Mechanical and physicochemical performance of calcined kaolin based alkali activated compressed lateritic earth blocks versus Portland cement stabilization at early age
本研究表明，煅烧高岭土基地聚合物可作为稳定压缩红土土块的一种可行的低碳替代方案，以替代波特兰水泥，其在早期阶段表现出更优异的抗压强度和抗水性，尽管波特兰水泥在抗折性能方面仍保持优势。
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在世界许多地方，建造房屋最实用的方法就是利用土地本身。压缩土块（本质上是由被紧密压入模具中的土壤制成的砖块）为烧结粘土砖或混凝土提供了一种低成本且可持续的替代方案。然而，原始土壤强度较弱，遇水后会破碎，因此建筑师传统上会加入一种粘合剂来使其保持稳固。几十年来，标准选择一直是普通波特兰水泥，这种材料会硬化成类似石头的结构，但由于其生产过程中会释放大量的二氧化碳，因此带来了沉重的环境代价。随着世界寻求更绿色的建筑方法，科学家们将注意力转向了一种不同类型的粘合剂：地质聚合物。这种材料是通过将当地粘土与强碱溶液混合而成的，通过触发化学反应，使粘土变成一种坚硬的、类岩石物质，而无需经过高温烧制。研究人员面临的问题是，这种新的、低碳的方法是否真的能达到传统水泥的性能水平，尤其是在这些建筑最需要的潮湿热带气候中。
一支由喀麦隆和德国研究人员组成的团队着手通过直接比较两种类型的稳定土块来回答这个问题。他们采用了一种在当地很常见的名为红土的特定类型富含粘土的土壤，并以两种不同的方式对其进行处理。对于第一组土块，他们将土壤与普通波特兰水泥混合；对于第二组，他们使用了一种由高岭土（一种经过高温加热使其具有化学反应性的粘土）与液体碱溶液混合而成的地质聚合物粘合剂。他们制造了含有不同比例粘合剂的土块，比例范围从总重量的5%到10%，并使用重型机器将其压成固体形状。在让土块放置并硬化一到两周后，团队对其进行了一系列严格的测试，以观察其强度、吸水率以及在显微镜下的内部结构。
结果显示，根据最看重哪种强度，性能表现出现了明显的差异。当研究人员测试土块在破碎前能承受多少重量时，地质聚合物土块被证明是更强的竞争者。在最高粘合水平（10%）且经过两周养护后，地质聚合物土块在干燥状态下可以承受10.62兆帕的压力，甚至在浸泡在水中后仍能达到令人印象深刻的10.12兆帕。相比之下，相同水平下的水泥土块在干燥时只能承受8.12兆帕，而在潮湿状态下则降至6.75兆帕。这种差异非常显著，因为它表明地质聚合物土块不仅初始强度更高，而且在暴露于水分时表现得更为稳固，损失极少强度。然而，水泥土块在潮湿时强度下降明显，这表明它们更容易受到暴雨引起的侵蚀和破坏。
当研究人员测试土块的柔韧性，即其在不折断的情况下弯曲的能力时，情况发生了变化。在这一领域，传统的水泥土块占据了领先地位。水泥稳定土块可以承受4.22兆帕的弯曲力，而地质聚合物土块仅能达到2.81兆帕。这表明，虽然地质聚合物创造了一种非常坚硬且致密的材料，能够抵抗挤压，但它更脆，且较难应对可能在地震或地面不均匀沉降期间发生的扭转或弯曲力。相比之下，水泥保留了更多的柔韧性，使其能够吸收应力而不易破裂。
为了理解这两种材料为何表现得如此不同，团队使用能够揭示原子和分子排列的专业成像工具观察了土块内部。他们发现，水泥土块包含了预期的水泥水化产物，以及一些由于制砖时用水量较低而未完全混合的未反应水泥颗粒。然而，地质聚合物土块展示了不同的内部景观。它并不含有水泥晶体，而是含有一种致密的、无定形的凝胶——这种物质缺乏刚性的晶体结构，但能将土壤颗粒紧密结合在一起。这种凝胶的形成是因为经过热处理的高岭土与碱性溶液发生反应，创造了一个新的三维网络。这个网络极其有效地填充了土壤颗粒之间的微小间隙，使得地质聚合物土块比水泥土块更致密且孔隙率更低。它们吸收的水分也显著减少，表现最好的地质聚合物样本吸水量仅约为其重量的9%，而水泥样本则接近12%。
研究结论认为，没有任何一种材料能在所有情况下都完美地取代另一种，但地质聚合物为特定需求提供了极具吸引力的替代方案。对于降雨频繁的热带地区建筑师来说，地质聚合物土块提供了优异的抗水损能力和更高的抗压强度，使其成为需要保持干燥和稳固的承重墙体的理想选择。然而，对于需要具备柔韧性或抵抗弯曲力的应用场景，传统水泥仍然具有优势。该研究表明，通过使用当地材料和低碳化学工艺，可以创造出不仅环保而且在耐久性和水稳定性方面技术上更优越的土块。这项工作表明，这些地区可持续住房的未来可能在于为不同的任务选择合适的粘合剂，而不是依赖单一的通用解决方案。
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