近日,四川农业大学土木工程学院“固废重生”团队成功研发出一种基于铁尾矿和偏高岭土的固废地质聚合物建材,为推动绿色建材3.0发展提供了新的思路和实践路径。该团队以孙伟茗、王心怡等10名学生为核心,经过5年潜心研究,实现了从工业废渣到高性能建筑材料的“华丽转身”。
研发背景:传统建材的环境困境与绿色转型需求
传统建筑材料,尤其是水泥基材料,面临着严峻的环境挑战。水泥生产过程中产生的二氧化碳排放量占全球人类活动碳排放的5%,而中国水泥行业二氧化碳排放量占全国总排放的12%。此外,水泥行业的能源结构以燃煤为主,煤炭燃烧产生的CO₂排放也是水泥行业碳排放的重要组成部分。同时,对河砂和石子的大量需求导致环境破坏,包括洪水、水土流失和水源破坏。而有机建筑材料则存在火灾安全隐患和环境污染问题,如聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫等材料的可燃性增加了火灾风险,并在燃烧时释放有毒烟雾和气体。
在国家大力推动绿色建筑和低碳转型的背景下,开发低成本、高性能的绿色建材对于提升建筑行业的可持续发展至关重要。四川农业大学“固废重生”团队敏锐地捕捉到这一需求,以铁尾矿为核心原料,制备符合绿色建材3.0标准的地质聚合物材料,旨在推动村镇建设向低碳、环保方向转型,降低传统建材的使用成本,提升农村建筑的生态效益。
技术创新:固废地质聚合物建材的三大技术突破
1. 制备技术创新:碱激发与酸激发技术的结合
“固废重生”团队针对尾矿资源的高效利用,重点研究了地质聚合物的碱激发技术与酸激发技术。碱激发技术利用氢氧化钠等碱性激发剂对尾矿进行活化,形成高强度的地质聚合物,具备良好的抗压强度和耐久性;而酸激发技术通过磷酸等酸性介质激发尾矿中的活性成分,进一步探索其在特殊环境中的应用潜力。通过优化激发剂种类、配比及反应条件,团队形成了一套具有自主创新的技术路线,推动尾矿资源在建筑材料领域的高值化应用。
图 1 酸激发技术概念图
2. 改性技术创新:发泡技术与多级孔结构的构建
在改性技术方面,团队对尾矿基地质聚合物运用发泡技术,重点突破发泡剂的选择与用量控制、气泡结构的均匀性及固化过程中的稳定性等技术难题。通过优化化学发泡剂或物理发泡剂的配比,确保气泡在基质中均匀分布并保持稳定,以获得轻质高强的泡沫材料。此外,团队还研发了一种可在珍珠岩基地质聚合物材料中形成多级孔结构的方法——常温发泡+热处理方法。这种多级孔结构使材料的导热系数和密度显著降低,进一步提升了材料的保温性能和力学强度。
图 2 材料孔隙结构模型图
3. 预测技术创新:机器学习模型的应用
基于尾矿基地聚物加固材料,团队开发了ELM–GWO模型强度预测模型,拟合度高达95%,能够在已知材料成分的情况下预测材料强度。同时,团队还构建了与孔隙分形系数有关的门格尔海绵模型,用于预测材料的有效导热系数,误差低至3%。这一技术充分发挥了计算机技术在材料性能预测上的优势,为材料的研发和应用提供了科学依据。
应用成果:从实验室到实际工程的广泛落地
“固废重生”团队的研发成果不仅在实验室取得了显著成效,更在实际工程中得到了广泛应用。目前,该团队的固废地质聚合物建材已在多个项目中落地实施,展现出广阔的应用前景。
1. 农房改建与灾后重建
在达州市开江县淙城街道等地的农房改建工程中,团队研发的“固废重生”建筑材料被用于房屋建设,其优异的保温性能和力学性能获得了四川城普建设工程集团的高度认可。
2. 城市公共基础设施建设
该团队的铁尾矿低碳材料在城市公共基础设施建设中也展现出广阔的应用前景。其优良的力学性能和耐久性使其适用于桥梁、道路等基础设施建设,特别是在需要增强抗压和抗腐蚀能力的场景中。此外,该材料的低碳环保特性符合国家绿色发展战略,有助于减少二氧化碳排放,降低大型基础设施项目的整体预算。目前,该材料已应用于都江堰市有轨电车建设项目,并得到了四川华能达建筑工程有限公司的认可。
图 4 都江堰有轨电车建设
社会影响与未来展望
“固废重生”团队的行动和成果,正是当代青年学子勇于创新、敢于担当的生动写照。他们用自己的智慧和汗水,为解决环境问题、推动绿色发展贡献了青春力量。团队成员积极参与国际学术会议,发表多篇SCI论文,并受邀参与绿色建材类论文审稿和投稿,提升了我国在该领域的国际影响力。
未来,“固废重生”团队将继续致力于技术研发和创新,进一步优化材料性能,降低生产成本,推动固废地质聚合物建材在更广泛领域的应用。他们还将加强与企业的合作,加快科技成果的转化,为实现绿色建材3.0的目标贡献更多力量。（图片由杨惠琳、黄宇、王心怡授权提供）
