碾压地聚合物Geopolymer：再生骨料的绿色革命

“含再生混凝土骨料的碾压土聚物混凝土的可行性”项目概述和初步结果。由路易斯安那大学拉斐特分校的 Sk Syfur Rahman 先生和 Mohammed J. Khattak 博士介绍。

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大家好，我是Sephiron。今天我将介绍我们进行的一项研究，探讨使用再生骨料的碾压地聚合物混凝土的可行性。我是研究生，研究在路易斯安那拉斐特大学的Muhammad Jamal博士指导下完成。感谢交通会议组织者提供展示我们工作的机会。

每年，美国产生大量建筑和拆除废料。据环境保护署（EPA）估计，仅2015年就产生了约5.48亿吨建筑和拆除废料，其中主要部分是再生混凝土骨料。这些废料来自含波特兰水泥的混凝土路面和基础设施，造成存储问题和环境污染。

由于再生骨料的强度和耐久性较低，其用途限于填埋、低等级基层或次基层，有时也少量用于波特兰水泥混凝土。例如，粗再生骨料使用比例最高为30%，细骨料最高为10%至20%。最大化利用这些材料不仅能降低建筑成本，还能解决存储和环境污染问题。

研究人员尝试以不同方式使用再生骨料，例如在波特兰水泥sterile中使用碳纳米纤维、粉煤灰等添加剂，或在地聚合物混凝土中使用不同级配的再生骨料、不同碱液浓度和波特兰水泥结合物。尽管发现了一些可接受的性能，但仅在少量使用再生骨料时有效。上述研究未报告强度和耐久性的显著改进，无法将再生骨料作为常规混凝土中天然骨料的100%替代品。原因在于，再生骨料表面覆盖旧砂浆，导致其与水泥粘结界面较弱。

因此，我们提出了一种不同的混凝土——碾压地聚合物混凝土。碾压混凝土在铺设后进行压实，其强度来自骨料与水泥粘结剂的粘结力，以及骨料之间的摩擦和互锁。由于传统水泥生产会产生二氧化碳，我们使用基于粉煤灰的地聚合物水泥，以减少水泥使用，降低二氧化碳排放。

研究的目的是探索碾压地聚合物混凝土的可行性，具体目标是评估不同养护条件对其力学性能的影响。测试包括无侧限抗压强度（UCS）、半圆弯曲梁强度、动态模量测试，以及通过X射线衍射进行微观结构分析和冻融耐久性测试。

碾压混凝土使用与常规混凝土相同的材料和养护要求，骨料级配类似于沥青路面，但采用沥青路面的压实技术。其承载能力来自骨料压实产生的摩擦力和粘结剂的水化反应。碾压混凝土施工速度快，无需模板或表面处理，无需钢筋或连接杆，成本低于常规混凝土，适用于多层路面。

地聚合物水泥通过粉煤灰与碱液（主要是氢氧化钠和硅酸钠）的化学反应形成聚合物，经养护后形成坚固的水泥粘结剂。本研究使用的材料包括F类低钙粉煤灰和从当地承包商收集的再生骨料，其级配符合美国混凝土路面协会推荐的下限级配。使用的碱液为氢氧化钠和硅酸钠的混合物。

粉煤灰和再生骨料的元素分析显示，粉煤灰含有大量氧化铝和二氧化硅，适合地聚合反应；再生骨料含有大量钙化合物，主要来自水泥水化产物。X射线衍射分析证实了石英、莫来石和方解石的存在。

样品制备遵循ASTM C1435标准，将再生骨料和粉煤灰混合后加入碱液，样品在铸铁模具中分三层使用振动锤压实。实验变量包括养护时间（24、48、72小时），烘箱养护温度（25、40、60摄氏度），以及环境养护时间（14、28、56天）。测试包括无侧限抗压强度、半圆弯曲梁强度、动态模量、耐久性和X射线衍射。

首先，通过改进普氏试验确定最佳碱液含量或湿度含量，使用四种不同碱液含量，绘制干密度与碱液含量的曲线，选取对应最大干密度的碱液含量（最佳湿度含量，OMC）。随后，样品在25、40、60摄氏度下养护，观察到随温度升高，强度增加。因此，选择60摄氏度作为烘箱养护的指定温度，与项目其他实验一致。在60摄氏度下，测试三种养护时间，发现48小时后强度不再增加，因此选择60摄氏度、48小时作为加速养护方法。

环境养护测试了14、28、56天，发现强度分别达到烘箱养护最大强度的60%、70%和82%。预计再延长几周养护可达到100%强度。使用半圆弯曲梁强度测试验证切向强度，发现在最佳湿度含量下强度最高，偏离最佳值时强度降低。

动态模量测试显示结果不受加载频率影响，表明该材料在室温下不呈现粘弹性行为。冻融耐久性测试结果满意，样品长度变化小于1%，300次循环后动态模量保持超过60%。冻融测试将温度在2至5小时内从-12摄氏度升至12摄氏度，再反向变化。

X射线衍射结果显示存在钠铝硅酸盐（霞石）和钙钠铝硅酸盐（钾长石），这些是地聚合物的化合物。结论是，随着烘箱养护温度升高，抗压强度和弹性模量增加，加速养护方法为60摄氏度、48小时。环境养护在28天内显著提高强度，动态模量不受加载频率影响，表明材料在25摄氏度下非粘弹性。最佳湿度含量下半圆弯曲梁强度最高，材料通过耐久性测试，X射线衍射证实了地聚合物的形成。

建议进一步研究材料的抗折强度和间接拉伸强度，以及其他耐久性测试，如硫酸盐侵蚀或渗透性测试。

感谢路易斯安那拉斐特大学及基础设施材料测试实验室提供设施，感谢Boral材料技术公司提供粉煤灰，感谢Mark LeBlanc、Shane Faircloth和Payton Billy在实验中的协助。

谢谢。

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