Effect of activator composition on strength evolution and silicon-oxygen network reconstruction of rice husk ash-based sodium silicate-activated waste glass powder cementitious materials
本研究表明，在不同模数下制备的稻壳灰基硅酸钠盐活化废玻璃粉胶凝材料中，模数为1.5时通过优化早期网络解聚与后期缩聚之间的平衡（由桥氧比例的显著增加所证实），可获得最高的28天抗压强度（39.6 MPa）。
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在现代世界中，建筑业面临着双重挑战：它既必须寻找方法建造更坚固、更耐用的结构，同时又必须减少传统水泥生产所留下的巨大碳足迹。与此同时，城市正在产生大量的固体废弃物，尤其是玻璃，这种物质不会腐烂或自然分解，往往最终填满了垃圾填埋场。科学家们早已知道，破碎的玻璃可以作为混凝土中部分砂石的替代品，但仅仅将其混合进去并不能使其变得坚固。为了将废弃玻璃转化为一种将建筑物连接在一起的粘结材料，研究人员使用了一种称为“碱激发”的过程。这涉及将玻璃粉与高碱性液体混合，这种液体就像一种化学溶剂，能够分解刚性的玻璃结构，然后将其重新组装成一种新的固体凝胶。这一过程的关键在于液体激发剂本身。如果液体过强，它会迅速分解玻璃，但随后可能没有足够的构建单元来形成一个强大的网络；如果液体过弱，它最初就无法有效地溶解玻璃。寻找这种完美的平衡对于创造一种既环保又具有机械强度的材料至关重要。
中国衢州的一支研究团队致力于利用两种特定的废弃材料来解决这一平衡难题：废弃玻璃粉和稻壳灰。稻壳灰是稻米加工过程中的副产品，富含二氧化硅，而二氧化硅正是玻璃和沙子中的主要成分。研究人员并没有购买昂贵的商业化学品来激活玻璃，而是通过将稻壳灰溶解在氢氧化钠溶液中，制造出了这种自制的液体激发剂。随后，他们将这种自制液体与废弃玻璃粉混合以制成浆料。为了了解配方如何影响最终强度，他们准备了三个不同的批次。在每个批次中，他们保持玻璃量不变，但改变了液体激发剂中各成分的比例。其中一个批次的硅与钠比例较低，另一个比例中等，第三个比例较高。然后，他们测试了这些材料在一周后和四周后的硬度。
结果揭示了材料随时间发展的清晰规律。在短短一周后，硅比例最低的批次强度最高，达到了31.4 MPa。这是因为该混合物中较高浓度的碱性成分非常迅速地分解了玻璃网络，从而使其早期硬化。然而，随着时间的推移，情况发生了变化。到四周时，硅比例中等的批次脱颖而出，成为了明显的胜者，其抗压强度达到了39.6 MPa，显著高于其他两组。拥有最多构建单元的最高硅比例批次最终处于中间水平，而起初表现强劲的那个批次则降至组内最低强度。这种转变表明，虽然强力的初始化学攻击有助于材料快速凝固，但长期强度取决于是否有足够的溶解二氧化硅来随着时间的推移构建一个致密且互连的网络。
为了理解为什么会发生这种情况，研究人员利用先进的成像工具观察了材料内部，这些工具可以观察原子的排列和化学键的结构。他们发现，该过程并没有产生任何新的晶体；相反，玻璃转化成了一种无序的、非晶态的固体，这与原始玻璃非常相似，但内部结构有所不同。通过分析化学键，他们测量了“桥联氧”原子的比例，这些原子是连接硅原子以形成强大的三维网络的纽带。在一周时，硅比例最低的混合物拥有最多的这些连接，解释了其早期的强度。但到了四周，中等比例的混合物发展出了最高的桥联连接数，达到了63.25%。这种连接数量的增加直接对应于强度的提升。硅比例最低的混合物由于过早耗尽了构建单元，无法形成更多的连接；而最高硅比例的混合物则由于溶解速度不够快，无法充分利用这些额外的构建单元。只有中等比例的混合物成功实现了玻璃溶解与连接形成的同步进行，从而创造了最强的结构。
这项研究表明，通往更坚固、更绿色建筑材料的路径不在于最大化某种单一成分，而在于寻找化学反应速度与建筑材料供应之间的精确平衡。通过使用稻壳灰来制造激发剂，研究人员展示了将两种不同类型的废弃物转化为高性能水泥替代品的可能性。研究结果表明，对于这种特定的材料组合，激发剂中适量的二氧化硅能为玻璃溶解并重新组装成致密、耐用的网络提供最佳环境。这种方法为将世界上日益增长的玻璃堆和农业废弃物转化为有价值的资源提供了一个实用的蓝图，证明了正确的化学配方可以将曾经被视为垃圾的东西转化为构建未来的基石。
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