基于初始CaO/Al2O3与SiO2/Al2O3摩尔比调控的矿渣/粉煤灰基地聚物固化黏土性能优化及协同机制研究

针对工业废渣特性波动导致地聚物固化黏土(GSC)性能不稳定的难题，研究人员通过调控初始CaO/Al2O3(0.448-5.448)和SiO2/Al2O3(3.328-3.733)摩尔比，揭示了地聚化-水化协同作用机制。最优配比GSC3的28天无侧限抗压强度(UCS)达2.32 MPa，水稳定系数90.2%，碳足迹仅17.29 kg/MPa·m3，为低碳固化技术提供科学依据。

　　

随着基础设施建设加速，工程废弃黏土的高压缩性、低强度特性导致其堆积量持续增长，不仅造成资源浪费，更推高了处理成本。传统水泥固化虽能改善黏土工程性能，但每生产1吨水泥会排放0.95吨CO₂，加剧温室效应。地聚物固化技术因其低碳特性成为可持续解决方案，但工业废渣（如矿渣、粉煤灰）的初始特性差异导致地聚物性能波动，严重制约其在黏土固化中的规模化应用。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Materials Today Communications》发表重要研究，突破传统仅关注碱性激发剂参数或废渣配比的局限，首次从初始化学组分摩尔比这一更本质的维度出发，系统探究了CaO/Al₂O₃和SiO₂/Al₂O₃摩尔比对GSC性能的调控机制。通过多尺度表征技术，揭示了Ca、Si、Al在黏土固化过程中的协同作用规律，并创新性地将环境效益与工程性能进行耦合评估。

研究采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)和热重-差示扫描量热(TG-DSC)等技术，对湘江流域典型工程废弃黏土及不同配比GSC样本进行系统分析。通过无侧限抗压强度(UCS)、劈裂拉伸强度和水稳定系数(K值)测试，结合微观结构演变与产物生成规律，阐明了摩尔比-性能的构效关系。

初始摩尔比对强度发展的影响
7天养护期内，GSC的UCS随CaO/Al₂O₃和SiO₂/Al₂O₃比值的增加呈持续增长趋势，而28天强度则呈现先升后降的抛物线特征。这种时变特性源于反应主导路径的动态转变：从早期以地聚反应(geopolymerization)为主，逐步过渡到地聚-水化协同作用，最终在高摩尔比条件下转变为以水化反应(hydration)主导的机制。

最优配比性能表现
当CaO/Al₂O₃=2.448、SiO₂/Al₂O₃=3.490时(GSC3)，材料展现最佳综合性能：28天UCS达2.32 MPa，拉伸强度0.229 MPa，K值90.2%。微观分析表明，这种优异性能源于共生的(N,C)-A-S-H凝胶（钠钙铝硅酸盐 hydrate）形成的骨架强化效应。

环境效益评估
通过碳足迹与力学性能的归一化计算，GSC3单位强度碳排仅17.29 kg/MPa·m³，显著低于传统水泥基材料。这种"性能-环境"双优特性，使其在生态敏感区土壤修复中具有独特优势。

该研究首次建立了初始摩尔比-反应路径-宏观性能的关联模型，突破了地聚物固化技术依赖经验配比的局限。提出的"化学组分精准调控"理念，为工业废渣的高值化利用和低碳固化技术推广提供了理论支撑。特别是对(N,C)-A-S-H复合凝胶协同形成机制的揭示，为开发新一代环境友好型土壤固化剂指明了方向。研究成果对推动基础设施建设的绿色转型具有重要意义，相关方法学框架也可拓展至其他固废基胶凝材料的设计优化。