地聚合物与水泥混凝土添加水果加工行业和湖泊修复生物材料后选定性能的比较

《Sustainability》：Comparison of Selected Properties of Geopolymers and Cement Concretes with the Addition of Biomaterials Derived from the Fruit Processing Industry and Lake Restoration

　　

研究人员对减少CO₂排放和有效废物管理的日益增长的需求催生了开发可持续建筑材料的需求。本研究对地聚合物（geopolymer）和水泥基复合材料（cement-based composites）进行了比较研究，这些复合材料采用两种丰富且未被充分利用的废物流中提取的生物基添加剂（bio-based additives）进行改性：苹果加工废弃物（apple-processing waste）和湖泊修复活动中收集的生物质（biomass）。制备了含有5和10 wt.%苹果加工废弃物或5和10 vol.%湖泊纤维（lake fibers）的地聚合物和水泥复合材料，并实验评估了它们的抗压强度（compressive strength）、抗折强度（flexural strength）、密度（density）和热导率（thermal conductivity）。结果揭示了所研究胶凝体系之间的显著差异。苹果加工废弃物显著恶化了两种材料的力学性能，尤其是在水泥基复合材料中，观察到了水泥水化干扰和结构完整性丧失。尽管地聚合物复合材料在加入苹果残渣后也表现出抗压强度降低，但其结构粘聚力得以保持。相比之下，从湖泊修复中获得的生物质纤维与地聚合物基体表现出更好的相容性，将抗压强度降低限制在约13–16%，同时有助于提高抗裂性和破坏后完整性。生物基添加剂的加入降低了复合材料密度和热导率，从而提高了热绝缘性能。最低热导率是在含有10 wt.%湿苹果废弃物的地聚合物中获得的，达到0.4216 W/(m·K)，而参考地聚合物为0.7067 W/(m·K)。研究结果表明，湖泊修复生物质是地聚合物基建筑材料的一种有前景的增强材料，而水果加工残渣在实际应用前需要进一步预处理。总体而言，该研究强调了地聚合物与有机废物流的优越相容性，并展示了其作为可持续、非结构建筑材料支持循环经济策略、废物增值和环境修复努力的潜力。

**论文解读：地聚合物与水泥混凝土中添加水果加工废物和湖泊修复生物质的性能对比研究**

**1. 研究背景与问题**

全球二氧化碳（CO₂）排放持续攀升，2023年达约358亿吨，其中水泥工业贡献约8%，是碳密集型产业之一。传统波特兰水泥生产依赖超过1400°C的石灰石煅烧，排放大量CO₂并消耗不可再生资源。地聚合物（geopolymer）混凝土作为碱激发胶凝材料，利用粉煤灰、矿渣等工业副产品，可显著降低碳排放，被视为水泥的潜在替代品。同时，有机废物（如苹果加工废物和湖泊修复生物质）的可持续管理成为循环经济的重要方向。苹果加工废物富含纤维素、果胶等，具有高吸水性和低密度，可改善材料热绝缘性，但可能干扰水化或地聚合反应。湖泊修复过程中产生的丝状绿藻（Cladophora属）生物质，具有纤维结构和纤维素含量，尚未被系统研究作为建筑材料添加剂。当前研究缺乏对这两种废物在水泥和地聚合物体系中比较评估，尤其湖泊修复生物质的应用知识有限。因此，本研究旨在综合评价苹果加工废物和湖泊纤维对地聚合物和水泥复合材料力学性能（抗压、抗折强度）和热性能（热导率）的影响，探索其作为可持续建筑材料的潜力，发表在《Sustainability》期刊。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用以下方法制备和测试复合材料：地聚合物基体以偏高岭土（metakaolin）和石英砂（50:50质量比）为前驱体，碱活化剂为10M氢氧化钠（NaOH）与R-145硅酸钠溶液（SiO₂/Na₂O摩尔比2.5）按1:2.5质量比混合。水泥基体使用CEM II/B-V 32.5R粉煤灰波特兰水泥和石英砂。苹果加工废物（来自波兰?ososina Dolna果园的废弃苹果）以湿态（原样，含水约80-85%）和干态（70°C干燥至恒重后研磨）两种形式加入，添加量为5和10 wt.%（基于胶凝材料质量）。湖泊纤维（来自湖泊修复的Cladophora藻类生物质，清洗、干燥、机械破碎后获得）以5和10 vol.%添加。地聚合物样品在75°C热固化12-16小时，水泥样品在20±2°C固化28天。测试方法包括：抗折强度按PN-EN 12390-5标准（三点弯曲，跨距120 mm），抗压强度按PN-EN 12390-3标准（加载速率0.5 MPa/s），热导率采用Lambda HFM 446热流计法（HFM，温差20°C，平均温度10°C）。样本队列来源：苹果废物来自波兰果园，湖泊纤维来自湖泊修复活动，偏高岭土来自捷克Keramost a.s.，石英砂来自波兰?wi?toch?owice砂坑，水泥来自波兰Góra?d?e Cement S.A.。

**3. 研究结果**

**3.1 地聚合物复合材料的抗折强度**

通过三点弯曲试验（3个样品/系列，参考系列2个）评估地聚合物复合材料的抗折强度。参考样品最高，为9.79 MPa。添加苹果废物后强度显著下降：湿苹果废物样品为0.57 MPa（5 wt.%）和0.88 MPa（10 wt.%），干苹果废物为0.70 MPa（5 wt.%）和0.41 MPa（10 wt.%）。这归因于苹果废物颗粒的高孔隙率、低刚度以及与地聚合物基体的弱粘附性，且有机物质可能干扰地聚合反应。相反，湖泊纤维样品表现出更高强度：5 vol.%时为6.34 MPa，10 vol.%时为5.20 MPa，表明纤维与基体有效相互作用，限制微裂纹扩展。断裂面分析显示，湖泊纤维样品结构致密、纤维锚固良好，而苹果废物样品出现大颗粒和空隙，表明相容性差。

**3.2 地聚合物和水泥复合材料的抗压强度**

对立方体样品（100×100×100 mm，3个/系列，参考系列2个）进行抗压试验。地聚合物参考样品强度为36.30 MPa。添加苹果废物后强度大幅降低：干废物5 wt.%时为16.00 MPa（降低56%），10 wt.%时为17.89 MPa（降低51%）；湿废物5 wt.%时为9.62 MPa（降低75%），10 wt.%时为9.02 MPa（降低75%）。湖泊纤维对地聚合物抗压强度影响较小：5 vol.%时为30.46 MPa，10 vol.%时为31.71 MPa，仅降低约13-16%。水泥复合材料方面，参考样品强度为29.82 MPa。添加苹果废物导致强度几乎完全丧失：干废物5 wt.%时为1.56 MPa，湿废物5 wt.%时为1.28 MPa（降低>94%），且10 wt.%样品因脱模时严重解聚而无法制备。湖泊纤维水泥样品强度为5.91 MPa（5 vol.%）和2.26 MPa（10 vol.%），虽明显低于参考，但优于苹果废物。破坏模式观察显示，地聚合物含湖泊纤维样品保持结构完整性，而水泥样品更脆。

**3.3 地聚合物和水泥复合材料的物理性能**

使用热流计法（HFM）测量热导率（λ），并测定体积密度。参考水泥具有最高密度（1.78 g/cm3）和热导率（1.0479 W/(m·K)）。添加湖泊纤维后，水泥密度降至1.26 g/cm3（5 vol.%）和1.03 g/cm3（10 vol.%），热导率降至0.4837和0.4551 W/(m·K)（降低>50%）。地聚合物参考密度为1.56 g/cm3，热导率0.7067 W/(m·K)。添加湖泊纤维后密度降至1.52 g/cm3（5 vol.%）和1.42 g/cm3（10 vol.%），热导率降至0.6230和0.4551 W/(m·K)。苹果废物地聚合物中，密度和热导率进一步降低：干废物10 wt.%时密度1.43 g/cm3，热导率0.5368 W/(m·K)；湿废物10 wt.%时密度1.35 g/cm3，热导率0.4216 W/(m·K)（最低，相对参考降低约40%）。结果表明，密度降低与热导率降低呈正相关，生物质添加剂通过增加孔隙率改善热绝缘性能，但以牺牲力学强度为代价。

**4. 讨论与结论总结**

讨论部分指出，湖泊纤维在地聚合物中表现出最优力学性能（抗折强度6.34 MPa，抗压强度30.46 MPa），归因于纤维的纤维素微增强作用与裂纹桥接效应，这与天然纤维增强地聚合物的文献一致。苹果废物则因有机物质（糖、果胶）干扰地聚合反应和高吸水率导致强度严重下降，尤其在水泥体系中，水化过程的抑制导致样品根本无法成型。热绝缘性能方面，两种添加剂均有效降低热导率，湿苹果废物效果最显著（0.4216 W/(m·K)），但力学性能差。地聚合物基体对有机废物的相容性优于水泥基体，表明地聚合物更适合作为废物增值的载体。研究局限性包括：试样数量有限，热导率仅测单样品，未进行长期耐久性和微观结构表征（SEM、XRD、FTIR等），也未进行生命周期评估（LCA）。未来需优化生物质预处理并评估长期性能。

研究结论部分翻译如下：

本研究评估了苹果加工废物和来自湖泊修复的湖泊纤维对地聚合物和水泥复合材料力学和热性能的影响。基于所得结果，得出以下结论：

- 湖泊纤维的添加对地聚合物复合材料的抗压强度影响相对较小。根据纤维含量，抗压强度相比参考地聚合物降低约13–16%，同时提高了热绝缘性能。
- 苹果加工废物显著降低了地聚合物复合材料的热导率。最低值（0.4216 W/m·K）来自含有10 wt.%湿苹果加工废物的地聚合物，相比参考地聚合物（0.7067 W/m·K）降低约40%。
- 苹果加工废物的添加导致两种胶凝体系的力学性能显著恶化。该效应在水泥基复合材料中尤为突出，脱模时观察到严重解聚，无法制备含10 wt.%苹果加工废物的混合物，限制了其适用性。
- 与水泥基复合材料相比，所研究的地聚合物体系对废物衍生生物质表现出更高的相容性，在保持较高力学完整性的同时实现了热导率的大幅降低。然而，该比较应结合所研究的配方和固化条件进行解释。
- 所得结果表明，含苹果加工废物的复合材料主要适用于非承重应用，如轻质热绝缘板或隔断构件，而含湖泊纤维的复合材料则提供了热性能和力学性能更均衡的组合。
- 本研究存在若干局限性：测试试样数量有限，热导率测量仅针对每种混合物一个代表性样品，且未进行长期耐久性或微观结构研究（如SEM/EDS、XRD、FTIR、TG/DTG或MIP）来验证所观察到的材料性能变化的机制。此外，未通过生命周期评估或碳足迹分析评价复合材料的环保性能。未来研究将聚焦于这些方面，并优化生物质预处理以进一步改善热与力学性能的平衡。
- 所开发的复合材料展示了在循环经济原则下将废物生物质掺入无机胶凝材料的潜力。然而，其整体环保性能需要通过全面的生命周期评估和碳足迹分析加以确认。
- 所研究的复合材料不应被视为通用建筑材料。含苹果加工废物的地聚合物复合材料尤其适用于非承重应用，包括轻质绝缘板、隔断构件和热绝缘板，其中较低的热导率比高力学强度更重要。相比之下，含湖泊纤维的复合材料表现出更有利的热与力学性能平衡，因此在需要中等力学性能兼顾改善热绝缘的应用中可能具有更大潜力。
- 未来研究应着重评估所开发复合材料的长期耐久性，包括吸水率、干湿循环和冻融循环抗力、尺寸稳定性、收缩行为、生物耐久性及长期力学性能。此外，微观结构研究和环境评估对于全面评价这些材料在建筑中的适用性将是必要的。