究旨在通过煅烧来克服这种强度下降，以提升石膏的反应活性，从而增强其结合性能。

煅烧是一种热处理工艺，用于通过加热改变废弃物材料的物理和化学特性，而不引起熔融。其主要目的是去除挥发性成分，去除化学结合水，并改变材料的晶体结构以增强其反应活性。在煅烧之前，大多数废弃物灰烬具有高度结晶和稳定的原子结构，这限制了其化学活性。当这些材料（如石膏、粉煤灰或黏土基废弃物）在500℃至900℃的温度范围内加热时，会发生一系列变化。这些变化包括物理和化学结合水的流失、碳酸盐和有机物质的分解，以及碳酸钙（CaCO?）分解为氧化钙（CaO）和二氧化碳（CO?），从而改善其水泥性行为。煅烧的一个关键效果是将材料从结晶态转变为半无定形态。这种有序原子结构的破坏显著提高了材料的火山灰反应活性，使其更适用于水泥性和地质聚合物应用。此外，通过碱激发，多种废弃物材料可以转化为具有低环境影响的反应性结合剂。碱激发材料（AAMs）在制备过程中创造了一个高碱性的环境，促进了前驱材料中铝和硅的溶解。释放出的氧化铝（Al?O?）和二氧化硅（SiO?）与水化过程中产生的氢氧化钙反应，生成铝硅酸钙（C–A–S–H）和铝酸钙（C–A–H）凝胶，这些凝胶有助于混凝土强度的发展和耐久性的提升。受煅烧和碱激发的启发，本研究重点探讨了碱激发煅烧石膏废弃物混凝土的机械性能，以开发一种可持续的水泥性结合剂。

本研究的实验设计旨在开发一种基于CGP的地质聚合物混凝土，并评估碱激发对其机械性能和耐久性的影响。混凝土混合物设计为M25等级，目标抗压强度为31.6 MPa，符合IS: 10262–2009的标准。在此研究中，普通波特兰水泥（OPC）被完全替换为CGP，以生产不同比例的混合物。CGP作为结合剂，通过碱性溶液进行激活。为了确保有效的地质聚合反应和最佳的强度发展，本研究采用了系统的碱性溶液制备和混凝土混合方法。碱性激发剂溶液由氢氧化钠（NaOH）和硅酸钠（Na?SiO?）组成，其制备过程经过仔细规划。首先，根据所需的摩尔浓度计算氢氧化钠的用量。在本研究中，氢氧化钠的浓度范围设定为2 M至14 M。在制备过程中，首先计算所需的氢氧化钠量，然后将其溶解在适量的水中，以获得所需的浓度。硅酸钠溶液则通过将硅酸钠粉末溶解在水中，调节其浓度以达到最佳的激发效果。

研究结果表明，14 M氢氧化钠激发的CGP混凝土（A14CGP）表现出显著的性能提升。与传统OPC混凝土相比，其抗压强度提高了50.94%，分裂抗拉强度提高了34%，弯曲强度提高了21%。此外，A14CGP混合物在酸和硫酸侵蚀方面的抵抗性也优于传统混凝土，同时氯离子渗透性有所降低，表明其具有更高的耐久性和整体性能。这些结果表明，通过适当的碱激发，CGP可以作为一种有效的结合剂，用于制备高性能的地质聚合物混凝土。研究还发现，随着氢氧化钠浓度的增加，混凝土的机械性能和耐久性也相应提高，但过高的浓度可能导致其他不利影响，如材料的过度反应或结构稳定性下降。因此，确定最佳的氢氧化钠浓度对于实现CGP混凝土的性能优化至关重要。

在本研究中，不同浓度的氢氧化钠被用于激发CGP混凝土，并对其机械性能和耐久性进行了系统评估。实验结果显示，14 M氢氧化钠激发的CGP混凝土在强度和耐久性方面表现最佳。这表明，提高氢氧化钠的浓度可以有效增强CGP的反应活性，从而提升其作为结合剂的性能。然而，实验还表明，随着氢氧化钠浓度的增加，混凝土的性能并非一直呈上升趋势，而是存在一个最佳范围。因此，需要在氢氧化钠浓度和CGP含量之间找到最佳平衡点，以实现最佳的机械性能和耐久性。

此外，本研究还探讨了CGP在不同环境条件下的表现。实验结果显示，CGP混凝土在酸性和硫酸性环境中的耐久性显著优于传统OPC混凝土。这种增强的耐久性可能归因于CGP在碱激发后形成的更稳定的化学结构，以及其在水化过程中产生的更丰富的凝胶产物。同时，CGP混凝土的氯离子渗透性也有所降低，这表明其具有更好的抗氯离子侵蚀能力，这对于沿海地区或存在高氯离子浓度环境的混凝土结构尤为重要。因此，CGP混凝土不仅在机械性能上表现出色，而且在耐久性方面也具有显著优势，使其成为一种有潜力的可持续建筑材料。

在实际应用中，CGP混凝土的性能提升可能对建筑行业产生深远影响。首先，其显著的强度提升意味着在使用CGP混凝土时，可以减少水泥的使用量，从而降低碳排放。其次，其增强的耐久性可以延长混凝土结构的使用寿命，减少维护和修复成本。此外，CGP混凝土的生产过程相对环保，因为它利用了工业废弃物，减少了对自然资源的依赖，并降低了废弃物对环境的污染。这些优势使得CGP混凝土成为一种值得推广的可持续建筑材料。

然而，尽管CGP混凝土表现出良好的性能，其实际应用仍面临一些挑战。首先，CGP的生产过程需要高温煅烧，这可能带来一定的能源消耗。因此，需要在CGP的生产过程中优化能耗，以确保其整体的可持续性。其次，CGP混凝土的性能可能受到多种因素的影响，如氢氧化钠的浓度、硅酸钠的配比、养护条件等。因此，为了实现最佳性能，需要进一步研究这些参数对CGP混凝土的影响，并开发相应的优化方案。此外，CGP混凝土的长期性能也需要进一步研究，以确保其在实际工程中的可靠性和稳定性。

总之，本研究通过系统实验验证了CGP作为碱激发结合剂的潜力，并发现其在机械性能和耐久性方面具有显著优势。14 M氢氧化钠激发的CGP混凝土表现出最佳性能，这表明通过调整碱激发剂的浓度，可以有效提升CGP混凝土的性能。同时，CGP混凝土的生产过程利用了工业废弃物，减少了对传统水泥的依赖，并降低了碳排放。这些发现为开发一种可持续的水泥性结合剂提供了新的思路，并为未来的研究和应用奠定了基础。通过进一步优化CGP混凝土的制备工艺和性能参数，有望实现更广泛的工程应用，并为建筑行业的可持续发展做出贡献。