碱性热激活技术能够从一种可控模型废渣聚合物中再生出C-A-S-H凝胶，从而实现闭环式的、单组分聚合物回收利用

《Powder Technology》：Alkali thermal activation regenerates C-A-S-H gel from a controlled model waste slag geopolymer for closed-loop one-part geopolymer recycling

　　

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  碱性热激活有效处理了来自废地质聚合物（WS）的合成C-A-S-H凝胶。
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  最佳激活条件（700°C，5% Na₂O）可优化前体的水化动力学。
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  碱性热激活显著提高了处理样品的抗压强度。
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  前体的反应性决定了地质聚合物凝胶中碱性消耗的竞争途径。
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  在高温下形成的透闪石通过包裹活性相来减缓水化速率。

引言

全球向低碳建筑的转变使地质聚合物成为普通波特兰水泥最有前途的替代品之一。传统的地质聚合物是通过用碱性溶液激活工业副产品（如高炉矿渣和粉煤灰）制成的。这种方法不仅减少了CO₂排放，还可以回收那些否则会进入垃圾填埋场的材料[1]，[2]，[3]。大规模的示范项目，包括澳大利亚VicRoads实施的布里斯班韦尔坎普机场路面和多个刚性路面项目，已经证实了地质聚合物混凝土在现实基础设施中的技术可行性[4]，[5]。然而，随着地质聚合物材料在全球范围内的应用加速，一个潜在的挑战经常被忽视：一旦这些地质聚合物达到使用寿命，它们本身就会成为一类新的建筑废弃物。这造成了一个不可避免的回收瓶颈：虽然地质聚合物被推广用于升级工业副产品，但有效的地质聚合物回收解决方案仍然缺乏。因此，开发一种针对废矿渣地质聚合物（WS）的闭环回收策略对于地质聚合物技术的长期可持续性至关重要。

尽管已经报道了针对传统水泥基混凝土废弃物的回收策略，但由于它们在化学性质上的显著差异，这些方法直接应用于WS受到了限制。普通的再生混凝土粉（RCP）是通过破碎废弃混凝土制成的。它主要由未水化的水泥熟料残渣、C-S-H凝胶和附着的砂浆组成[6]，[7]，[8]。RCP通常具有较高的吸水率和较低的火山灰活性，但其水化行为仍与水泥系统兼容[9]。通过精细化处理，已经证明可以实现了适度的替换程度[10]。相比之下，WS本质上不同。它不是未反应颗粒和聚合产物的混合物，而是通过溶解和聚缩反应形成的碱性激活产物。它主要由高度聚合的合成铝硅酸盐组成，如C-A-S-H和N-A-S-H[11]，[12]。这些相在碱性激活过程中已经经历了广泛的聚合，其反应性硅和铝物种被锁定在热力学不稳定结构中。因此，像将WS磨成粉末作为辅助水泥材料这样的RCP衍生方法会导致性能显著下降，最近的调查研究已经指出了这一点[13]，[14]。迫切需要一种替代方法来应对合成铝硅酸盐相的失活化学性质。

碱性热激活是一种将原材料与碱混合并通过热反应的方法，已成为恢复前体反应活性的一种有前景的选择。先前的研究已成功将这种方法应用于天然矿物，如高岭石和膨润土[15]，[16]，[17]。例如，在650–750°C下的热处理可将高岭石脱氢为埃洛石，破坏其层状T-O结构并生成反应性的无定形铝硅酸盐相[18]，[19]。在此过程中添加固体碱激活剂进一步促进了结构重排并增强了随后的聚合。这种方法也已扩展到工业副产品，如拜耳赤泥[20]，[21]，[22]，其中高温度下的碱可以容易地打破稳定的共价键并促进铝硅酸盐的相变[23]。然而，这些报告有一个共同的局限性：原材料要么是天然存在的层状硅酸盐（例如高岭石和蒙脱石），要么是富含氧化物结晶相的工业副产品。它们在结构有序性和形成机制方面与WS不同。相比之下，WS是一种合成形成的铝硅酸盐凝胶系统。其C-A-S-H/N-A-S-H结构通常不是层状结晶结构，而是无定形或结晶度较低的三维网络。这种合成凝胶的聚合环境、拓扑连接性和热力学稳定性与层状硅酸盐和氧化物结晶相有根本不同[24]，[25]，[26]。目前，还没有研究探讨结合热处理和碱处理是否可以逆转形成这些凝胶的聚合反应，从而重新激活它们的反应性以进行第二次水化循环。据我们所知，还没有研究通过碱性热激活实现废地质聚合物材料的闭环前体再生。

为了填补这一空白，本研究旨在系统地追踪WS中C-A-S-H凝胶在碱性热激活过程中的结构演变特性。它旨在阐明激活条件如何调节活性物质的释放与惰性结晶相的形成之间的竞争，并确定这种竞争与再生前体的反应性之间的关系。在此基础上，进一步研究了再生前体在二次水化过程中的反应行为和水化产物的相组成。需要强调的是，这项研究是一项概念验证。WS是在实验室中在受控条件下从特征明确的矿渣前体制备的，没有真实拆除废物中常见的异质团聚体、杂质或可变碳化历史。这种简化使我们能够专注于C-A-S-H凝胶分解和再聚合的内在化学过程，而不受外部变量的干扰。在真实的建筑废料中，骨料、碳酸化相和其他杂质可能会额外影响热传递、碱的可达性、溶解行为和二次反应路径，从而增加再生过程的复杂性[27]，[28]。因此，这项受控研究是在将所提出的方法扩展到更复杂的真实世界废物之前的必要第一步。

为了解决上述问题，进行了详细的表征。抗压强度测试提供了反应性恢复的综合性衡量。等温量热法跟踪了早期水化动力学。H-NMR弛豫测量法监测了水化前72小时内的水状态演变。通过XRD分析了两种激活前体和水化浆体的相组成。FTIR和TG/DTG用于检查凝胶相的键合环境和热分解行为。最后，SEM/EDS提供了微观结构发展和元素分布的直接可视化。通过关联这些多尺度观测结果，我们旨在建立一种机制性理解，即碱性热激活如何将失活的合成铝硅酸盐凝胶系统转换回可行的前体，从而在地质聚合物生命周期中闭合循环。

章节片段

材料

本研究使用的矿渣（粒化高炉矿渣，GBFS）来自炼铁过程，氢氧化钠（NaOH，分析级）分别从武汉荣雅晶科技有限公司和上海阿拉丁生化科技有限公司获得。矿渣的化学成分通过X射线荧光（XRF）光谱法（PANalytical Omnian Axiosmax，4 kV）进行分析，结果总结在表1中。

本研究使用的WS是在实验室中制备的

前体的粒度分析

图2展示了前体的差分和累积粒度分布。如图2（a）和（c）所示，A组样品的粒度分布非常相似，累积曲线在整个测量范围内几乎重叠。这表明在700°C下将Na₂O dosage从4.5%变化到6%仅对最终粒度特性产生有限的差异。因此，随后的反应行为和

结论

本研究表明，废矿渣地质聚合物（WS）中失活的合成铝硅酸盐凝胶可以通过碱性热激活得到有效恢复，为地质聚合物材料的闭环回收挑战提供了一个潜在的解决方案。系统地研究了Na₂O dosage和激活温度对再生前体的反应性以及所得单组分地质聚合物的水化行为的影响。基于这些发现，以下

CRediT作者贡献声明

刘军：资源管理、项目协调、资金筹集。胡佳伦：初稿撰写、方法论设计、正式分析。张伟卓：概念构思。程磊：监督。王正东：概念构思。王静文：方法论设计。 Gui云丹：研究工作。薛玉恒：概念构思。谢光明：撰写-审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本文所述工作得到了深圳市科学技术计划（KCXFZ20201221173202008）、海南省科学技术专项资金（ZDYF2022SHFZ322）和广东省海洋土木工程耐久性重点实验室（2020B1212060074）的资助。

刘军|胡佳伦|张伟卓|程磊|王正东|王静文|Gui云丹|薛玉恒|谢光明