《Case Studies in Construction Materials》：Sustainable lightweight alkali-activated FA-OPC concrete incorporating recycled EPS foam and seawater: Mechanical, thermal, and acoustic performances
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本研究开发了一种可持续的、室温养护的轻质碱激发混凝土，通过升级回收再生发泡聚苯乙烯（EPS）泡沫并完全以原始海水替代淡水来实现。采用粉煤灰（FA）-普通硅酸盐水泥（OPC）混合前驱体，以5 M和10 M海水基氢氧化钠（NaOH）溶液进行活化。研究发现了一种反直
本研究开发了一种可持续的、室温养护的轻质碱激发混凝土，通过升级回收再生发泡聚苯乙烯（EPS）泡沫并完全以原始海水替代淡水来实现。采用粉煤灰（FA）-普通硅酸盐水泥（OPC）混合前驱体，以5 M和10 M海水基氢氧化钠（NaOH）溶液进行活化。研究发现了一种反直觉的微观结构机制：5 M海水活化剂的性能优于常规10 M基准体系。较低的碱度避免了海水离子通常诱发的快速凝结，从而能够形成受控的、致密的凝胶网络。最优配合比（0.80% EPS，5 M NaOH）实现了28天结构级抗压强度26.8 MPa和低单位重量1498 kg/m3。此外，多孔EPS掺入有效地将导热系数降低至0.718 W/m·K，并改善了声学阻尼性能，在500 Hz频率下达到峰值吸声系数0.358。这些发现为制造功能性、承重轻质混凝土砌块提供了一种高度可行的零淡水方法。
**可持续轻质碱激发FA-OPC混凝土的力学、热学与声学性能：研究解读**
**一、研究背景与意义**
全球建筑行业正面临巨大的环境压力，核心驱动力来自普通硅酸盐水泥（OPC）生产过程中产生的大量二氧化碳排放。随着全球可持续发展要求的日益严格，碱激发材料作为可行的环保替代方案引起了广泛的科学关注。这些无机胶凝材料通过碱活化富铝硅酸盐前驱体合成，有效地实现了工业副产物的大规模再利用。在各种前驱体中，高钙粉煤灰因其固有的活性氧化钙含量而具有独特的水化动力学特性。与仅依赖三维交联钠铝硅酸盐凝胶（N-A-S-H）的低钙体系不同，钙的存在促进了硅酸钙水合物（C-S-H）和铝硅酸钙水合物（C-A-S-H）相的平行形成。为克服室温养护地聚物早期强度发展缓慢的问题，在前驱体中掺入少量OPC成为一种有效的工程策略。OPC提供的额外活性钙加速了C-S-H凝胶与地聚物N-A-S-H网络的同步沉淀，不仅增强了早期力学性能，还改善了室温条件下的微观结构致密性和凝结特性。
与此同时，现代建筑对多功能轻质混凝土的需求激增，旨在降低结构自重并增强建筑热围护性能。传统多孔混凝土方法常导致不稳定的气孔结构，损害结构完整性。近期研究强调必须优化配合比参数以稳定轻质地聚物砌块中的预制泡沫。另一种策略是将消费后废弃物（如发泡聚苯乙烯（EPS）包装泡沫）作为超轻质骨料回收利用，这巧妙地将固废管理与功能性工程相结合。掺入加工后的EPS泡沫颗粒可显著降低体积密度并抑制导热系数。然而，EPS骨料的化学惰性不可避免地产生薄弱的界面过渡区（ITZ），需要坚固且精确校准的胶凝基质来保持可接受的结构承载能力。
碱激发胶凝材料商业化面临的一个紧迫挑战是制备高浓度碱活化溶液所需的大量淡水消耗。鉴于淡水资源日益稀缺，以原始海水替代拌合水提供了一种战略性替代方案。海水含有复杂的溶解离子——主要是钠、氯、镁和硫酸根离子——它们积极参与铝硅酸盐网络的早期溶解。尽管由于钢筋腐蚀风险，海水在传统钢筋混凝土中的使用受到限制，但碱激发基质具有优越的氯离子结合能力和高碱性孔溶液，能够固定这些腐蚀性元素。尽管在海水混合胶凝材料和碱激发复合材料耐久性方面取得了各自的进展，但利用原始海水活化高孔隙率EPS掺入的碱激发基质的协同效应仍需深入研究。近期关于海水活化剂与再生EPS泡沫在OPC掺合体系中结合的研究尚未系统建立，这代表了结构构件清洁生产中的一个明显研究空白。与以往淡水体系研究中较高碱度通常产生较高强度的认知不同，本研究假设并验证了一种反直觉的范式：在海水体系中，传统高摩尔浓度活化（如10 M NaOH）因快速凝结而有害。因此，系统研究了较低摩尔浓度的海水活化剂（5 M）以优化微观结构发展，弥合了结构级废弃物升级回收与零淡水足迹制造之间的差距。
**二、主要技术方法**
研究人员从泰国南邦府Mae Moh燃煤电厂获取高钙粉煤灰（FA），并使用泰国湾春武里海岸采集的原始海水作为唯一溶剂制备碱活化溶液。采用X射线衍射（XRD）、X射线荧光光谱法（XRF）和扫描电子显微镜（SEM）对原材料进行表征。实验设计包含两种NaOH浓度（5 M和10 M）及五种EPS泡沫掺量（0.80%、1.00%、1.20%、1.40%、1.60%），所有配合比固定FA:OPC比例为90:10，砂胶比1.0，液胶比0.50，Na
2SiO
3/NaOH质量比1.0。试样在25±2°C室温环境下密封养护，依据ASTM标准评估单位重量、表观孔隙率、吸水率、抗压强度、导热系数及声吸收系数。
**三、研究结果**
**3.1 物理性能：单位重量、孔隙率与吸水率**
物理性能测试结果表明，EPS泡沫掺量的增加在所有配合比中均导致单位重量系统性降低。5 M系列28天单位重量从0.80% EPS时的1498 kg/m3降至1.60%时的1170 kg/m3，而10 M系列在1.60% EPS含量时达到最低值1009 kg/m3。10 M系列单位重量更低的原因在于高碱度与海水离子的协同作用引发FA-OPC前驱体的快速凝结，严重限制了新拌浆体的和易性，在浇筑完全密实之前截留了更多宏观气孔。孔隙率与吸水率数据呈现直接正比关系：5 M系列总孔隙率从34.8%扩大至53.6%，吸水率从1.92%增至5.74%。EPS骨料表面疏水性排斥亲水性碱性浆体，导致界面过渡区物理脱离且高度多孔，这些连续毛细通道促进了毛细吸水。
**3.2 抗压强度发展**
抗压强度测试显示，EPS含量从0.80%增至1.60%时，5 M系列28天抗压强度从26.8 MPa降至9.6 MPa，这归因于EPS颗粒作为结构空隙引发局部应力集中和ITZ处微裂纹萌生。关键发现是5 M系列在所有EPS掺量下均优于10 M系列。在0.80% EPS含量时，10 M系列28天强度为19.5 MPa，较5 M系列降低27%。这一强度退化机制可解释为：10 M高碱环境中，氯离子和硫酸根离子过度加速富钙相沉淀，在硅和铝的缓慢溶解能够建立稳定的三维N-A-S-H网络之前，钙的快速消耗导致地聚反应序列中断，引发基体过早凝结，物理上阻止了正常压实并截留大量结构宏观孔隙。
**3.3 隔热性能**
导热系数测试结果表明，EPS泡沫体积分数的增加导致导热系数相应降低。10 M系列在1.60% EPS含量时导热系数降至0.387 W/m·K；5 M系列0.80% EPS配合比实现了0.718 W/m·K的导热系数，同时保持26.8 MPa的抗压强度。EPS闭孔结构内截留的静止空气充当高效热屏障，切断了热传导路径，证实EPS泡沫与海水活化FA-OPC前驱体的协同整合赋予混凝土结构-隔热双重功能。
**3.4 声吸收性能**
400-2500 Hz频率范围内的声吸收系数测量显示，EPS泡沫的掺入显著提升了声阻尼能力。5 M系列表现出优于10 M系列的声学性能：5M-E1.20配合比在500 Hz附近达到最大声吸收系数0.358，5M-E0.80在同一频率达到0.220，而10 M系列峰值仅为0.189（10M-E1.00）。这一差异可归因于5 M海水活化剂受控的缩聚过程避免了快速凝结，从而逐渐演化出曲折的微孔网络和连续毛细通道，最大化了内部空气摩擦和粘性耗散能量，提高了声吸收效率。
**3.5 多功能性能综合**
综合性能分析揭示了EPS掺入、单位重量、孔隙率、抗压强度、导热系数和声学性能之间的内在关联。该复合材料建立了双孔隙机制：热阻主要由EPS骨料内固有的闭孔控制，声吸收则由ITZ周围连通的微毛细管和曲折路径促进。与使用化学发泡剂的传统地聚物泡沫混凝土（强度通常低于10 MPa）及依赖高摩尔淡水活化剂和热养护的轻质地聚物相比，本研究最优配合比（5M-E0.80）在1498 kg/m3单位重量下实现了26.8 MPa的抗压强度，提供了更高或相当的强度-密度比。
**四、结论与展望**
本研究得出以下主要结论：海水离子与FA-OPC前驱体的协同相互作用从根本上改变了反应动力学，5 M NaOH浓度防止了10 M体系中观察到的剧烈快速凝结，为稳定致密的微观结构发展提供了有利环境；5M-E0.80配合比实现了最佳结构平衡，28天抗压强度26.8 MPa，单位重量1498 kg/m3，满足承重轻质混凝土的标准要求；EPS骨料引入的多孔宏观结构有效限制了热传导并增强了声阻尼，导热系数低至0.387 W/m·K，峰值吸声系数达0.358（500 Hz）；完全以海水替代淡水，结合消费后EPS废物的升级回收和室温养护，提供了一种高度可持续的制造范式，有效应对全球淡水短缺问题并将固体包装废物从垃圾填埋场转移。
在实际应用方面，直接使用原始海水会在基质中引入高氯离子浓度，这从根本上排除了传统钢筋的使用，限制了当前应用范围至非配筋构件、保温幕墙或采用非腐蚀性纤维增强聚合物（FRP）筋的结构构件。此外，长期耐久性能（如徐变、干燥收缩和泛霜）需要在大规模商业化之前进行广泛评估。该研究为海水基碱激发轻质混凝土的结构-功能一体化应用提供了重要的理论基础和技术路径。
