采用定制配比方法优化的人工骨料地聚合物混凝土的力学和耐久性能

将建筑废料变成坚固的新建筑

混凝土随处可见，但按传统方式生产会释放大量二氧化碳并消耗优质砂石。该研究探讨了如何将工业剩余物和拆除碎片转化为一种新的混凝土——称为地聚合物混凝土——这种材料既能具有相当的强度和更高的耐久性，又有助于清理废弃堆场并降低建筑的气候影响。

来自废弃物而非采石场的构件

研究人员致力于用基于废料的材料替代几乎所有传统混凝土成分。他们用燃煤电厂的粉煤灰和细磨废玻璃作为胶凝材料，代替普通水泥。取代河砂和碎石的是在实验室中用粉煤灰和玻璃制成的人造粗骨料，这些骨料被切割成锐利的角状颗粒，比圆润卵石更易相互咬合。类似砂的组分则来自拆除建筑中破碎的混凝土。这些粉料和骨料用高浓度碱性溶液激活，使其能够硬化成类似岩石的整体。

设计合适配方，而非盲目试验

研究团队没有靠反复试错，而是使用了一种称为响应面法的统计方法——类似于以可控方式尝试许多配方微调，然后用数学找出最佳组合。他们调整了活化液与粉煤灰的比例，并改变两种化学品（氢氧化钠和硅酸钠）的用量。共制备并测试了二十种不同配比，测量新拌时的流动性、抗压与抗弯强度，以及抗水性和抗酸性表现。一个特殊的“中心复合”试验方案使研究人员能够描绘出这些成分之间的相互作用，并建立方程来预测那些未实际浇筑配合物的性能。

更强的混凝土与更少的开裂

优化配方在活化剂与粉煤灰比为0.6时达到最佳。此时，混凝土的抗压强度约为44兆帕——处于结构构件常用范围内——抗弯强度约为5.2兆帕，略优于传统对照配合物。当该比例进一步提高时，强度反而下降，因为过多的化学液体会形成更为多孔的内部结构。超声测试（向硬化混凝土中发射声波）显示最佳配合物致密且粘结良好。将抗弯强度和劈裂抗拉强度与抗压强度联系起来的数学模型拟合度超过0.99，足够准确，使未来设计者只需一种测试就能估算出多种性能。

在严苛化学环境中的表现

鉴于许多实际构筑物暴露于侵蚀性环境，团队检验了其地聚合物配合物在硫酸中的行为——这是对任何混凝土的严峻测试。样品先在水中养护，然后再浸入3%的酸溶液中四周。最佳地聚合物配方仅在波速和抗氯离子渗透性方面出现温和下降，这些指标都反映了内部损伤程度。其表现明显优于普通混凝土对照。显微成像揭示了原因：在优化配方中，致密的凝胶紧密包裹着人造角状骨料和回收细料，留下的孔隙更少，减少了裂缝和化学侵蚀扩展的空间。废玻璃提供了额外的二氧化硅，有助于形成这一紧密网络。

从实验室图表到实际结构

在高倍观察材料内部时，研究人员发现人造石料与周围胶结体之间存在稳健的过渡区；这一区域常常是传统混凝土的薄弱环节。然而在此处，骨料与基体都参与同一地聚合反应，形成一种半整体化的体，微裂缝较少。研究结论认为，这种定制配方——由粉煤灰、磨细玻璃、全人工粗骨料和拆除废砂组成——可以在许多非预应力结构构件、路面、预制块和必须抵抗酸盐侵蚀的基础设施中替代标准混凝土。与此同时，它将废料从填埋场转移，减轻对天然砂砾的压力，并降低建筑的隐含碳排放，指向更坚固且更可持续的城市建设。

对未来建筑的意义

对普通读者来说，结论很明了：有可能将昨日的废墟和工业副产品转化为明日的建筑，而不牺牲强度或耐久性。通过精心调整“配方”并理解微小内部结构的行为，工程师可以设计在恶劣条件下寿命更长且更少依赖原始材料的混凝土。这项工作使可持续混凝土更接近在实际工程中的日常应用。

引用: Kurzekar, A.S., Waghe, U., Ansari, K. et al. Mechanical and durability performance of optimized geopolymer concrete with manufactured artificial aggregates using a tailored mix design method. Sci Rep 16, 6853 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36345-0

关键词: 地聚合物混凝土, 建筑废料, 人工骨料, 可持续材料, 耐久基础设施