利用硅酸钠在低温固化条件下回收粘土砖中的粉煤灰和废橡胶颗粒

本研究利用硅酸钠活化飞灰和碎橡胶制备低温养护黏土砖，测试不同配比对抗压强度、吸水率等的影响，发现25%飞灰+1%碎橡胶+10%硅酸钠时抗压强度最高达11.7MPa，热导率低且满足环保要求。

　　
本研究旨在探索在低温养护条件下，利用钠硅酸盐作为固化剂，将粉煤灰（FA）和橡胶碎屑（CR）掺入粘土砖中，以提高其力学性能并减少对环境的影响。研究团队通过调整FA与CR的配比（FA为5%-25%，CR固定为1%），并采用2.5%-10%的钠硅酸盐作为固化剂，系统评估了不同配比对砖体抗压强度、吸水率、线性收缩、初始吸水速率及热导率的影响。此外，结合扫描电镜（SEM）和电子探针（EDS）分析，揭示了材料微观结构的变化规律及其与性能的关联性。

### 研究背景与意义
传统粘土砖生产需高温烧结（通常超过800℃），不仅消耗大量煤炭（每百万块砖需200吨煤），还会产生大量二氧化碳。全球每年产生的粉煤灰和废旧轮胎（橡胶碎屑来源）中，仅澳大利亚就有约4.8万吨粉煤灰和4800万条轮胎被填埋。这一现象不仅加剧环境污染，还造成资源浪费。因此，利用工业废料替代天然粘土和燃料，开发低能耗、环保的新型建筑材料，成为当前研究的热点。

钠硅酸盐作为新型固化剂，因其快速溶解和反应特性，在 geopolymers（地聚物）领域备受关注。研究表明，钠硅酸盐可促进粉煤灰中的铝硅酸盐活性成分与水发生反应，形成N-A-S-H凝胶，从而增强材料强度。但传统固化剂（如氢氧化钠）成本较高，而钠硅酸盐在反应过程中可释放大量热量，可能引发材料内部应力集中。因此，如何平衡固化剂用量与材料性能成为关键问题。

### 材料与方法
研究团队选取澳大利亚本地资源，包括Swinburne大学提供的粘土、Boral资源公司的粉煤灰，以及澳大利亚轮胎回收商提供的橡胶碎屑。粘土与粉煤灰的化学成分显示，粘土富含二氧化硅（58.8%）和氧化铝（25.6%），而粉煤灰的二氧化硅含量更高（65.8%），且铝硅酸盐比例更优，适合作为活性材料。橡胶碎屑的粒径控制在4.75毫米以下，以避免因颗粒过大导致抗压强度骤降。

实验采用两阶段热处理：第一阶段在60℃预养护72小时，去除材料内部水分；第二阶段升温至160℃养护24小时，完成凝胶化反应。模具尺寸为230×110×38毫米3，通过机械加压（15兆帕）确保材料密实。钠硅酸盐的掺入量从2.5%逐步提升至10%，以观察其对材料性能的优化作用。

### 关键实验结果
1. **抗压强度**
在钠硅酸盐掺量为10%、FA掺量为25%、CR掺量为1%时，抗压强度达到11.7兆帕，显著优于传统粘土砖（约9.8兆帕）。对比发现，钠硅酸盐掺量不足（如2.5%）会导致材料孔隙率过高，强度不足；而掺量过高（如10%）可能因局部未反应的钠硅酸盐残渣形成微裂纹，反而降低强度。此外，CR的掺入量超过1%会因其疏水性导致材料内部结构松散，抗压强度下降。

2. **吸水率与线性收缩**
吸水率是衡量砖体耐久性的重要指标。研究发现，掺入5%-25% FA和1% CR的砖体吸水率均低于15%（ASTM标准要求），其中10% FA与1% CR组合的吸水率为11.2%，接近传统砖体的水平。但线性收缩率随FA掺量增加而上升，最高达4.7%（25% FA时），表明材料在固化过程中体积稳定性较差，可能与钠硅酸盐反应释放的热量导致局部膨胀有关。

3. **微观结构分析**
通过SEM和EDS分析发现，钠硅酸盐与FA的活性成分反应生成N-A-S-H凝胶。例如，10% FA与1% CR组合时，Na/Si原子比达到1.38，表明形成了稳定的凝胶结构。而25% FA与1% CR组合的Na/Si比高达4，可能因硅源不足导致反应不完全，反而形成孔隙率较高的结构。EDS检测显示，钠硅酸盐的分布与材料强度直接相关：当Na/Si比接近0.3时，凝胶均匀填充孔隙，显著提升强度；比值过高则可能导致凝胶过度堆积，形成应力集中点。

4. **热导率性能**
研究发现，掺入FA和CR的砖体热导率普遍低于1.4 W/m·K（传统粘土砖标准上限），表明其具有优异的隔热性能。然而，当FA掺量为10%且钠硅酸盐为10%时，热导率异常升高至1.65 W/m·K，可能与局部未反应的钠硅酸盐残渣形成导电通路有关。这一现象提示需进一步优化反应条件，例如控制预养护温度或延长养护时间。

### 环保与经济效益
研究团队通过成本分析表（表4）指出，使用钠硅酸盐固化剂可将砖体成本从传统工艺的0.90澳元/块降至0.75澳元/块，降幅达16.7%。其中，粉煤灰成本为15澳元/100公斤，橡胶碎屑为65澳元/100公斤，而钠硅酸盐成本较高（96.14澳元/10升），但通过优化配比（10%钠硅酸盐+25% FA+1% CR），可摊薄成本。按每百万块砖计算，全生命周期碳减排量可达约24%。

### 研究局限与展望
当前研究未深入探讨材料微观结构的长期稳定性，例如N-A-S-H凝胶在湿度变化或冻融循环中的耐久性。此外，钠硅酸盐的过量使用（如10%）可能导致局部区域未反应的硅酸盐残留，需进一步研究如何通过调节养护温度或添加其他激发剂（如铝酸盐）来优化反应进程。未来研究可结合XRD分析结晶相，明确不同配比下材料的主导相类型（如莫来石或方石英），为性能预测提供理论依据。

### 结论
该研究验证了在低温养护条件下，通过合理配比钠硅酸盐、粉煤灰和橡胶碎屑，可制备出兼具高强度（11.7 MPa）和良好隔热性能（0.28-0.87 W/m·K）的环保砖体。最佳配比为10%钠硅酸盐、25%粉煤灰和1%橡胶碎屑，其成本较传统砖体降低16.7%，且可减少约24%的碳排放。这一成果为工业固废资源化利用提供了新思路，尤其适用于气候炎热、能源需求高的地区建筑项目。