基于窗户与市政苏打瓶玻璃废料的地聚合物浆料及其发泡行为

《Advances in Materials Science and Engineering》：Window and Municipal Soda Bottles Glass Waste-Based Geopolymer Pastes With Foaming Behavior

　　

本研究探讨了以窗户玻璃和苏打瓶玻璃废料作为固体原料及铝硅酸盐主要来源，经硅酸钠激活制备的地聚合物浆料。热处理诱导了发泡行为，产生显著体积膨胀并降低抗压强度，表明其在隔热应用中具有潜力。在地聚合物浆料制备中，采用硅酸钠溶液（Na₂SiO₃，37 wt.%）作为碱性激活剂，对（G-S和W-S）浆料配方分别以液固比（L/S）0.33和0.3与固体组分混合。研究人员评估了两种合成浆料（G-S和W-S）在7天和28天养护后的力学性能（以抗压强度表征）。此外，将两种配方（G-S和W-S）在450°C、550°C、650°C和750°C下以10 °C/min的升温速率热处理1 h并进行测试。同时，研究人员将两种制备配方的体积和重量变化百分比（ΔV%和ΔW%）以及热处理后的扫描电子显微镜（SEM）结果作为发泡材料的评价指标。结果表明，随着热处理温度的升高，体积变化总体增加（G-S为64.4%–314.36%，W-S为189.2%–697.4%），这是发泡行为的标志。此外，在相同热处理条件下，W-S浆料表现出最大的重量损失（15.1%–17.6%），而G-S浆料为14.23%–14.49%。同时，记录到W-S浆料在7天和28天养护后的抗压强度值分别为84.25和75.5 MPa，G-S浆料分别为13.5和77.5 MPa。热处理后，两种配方（W-S和G-S）的抗压强度值范围为0.5至6.39 MPa，反映了孔隙的形成（轻质材料）。该研究报告了基于玻璃废料的发泡地聚合物的合成，其满足低抗压强度、高孔隙率和轻质等要求，适用于建筑中的声学隔热、惰性及热绝缘等工程应用。

**论文解读：基于玻璃废料的地聚合物发泡材料——制备、性能与工程应用潜力**

**1. 研究背景与问题**

传统波特兰水泥的生产是能源密集型过程，每生产1吨水泥约释放1吨二氧化碳，对环境造成显著负面影响。因此，寻找可持续、坚固、经济且环境友好的替代建材成为研究热点。循环经济（CE）理念强调废弃物的再利用和再循环，以延长材料生命周期并减少污染。在众多废弃物中，玻璃废料在垃圾填埋场中大量存在。玻璃泡沫因其无毒、化学惰性、优异的抗压强度、轻质和刚性而受到建筑行业关注。然而，目前循环、可持续且可回收的绝缘材料仍相对缺乏，亟需研发。地聚合物是一类无机铝硅酸盐胶凝材料，具有三维网络状无定形或半晶体结构，通常由铝硅酸盐前驱体与碱激活剂反应合成。地聚合物具有优异的耐酸碱腐蚀性、低收缩、高早期强度、耐火性和低导热性等特性。利用玻璃废料（特别是钠钙玻璃，占全球玻璃产量约90%）作为铝硅酸盐来源，通过碱激活制备地聚合物，既解决了废弃物处置问题，又提供了可持续建材的新途径。然而，如何通过热处理调控发泡行为，获得低密度、高孔隙率的隔热材料，仍需系统研究。本研究旨在利用两种玻璃废料（透明窗户玻璃和市政绿色苏打瓶玻璃）制备地聚合物浆料，并评估其经热处理后的发泡性能，以探索其在建筑隔热和声学绝缘方面的应用潜力。

**2. 研究目的与主要技术方法**

本研究使用透明窗户玻璃（W）和市政绿色苏打瓶玻璃（G）两种废料作为固体原料，经球磨获得粉末（W粉末粒度d_0.5=23.31 μm，比表面积4860 cm²/g；G粉末粒度d_0.5=13.724 μm，比表面积3670 cm²/g）。以37 wt.%硅酸钠溶液（Na₂SiO₃）作为碱性激活剂，分别按液固比（L/S）0.3（W-S）和0.33（G-S）混合制备地聚合物浆料。主要技术方法包括：浆料浇筑成型、60°C养护24 h后室温养护6天；随后在450°C、550°C、650°C和750°C下热处理1 h（升温速率10 °C/min）。采用体积变化（ΔV%）、重量变化（ΔW%）、抗压强度测试、扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）、导热系数（k）测定、表观密度（AD）、孔隙率（%）和吸水率（%）等表征手段。样品来源为实验室合成，无外部样本队列。

**3. 主要研究结果**

**3.1 体积变化**
通过公式（1）计算热处理后的体积变化百分比。结果表明，随热处理温度升高，体积膨胀显著增加：G-S浆料体积变化为64.4%–314.36%，W-S浆料为189.2%–697.4%。体积增长源于多种形态和尺寸的表观孔隙形成，这是典型的发泡行为。W-S浆料在450°C、550°C和750°C热处理后体积变化率显著高于G-S。

**3.2 重量变化**
重量损失通过公式（2）评估。在相同热处理条件下，W-S浆料重量损失为15.1%–17.6%，高于G-S浆料的14.23%–14.49%。W-S在550°C时重量损失最大，而G-S在450°C–750°C范围内重量损失基本恒定。重量损失与硅酸钠-铝酸盐的缺失相关，这是导致材料膨胀行为的原因。

**3.3 抗压强度**
未经热处理的浆料在7天和28天养护后：G-S抗压强度从13.5 MPa增至77.5 MPa，归因于持续的地聚合反应；W-S则从84.25 MPa略降至75.5 MPa。热处理后，两种配方的抗压强度降至0.5–6.39 MPa，表明形成了多孔轻质结构。孔隙率与抗压强度呈反比关系。W-S的抗压强度随热处理温度升高而持续下降，而G-S从550°C至750°C出现轻微回升，这归因于烧结和固化作用。

**3.4 SEM和EDS分析**
SEM图像显示，合成产品中存在各种形状和尺寸的孔隙（黄色箭头标识），大孔壁上分布着小而封闭的圆形孔隙，这些主要来自浆料混合时裹入的空气。450°C热处理后，两种配方均出现大量小孔，表明发泡初始阶段。G-S在550°C开始部分熔融并形成大孔；W-S在550°C和650°C时发泡增强，产生更多更小的孔隙。G-S在650°C和750°C时出现自釉化现象和大孔；W-S在750°C时因初始熔融和相变，孔隙数量少且尺寸小。总体而言，W-S的成孔率高于G-S，这是由于热处理过程中快速反应释放气体所致。EDS分析记录了Na、Mg、Al、Si、Fe、Ca等关键元素，其含量影响地聚合物浆料黏度、反应动力学和孔隙稳定性。

**3.5 导热系数（k）**
W-S浆料的导热系数低于G-S，这与其更高的孔隙率（含多种小尺寸孔隙）相关。孔隙率和孔隙连通性是降低导热系数的主要因素，因为孔隙中充满空气，其导热系数远低于固体材料。高含量小孔有助于提高抗压强度并降低导热性。

**3.6 表观密度（AD）、孔隙率（%）和吸水率（%）**
与W-S相比，G-S浆料的表观密度略有下降，这归因于地聚合过程中的致密化；相反，G-S的孔隙率和吸水率高于W-S，这可能是碱激活剂与固体组分反应过程中释放气体形成孔隙所致。导热系数主要取决于孔隙率、孔径、孔隙分布和连通性。

**4. 讨论与结论**

研究表明，玻璃废料基的地聚合物浆料在450°C–750°C热处理后表现出显著的发泡行为，体积膨胀率最高达697.4%（W-S），抗压强度降至0.5–6.39 MPa，符合轻质多孔发泡材料的特征。W-S浆料因更高的孔隙率和更小的孔隙尺寸，展现出更优的发泡性能和更低的导热系数，有利于隔热应用。G-S浆料在高温下出现烧结和自釉化，有助于提高强度。这些发泡地聚合物可应用于建筑隔热、声学绝缘和防火材料，是一种可持续的环保建材。利用废玻璃制备地聚合物不仅减少了填埋处置的环境污染，还促进了资源效率和循环经济实践。该研究的发现可为当地建筑标准和环境政策的制定提供参考，若力学强度、耐久性和热工性能满足工程要求，这些材料有望在未来建筑规范更新中被纳入传统水泥基产品的生态替代品。总之，玻璃废料在地聚合物体系中的应用展示了将工业和市政废弃物转化为有价值建筑材料的潜力，同时减少碳排放并支持可持续发展。未来研究可探索将飞灰、磨细高炉矿渣或稻壳灰等其他废弃物与废玻璃复合使用，以优化化学组成并提升力学和耐久性能，还需进一步评估玻璃基地聚合物在不同环境条件下的长期性能。