使用陶瓷废弃物粉末和火山灰基的地质聚合物粘结剂处理后的土材料的力学性能和微观结构，用于生产压缩砖

《Scientific Reports》：Mechanical and microstructural behavior of earthen materials treated with ceramic waste powder and volcanic ash-based geopolymer binders for compressed brick production

　　

摘要

本研究提出了一种环境可持续的方法，通过使用由陶瓷废料粉（CWP）和火山灰（VA）制成的混合地理聚合物粘合剂来稳定高塑性粘土。该粘合剂采用氢氧化钠和硅酸钠作为碱性活化剂，其NaOH/Na?SiO?比例为2.0。本研究的主要创新之处在于系统地比较了单一前驱体和混合CWP–VA粘合剂在总添加量分别为4%、8%和12%时的性能，从而能够清楚地区分这两种前驱体的单独作用及其协同效应。这种方法直接评估了前驱体混合使用是否比单独使用材料具有更高的稳定效率。通过多尺度测试程序，研究了力学性能、承载能力、耐久性和内部结构质量之间的关系，测试指标包括无约束抗压强度（UCS）、加州承载比（CBR）、吸水率和超声波脉冲速度（UPV），并结合扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）分析。结果表明，在相同总用量下，CWP和VA的配合使用比单独使用任何一种前驱体都具有更高的稳定效率。最佳配方为CWP 6%和VA 6%，其28天抗压强度达到5.26 MPa，相较于未经处理的土壤提高了1182%。该混合物在未浸泡和浸泡状态下的加州承载比分别为41.11%和27.96%，同时吸水率仅为6.8%。测得的超声波脉冲速度为2130 m/s，进一步表明其内部结构更加致密且连续。SEM分析显示，稳定处理后，原本松散多孔的粘土结构转变为具有相互连接的地理聚合物凝胶桥的致密矩阵。EDS分析进一步证实形成了富含钙（Ca）、硅（Si）和铝（Al）的反应产物，支持了铝硅酸盐基地理聚合物的形成。与这些微观结构观察结果一致，XRD分析显示在20°–40° 2θ范围内主要形成了非晶态钠铝硅酸盐 hydrate（N-A-S-H）和钙铝硅酸盐 hydrate（C-A-S-H）凝胶相，同时原始晶体矿物也发生了部分溶解。总体而言，研究结果表明无水泥的CWP–VA混合地理聚合物具有显著的协同效果，并凸显了其作为高性能、源自废弃物的可持续粘土稳定剂和压缩土砖材料的潜力。