綠色材料-地質聚合物的開發及其在土木工程中的應用

水泥是當今應用最廣的工程材料，其製造過程中的高能耗和二氧化碳的排放也給環境保護帶給很大的問題。全世界大約有5%有二氧化碳的排放是傳統水泥製造業所帶來的。隨著環境保護和可持續發展的要求日益提高，開發新型材料替代傳統水泥的呼聲也日漸高漲。建築材料工業「十三五」科技發展規劃也進一步提出要重點研發混凝土建築材料綠色化技術。近年來地質聚合物的開發和利用受到各國專家學者的廣泛關注。地質聚合物是通過鹼性溶液的激發製備而成的以硅氧四面體與鋁氧四面體聚合而成的具有非晶態和准晶態特徵的三維網路凝膠體，其可以由含有豐富的硅和鋁的工業固體廢棄物（粉煤灰、高爐礦渣、火山灰、穀殼灰等）做為原材料合成。因此，地質聚合物被認為是可以取代傳統水泥的優良綠色凝膠材料。美國路易斯安娜州立大學的劉鎮博士在地質聚合物的開發和利用方面取得了優良的研究結果和進展。

地質聚合物對土體的固化：黃土是一種風積的非層狀的細小顆粒集合體，廣泛分布上北美、歐洲和亞洲。黃土的開放式結構常常導致其在受到水的影響後發生明顯的塌陷，即濕陷。天然黃土的不穩定結構經常導致工程工期的滯後和毀滅性破壞，甚至人員傷亡。因此，工程中常常要對黃土進行加固。傳統的方法主要用水泥和石灰進行處理，但由於水泥和石灰的生產都具有高能耗和排放大量溫室氣體的問題。開發綠色新型的土壤固化材料由此顯得極為重要。以往的研究者嘗試了使用粉煤灰對黃土進行固化，但是發現固化後的黃土在耐久性和長期性能上，比如乾濕耐久性和凍融行為特性，並不理想。通過對黃土和地質聚合物的綜合研究，劉博士將地質聚合物在黃土固化中取得成功，並且測試分析結果表明地質聚合物凝膠的粘合效應可以顯著提高黃土的力學性質。

地質聚合物對廢舊混凝土的回收：為了進一步促進綠色膠凝材料地質聚合物在土木工程中的應用，劉博士使用地質聚合物進行了廢舊混凝土回收方面的研究並開發出了全綠色的再生混凝土，研究發現在干拌法的工藝條件下不具有顯著新過渡界面區的再生混凝土可以成功開發出來。

地質聚合物在防火方面的性能：近期，劉博士及其合作者在國際頂級期刊Construction and Building Materials上發表了另一篇關於地質聚合物作為綠色防火材料的性質特徵研究成果。其研究表明合成的地質聚合物在高溫加熱後進行水冷處理依然具有良好的防剝落性能。

目前的這些研究綜合表明地質聚合物是具有優良性能和廣泛應用潛能的可以替代傳統水泥的綠色凝膠材料。

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