火山凝灰岩作为地聚合物合成的可持续前驱体：优化与微观结构洞察

将火山岩转化为更环保的建筑块材

混凝土无处不在，但把混凝土黏合在一起的水泥在生产过程中会排放大量二氧化碳。这项研究探讨了一种来自阿尔及利亚的常见火山岩——凝灰岩，能否在合适的活化条件下转化为一种强韧、低碳的胶结料，以在未来建筑中替代部分传统水泥。

从似灰的岩石到类水泥的胶结料

研究人员聚焦于来自阿尔及利亚东北部采场的火山凝灰岩。该岩石天然富含二氧化硅和氧化铝，这些成分在与碱性液体反应时可以形成坚硬、类石的网络。首先对凝灰岩进行干燥、精细粉磨并做化学分析。试验表明其符合国际上对反应性“火山灰质”材料的标准，意味着它能与碱性溶液反应生成类水泥胶结料。随后团队将凝灰岩粉末与氢氧化钠和水玻璃溶液混合，制成所谓的地聚合物浆料，浆料固化后形成固体材料。

调配配方以获得强度

团队没有逐一改变单个成分，而是采用统计设计方法高效搜索多种可能组合。他们改变了四个关键因素：氢氧化钠的浓度、额外溶解二氧化硅的添加量、养护温度和溶液与固体凝灰岩的比率。将小样浇注成型后在室温或更高温度的烘箱中养护，然后压碎以测定抗压强度，这是一种评估材料承载能力的简单手段。

找出最重要的因素

分析显示，养护温度对强度影响最大，其次是激发剂溶液中添加的二氧化硅量以及液固比。将养护温度从室温提高到60°C和80°C显著提高了强度并使结果更为一致。溶液中更高的二氧化硅含量也有助于增强材料硬化过程中形成的内部网络。相比之下，超过某一程度的液体添加会削弱材料，可能因为过多水分蒸发后留下了额外孔隙。只要氢氧化钠浓度保持在中等范围内，其精确值对强度的影响小于上述因素。

观察新石材的内部结构

为了解为何某些配比更坚固，团队使用了多种手段观察固化材料的内部。X射线衍射和红外光谱表明，成功的配方生成了大量玻璃质、凝胶状相来粘结颗粒。电子显微镜图像显示，表现最佳的样品具有致密且无裂纹的组织，凝灰岩颗粒之间的空隙被该凝胶填充。较弱的样品，尤其是室温养护且二氧化硅含量较低的样品，显示出更多未反应的颗粒、更大的孔隙和可见裂纹，这些都会降低强度。

优化出实用配方

通过数学“可取性”方法，研究人员确定了一组被预测为能提供特别高强度的成分与养护条件。该优化配方包括相对浓缩的碱性溶液、高二氧化硅含量、适中液量以及在80°C下养护。实验室测试表明，该配方的实测强度接近预测值，证实了优化方法的可靠性，并证明阿尔及利亚火山凝灰岩确实可以形成稳健的地聚合物胶结料。

对未来建筑的意义

对非专业读者来说，关键信息是：一种在阿尔及利亚广泛开采、易得的天然岩石，在用合适的碱性溶液和热处理活化后，可以转化为一种强韧的类水泥材料。虽然仍需进一步评估长期耐久性和大规模生产的可行性，但这项研究表明火山凝灰岩有望减少对传统水泥的依赖，降低未来建筑与基础设施的气候影响。

引用: Boumaza, A., Khouadjia, M.L.K., Belebchouche, C. et al. Volcanic tuff as a sustainable precursor for geopolymer synthesis: optimization and microstructural insight. Sci Rep 16, 14932 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44923-5

关键词: 火山凝灰岩, 地聚合物, 低碳混凝土, 养护温度, 可持续建筑