一次性掺水地聚合物砂浆中高效减水剂的性能评估

为变暖地球打造更清洁的建筑

混凝土是现代城市的骨架，但将其粘结在一起的水泥伴随巨大的气候代价。本研究探讨了一种新型低碳“一次加水”粉末，有望在许多用途上替代普通水泥。通过用特殊的流动增强粉末调整配方，研究人员表明可以制成更环保、现场更易施工、强度足以承担结构性工作的粘结材料，而且成本低于当前标准水泥。

从工厂废料到建筑砖块

该团队没有依赖新烧制的石灰石，而是用工业残余物制备粘结材料：来自炼钢的粒化高炉矿渣，以及天然的硅藻土和长石。这些粉末用固体钠盐活化，因而加水后能形成一种类似石头的硬性网络，称为地聚合物。关键在于所有原料在工厂内干混。现场施工人员只需像拌普通干砂浆袋那样加水。这种“一次加水”方法避免了处理强碱性液体化学品，简化了物流，并更适合大规模或偏远工程。

让粘稠的混合料像新鲜面糊一样流动

地聚合物的一大障碍是它们通常粘稠且难以浇筑。为了解决这一问题，研究人员测试了两种粉末状高效减水剂——这类化学助剂被广泛用于在不增加水量的情况下提高混凝土流动性。一种基于磺化萘醛（SNF），另一种为更现代的聚羧酸醚（PCE），按粉料质量的0.5%至2.5%掺入干燥粘结料中。随后测量了新拌砂浆在流动台上的扩展性及其凝结所需时间。仅掺1% SNF时，混合料的扩展几乎是未加助剂版本的三倍，达到了与普通硅酸盐水泥砂浆相近的流动性，同时仅使凝结时间略有延长。

可媲美普通水泥的强度与韧性

团队铸造了小块和梁试件，测试了7天和28天的抗压、抗弯和劈裂强度，并使用超声波脉冲和回弹锤等无损方法检测内部质量。表现最为突出的仍是含1% SNF的配方：其28天抗压强度约为54兆帕，较未加助剂的同类地聚合物高出约15%，并明显高于常见结构级水泥的43兆帕基准值。抗弯和抗拉强度也略有提升，超声波测得的速度表明内部更致密、更均匀。在较高SNF掺量时，强度开始下降，表明超过最佳剂量后，过度分散会产生更多孔隙和微裂纹。形成鲜明对比的是，所有含PCE的配方强度均下降——在最高掺量时下降近一半，并显示出较低的超声速和回弹值，指向更弱、更多孔的基体。

探究为何一种助剂有效而另一种失败

为理解这些性能差异背后的化学机制，研究人员考察了助剂在强碱性地聚合物环境中的行为。表面电荷（ζ电位）和溶液中碳含量的测量表明，SNF能强烈吸附到反应性颗粒上，促进良好分散。红外光谱确认SNF的关键官能团在碱性混合物中保持完整。相比之下，PCE带有更强的负电荷，导致其难以粘附到同样带负电的颗粒上，且其分子结构在碱性溶液中部分降解。X射线衍射和电子显微镜的结果支持上述结论：经SNF改性的砂浆形成了连续、富凝胶的网络且空隙相对较少，而PCE配方显示出碎片化的凝胶、未反应的颗粒和大量孔隙。

更低成本与迈向更绿色建筑的路径

由于大量依赖廉价副产物以及适量的化学活化剂和SNF，经优化的一次性干混地聚合物粘结料估算每公斤成本比标准硅酸盐水泥低16–25%，同时在强度上能匹配或超越其表现。与此并行，它避免了驱动水泥高碳排放的高能熟料窑。研究表明，采用合适的粉末助剂和精确掺量，干混地聚合物可以变得既强大、又适于施工，足以满足现实建筑工地的需求——为我们基础设施所依赖的混凝土提供一种更清洁、更经济的替代途径。

引用: Poojalakshmi, E.S., Nagarajan, P., Sudhakumar, J. et al. Performance evaluation of superplasticizers in one part geopolymer mortar. Sci Rep 16, 10892 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45408-1

关键词: 地聚合物水泥, 低碳混凝土, 高效减水剂, 建筑材料, 工业副产物