综述：影响因素、耐久性以及地质聚合物粘合剂在柔性路面应用中的机械性能：一项最新综述

《Journal of Road Engineering》：Influencing factors, durability and mechanical performance of geopolymer binders in flexible pavement applications: a state-of-the-art review

　　伊多雷宁·恩达拉凯·乌桑加|奇乔克·克里斯托弗·伊凯阿格瓦尼
尼日利亚阿夸伊博姆州立大学土木工程系，伊科特阿克帕登

**摘要**
这篇先进的综述探讨了在柔性路面应用中，地理聚合物粘合剂的影响因素、耐久性和机械性能。作为传统水泥基粘合剂的可持续替代品，地理聚合物因其对水分、硫酸盐和疲劳等环境压力的优异抵抗力而受到了广泛关注。本文批判性地分析了影响地理聚合物性能的关键因素，包括前驱体材料、碱性活化剂和固化条件及其对地理聚合物化过程的影响。在各种前驱体中，基于粉煤灰的地理聚合物因其火山灰反应性、可用性和出色的耐久性而受到特别关注，尤其是在路面的基层和底基层中。此外，还讨论了氢氧化钠和氢氧化钾等碱性活化剂的类型和浓度对地理聚合物粘合剂强度和稳定性的关键影响。综述进一步研究了固化条件的作用，发现适度的热固化（60°C至80°C）可以优化材料性能，而过高的温度或过长的固化时间可能会对强度发展产生负面影响。还探讨了包括矿渣、红泥和高炉矿渣在内的替代前驱体在提高地理聚合物粘合剂性能方面的潜力。最后，文章提出了实验设计（DOE）方法作为一种有前景的方法，用于针对特定路面应用定制地理聚合物粘合剂，以优化其机械强度和耐久性。研究结果表明，基于粉煤灰的地理聚合物是最有效的前驱体，为可持续和耐用的柔性路面材料提供了巨大潜力。

**1. 引言**
道路铺装基础设施对一个国家的经济增长和发展至关重要（Usanga等人，2023a；Zhang等人，2025）。例如，中国的道路建设，特别是农村道路，显著推动了国内生产总值（GDP）的增长，相对于投资成本而言获得了更大的收益（Du等人，2022；Dushmantha等人，2025；Usanga等人，2023b）。在尼日利亚，道路部门承担了大部分国内客运运输任务，交通运输部门约占实际GDP的2.4%，而道路运输占这一产出的大约86%（Abam等人，2021）。因此，全球对铺装材料的需求显著增加（Taghipoor等人，2024；Usanga等人，2023c，2024）。不幸的是，这种需求的激增导致过去几十年大多数传统铺装材料的价格上涨了150%以上，同时还带来了需要紧急关注的重大环境挑战（Ahmad等人，2011；Yaro等人，2023a）。这促使人们发展了可持续铺装基础设施的概念，通常通过生命周期成本分析（LCCA）或生命周期评估（LCA）来衡量。这些方法旨在确保道路在其整个生命周期内保持成本效益、低碳和价值（Liu等人，2025；Usanga等人，2023d）。在这种背景下，地理聚合物材料逐渐受到重视。地理聚合物作为一种可持续建筑的替代品出现，为解决与传统柔性路面材料相关的成本上升和环境问题提供了可行的解决方案（Singh和Middendorf，2020；Talkeri等人，2025）。

地理聚合物是通过铝硅酸盐材料与碱性活化剂反应合成的无机聚合物。与传统粘合剂相比，这些材料具有更低的碳足迹、更优异的机械性能和更高的耐久性。在地理聚合物生产中使用工业和农业副产品（如粉煤灰、矿渣、偏高岭土、稻壳灰、水泥窑灰等）进一步强调了它们通过回收废弃物促进可持续建筑实践的潜力。“地理聚合物”一词在铺装行业中常用来指代各种无机碱性活化剂（Chang等人，2024；Nawaz等人，2020）。这些活化剂在许多铺装工程应用中作为常见的胶凝材料使用。由碱性活化剂形成的材料表现出卓越的强度以及化学和热稳定性，使其非常适合用于铺装（Abdayem等人，2024；Komnitsas，2011）。

地理聚合物是通过聚合反应生成的，类似于制造聚合物材料的过程（Castillo等人，2022）。然而，与聚合物不同的是，由于其生产过程中使用的材料是无机的，因此它们被称为无机聚合物。地理聚合物是道路铺装建设中的关键材料，具有多种优势。这些优势包括高强度和快速硬化，因为它们的聚合速率快，能够形成坚固的三维结构，从而提高强度和加快硬化速度（Burciaga-Díaz和Escalante-García，2012；Ghafoori等人，2025）。此外，地理聚合物表现出优异的机械性能和对恶劣环境条件的高抵抗力，使其在混凝土工作中能够承受高压缩载荷并保持低渗透性（Nanda和Priya，2024）。它们能够快速达到显著的早期强度，这对于时间紧迫的项目特别有利，有助于加快施工进度。

**1.1. 地理聚合物**
地理聚合物最早由法国科学家和工程师Davidovits教授在20世纪70年代提出（Matsimbe等人，2022）。它指的是一类通过将铝硅酸盐粉末与碱性溶液反应形成的固体材料（Freire等人，2022）。这些铝硅酸盐粘合剂或无机聚合物化合物是通过缩聚反应形成的三维铝硅酸盐基质——聚硅酸盐，其经验公式为Mn[-(SiO2)z-AlO2]n·wH2O。其中，M代表阳离子（如K+、Na+或Ca2+），n表示缩聚程度，z通常为1、2、3或更大（Davidovits，2020）。“硅酸盐”是指由SiO4和AlO4四面体通过共享氧原子连接而成的网络。阳离子平衡了四配位的Si4+和Al3+离子的剩余阴离子。

地理聚合物是从含有非晶态铝硅酸盐的材料与碱性或酸性溶液反应得到的无机铝硅酸盐聚合物产品（Freire等人，2022）。合成过程可以涉及氢氧化物和硅酸盐的碱性介质或磷酸等酸性介质。通常，使用天然存在的铝硅酸盐前驱体（如高岭石）或工业副产品（如粉煤灰）与选定的合成路线混合来引发聚合。碱性介质通常更受欢迎，因为它们比酸性介质的腐蚀性和危险性更低。固化过程调节聚合反应，强度发展在室温下最慢（Lang等人，2022；Najafi和Allahverdi，2009）。图1展示了地理聚合物的组成材料和生产过程。地理聚合物的合成通常涉及使用氢氧化物和硅酸盐的碱性介质。这种反应与铝硅酸盐前驱体结合以启动聚合过程。地理聚合物的前驱体可以来自天然矿物（如高岭石）或工业和农业副产品（如粉煤灰和稻壳灰）。一旦前驱体和碱性活化剂混合，固化在调节聚合过程中起着关键作用，尤其是在强度发展方面。这一过程在室温下通常较慢，但可以通过热固化加速。

随着聚合的进行，地理聚合物结构形成了由矿物化合物（包括硅氧基（-Si-O-Si-O-）、硅酸盐（-Si-O-Al-O-）和硅酸盐-二硅氧基（-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-）单元）组成的互连网络和链，这些单元通过强共价键连接在一起。这种互连结构增强了材料的机械性能和耐久性（Matsimbe等人，2022）。图2展示了说明地理聚合物结构的分子单元。根据Marvila等人（2021）的研究，在地理聚合物的碱性活化过程中，可以形成铁硅酸盐（-Fe-O-Si-O-Al-O-）。这些聚硅酸盐在其结构中包含了氧化铁。铁在这些地理聚合物中可以发挥多种作用：它可以嵌入主链中，帮助平衡链间的电荷，或者以Fe3O4氧化物的形式通过次级键连接到链上。与通常在类似化学反应中形成[Al (OH)4]-的铝不同，铁在地理聚合物中倾向于形成[Fe (OH)]2+。此外，铁还可以部分替代地理聚合物结构中的[Si (OH)4]-。铁的行为和化学相互作用的变化使其在各个行业中具有多样的性能和潜在应用。

**1.2. 以往的研究和不足**
关于地理聚合物材料在各个领域（尤其是在建筑行业）的应用和性能的综述，在理解其潜力方面取得了显著进展。Matsimbe等人（2022）发表了一篇全面的综述，涵盖了地理聚合物的定义、化学性质、碱性活化剂、原材料、固化方法、机械性能、耐久性和成本等方面。Parthiban等人（2022）进一步探讨了地理聚合物材料与工业前驱体添加剂结合使用，以改善土壤的机械性能，促进环境可持续性和增强工程性能。同样，Nemaleu等人（2023）研究了废物材料在地理聚合物制造中的应用，有助于开发环保型水泥替代品。这些综述强调了废物粘合剂对地理聚合物的性能、耐久性和实际应用的影响。其他研究，如Freire等人（2022）和Adjei等人（2022）的研究，关注了地理聚合物材料在二氧化碳分离和油井水泥固化等特殊应用中的使用。这些综述强调了地理聚合物在酸性和高盐度环境中的增强耐久性。Ahmer等人（2018）的研究表明，地理聚合物具有从废水中去除重金属和染料的潜力，展示了它们在环境中的多种应用。Nanda和Priya（2024）的综述重点介绍了在地理聚合物配方中使用废物材料来稳定土壤，强调了循环建设和可持续性。

然而，当前文献中也存在一些明显的不足和局限性。对于地理聚合物粘合剂在表面铺装层中的应用关注不足，特别是在表面层，因为那里的性能要求最为关键，因为直接暴露于交通载荷和环境条件之下。此外，现有研究往往缺乏考虑整个铺装系统的整体视角，包括各层之间的相互作用以及机械和环境应力之间的综合影响（Almeida和Picado-Santos，2022）。对于前驱体类型、碱性活化剂浓度和固化方法如何影响地理聚合物粘合剂在特定铺装条件下的机械和耐久性能的理解也有限。

本文旨在通过整合现有知识来解决这些不足，特别关注表面层中机械性能和长期耐久性至关重要的地理聚合物粘合剂在柔性铺装系统中的应用。它旨在突出并比较各种固化条件、优化策略和材料组合，这些不仅适用于混凝土应用，也适用于道路建设中的沥青结合层和非结合层。综述进一步评估了不同活化剂系统、前驱体类型和混合设计如何影响铺装特定的性能，如抗裂性、水分侵入、疲劳和热变形。此外，它提出了一个全面的框架，以指导未来的研究工作，包括结合现场模拟性能测试和专门针对道路铺装系统需求的LCA方法。**审查范围**
本综述旨在全面概述地质聚合物粘合剂在柔性路面应用中的影响因素、机械性能和耐久性特征。采用主题式综述方法，通过围绕核心主题（如前驱体类型、活化体系、固化条件、混合设计策略以及抗车辙性、抗裂性和耐湿性等性能指标）系统地分析和综合现有文献。相关文献通过Scopus、Web of Science和Google Scholar等主要学术数据库的结构化搜索进行识别。研究的选择基于它们对地质聚合物在各种路面层（如磨耗层、粘合层、基层、底基层和路基）中的应用，以及在不同环境和载荷条件下的机械和微观结构性能的研究。通过引用追踪进一步识别文章以确保全面覆盖。通过突出关键研究趋势、技术发展和现有知识空白，本综述为研究人员、工程师和政策制定者提供了实用见解。最终，它支持利用地质聚合物技术推进可持续和高性能路面解决方案，以满足现代交通基础设施的需求。本综述的示意图见图3。

**图3. 概述示意图。**

**2. 地质聚合物前驱体**
地质聚合物的前驱体在这些创新材料的合成和性能中起着关键作用，这些材料因其可持续性和环保特性而越来越受到认可。
在地质聚合物技术中，“前驱体”一词指的是为地质聚合物化过程提供必要化学成分的原材料，主要是氧化铝（Al2O3）和二氧化硅（SiO2）。这些材料可以来自天然矿物、工业副产品或农业副产品（如前文所述）。地质聚合物浆体的性能受到前驱体材料性质的显著影响，这对其强度、凝固时间、耐久性和微观结构至关重要（Kul等人，2024年）。理想的前驱体是富含二氧化硅（SiO2）和氧化铝（Al2O3）的材料，例如粉煤灰、偏高岭土和高炉矿渣，因为它们提供了有效地质聚合物化所需的必要元素（Trindade等人，2022年）。通常，较高的二氧化硅与氧化铝（Si/Al）比例会导致更优异的机械强度和更强的化学抗性。前驱体的反应性也是一个关键因素；它影响材料在碱性溶液中溶解的容易程度，从而释放二氧化硅和氧化铝以形成地质聚合物。例如，经过部分煅烧的偏高岭土比原始粘土或低质量的粉煤灰具有更高的反应性，从而实现更快的地质聚合物化、更早的强度发展以及更致密的最终结构（Chub-uppakarn等人，2023年）。此外，前驱体的粒径和表面积也会影响其性能。更细的颗粒具有更大的表面积，可以增强地质聚合物化过程，减少孔隙率，从而形成更致密和更强的地质聚合物基质（Castillo等人，2021年）。然而，杂质（如碳、氧化铁或硫酸盐）的存在可能会不利地影响地质聚合物化反应，减缓凝固时间并削弱强度（Zhang等人，2020年）。因此，确保前驱体材料的纯度和一致性对于实现地质聚合物应用的最佳性能至关重要。了解这些成分对于路面设计至关重要，因为前驱体和活化剂的类型和比例直接影响地质聚合物粘合剂的机械强度、凝固时间和耐久性。这些参数反过来又影响路面层（如基层、底基层和粘合层）的承载能力和使用寿命。因此，通过选择和利用适当的前驱体，研究人员和路面工程师可以提高地质聚合物的性能并扩大其在道路建设中的应用范围。一些常用的地质聚合物前驱体包括偏高岭土、稻壳灰、粉煤灰和高炉矿渣。

**2.1. 偏高岭土**
在柔性路面设计的背景下，偏高岭土作为一种关键的地质聚合物前驱体，因其高火山灰活性和形成稳定铝硅酸盐凝胶的能力而受到重视。这些凝胶可以改善粘合剂与骨料的粘结，增强载荷分布，并减少水分引起的损伤，所有这些都是沥青层在交通载荷下的耐久性所必需的。
高岭土主要由高岭石、迪开石、纳克石和哈洛石等矿物组成，以及石英、锐钛矿、云母、金红石、钛铁矿和微量电气石、锆石等杂质。从结构上看，高岭石（Al2Si2O5(OH)4）是一种1:1型的粘土矿物，其特征是一层硅四面体通过共享的羟基与一层氧化铝八面体相连。加热后，高岭石转变为偏高岭土，后者具有非晶结构，是高反应性铝硅酸盐的来源（Attah等人，2022年）。偏高岭土是最早用于地质聚合物研究的前驱体之一，最初被用作造纸和塑料行业的填充剂。如今，已经开发出多种类型的偏高岭土用于不同的应用。除了SiO2和Al2O3外，偏高岭土还含有少量的金属氧化物，这有助于提高反应性、改善机械性能和优化微观结构。
Othman和Abbas（2021年）研究了使用偏高岭土进行土壤改良的化学稳定性，测试了8%至14%不同比例的偏高岭土。研究发现，10%的偏高岭土地质聚合物在固化14天后达到了最佳强度，扫描电子显微镜（SEM）分析显示水泥质化合物覆盖了粘土颗粒。在另一项研究中，Khadka等人（2020年）研究了基于偏高岭土和粉煤灰的地质聚合物，以稳定膨胀土的收缩-膨胀行为，并通过添加石灰和石膏来改善稳定性和防止钙矾石的形成。微观结构分析显示表面形态粗糙不均匀。在相关研究中，Abdulkareem和Abbas（2021年）使用8%、10%、12%和14%的偏高岭土来稳定软粘土，发现10%的地质聚合物在80°C下固化28天后压缩强度提高了93.4%。SEM和X射线衍射（XRD）分析显示土壤质地和矿物强度有所改善。同样，Jungygeon等人（2022年）证实了基于偏高岭土的地质聚合物在稳定富硫酸盐膨胀土方面的有效性，为传统稳定剂提供了一种可持续的替代方案。Jindal等人（2023年）的综述回顾了基于偏高岭土的地质聚合物混凝土的合成、性能和特性，强调了水化、机械强度和耐久性的提高。微观结构分析（XRD和SEM）支持了宏观结构性能的提升。在另一项研究中，Albidah等人（2021年）评估了混合设计参数对基于偏高岭土的地质聚合物混凝土的影响，显示出压缩强度、工作性和耐磨性的显著改善。SEM分析揭示了颗粒孔隙形态。
Shilar等人（2022年）研究了不同A/B比例对地质聚合物混凝土的影响，最佳A/B比例为0.35，虽然高温下强度有所下降。在环境应用中，Luukkonen等人（2016年）发现基于偏高岭土的地质聚合物的铵吸附能力比传统沸石高46%，而Cantarel等人（2015年）使用基于偏高岭土的地质聚合物制作了耐油路面，显示出优异的机械性能和刚性。
综述的研究清楚地表明，基于偏高岭土的地质聚合物增强了路基和基层的稳定性、粘合剂的改性和表面耐久性，这些都是柔性路面设计中的关键性能要求。这些改进包括更好的强度、抗湿性和抗硫酸盐侵蚀性以及表面耐磨性，使偏高岭土成为可持续路面材料开发的可行前驱体。尽管这些研究显示了有希望的实验验证，但在标准化混合设计、评估长期耐久性和协调固化制度方面仍存在差距。固化方法和混合比例的差异限制了通用建议的制定。需要进一步的研究来标准化实践、扩大应用范围，并解决生命周期和经济可行性问题。

**2.2. 稻壳灰**
在柔性路面工程的范围内，稻壳灰（RHA）是一种有前景的地质聚合物前驱体，因其高二氧化硅含量和出色的火山灰活性，能够增强粘合剂的反应性、改善路基并提高路面层的耐久性。稻壳灰对早期和长期强度、耐湿性的贡献以及成本效益使其成为道路建设应用的可行材料，特别是在稳定弱土和提高粘合剂系统方面。
稻壳灰是由稻壳燃烧产生的灰烬，在建筑行业中被认为是环保且经济有效的材料（Gunarathne等人，2019年）。稻壳灰具有出色的火山灰反应性，并保留了高比例的生物源二氧化硅，使其成为可持续建筑材料的理想成分（Hossain等人，2021年）。因此，过去十年中许多研究探讨了稻壳灰在水泥质材料（包括地质聚合物）生产中的应用。Adeyanju等人（2020年）研究了基于稻壳灰和水泥窑灰（CKD）的地质聚合物。稻壳灰和CKD前驱体的混合比例分别为7.5%-15%和4%-10%。研究发现，机械性能显著提高，最佳稳定效果出现在8%稻壳灰和10% CKD的比例下。Anburuvel等人（2023年）研究了稻壳灰（RHA）和蛋壳灰（ESA）在红土土壤稳定中的应用，用于道路基层建设。研究发现，与水泥稳定相比，1% RHA + 3% ESA和2% RHA + 2% ESA的地质聚合物混合物的无约束抗压强度（UCS）分别降低了8.2%和13.2%。尽管有这些降低，但研究表明RHA和ESA是土壤改良的可持续替代品。
相比之下，Swamy等人（2020年）使用基于RHA的地质聚合物在印度Kodakani地区稳定红土土壤，结果显示7天固化后土壤强度提高了五倍。这项研究得出结论，基于RHA的地质聚合物是有效的环保路基稳定方案。然而，与Anburuvel等人（2023年）的研究不同，该研究缺乏微观结构分析和长期性能数据。Khanday等人（2021年）研究了基于RHA的地质聚合物对印度泥炭土壤的稳定作用，改变了粘合剂含量（10%-30%）、A/B比例（0.5-0.9）和氢氧化钠（NaOH）浓度（3-9）。最佳条件（20%粘合剂含量、6 M NaOH、A/B比例0.7）使UCS提高了136倍。微观结构分析证实了稳定机制，显示水泥质产物（如沸石）填充了孔隙空间。然而，复杂的混合设计可能对大规模或现场实施构成挑战。Liang等人（2019年）在地质聚合物稳定剂中用偏高岭土替代了30%的稻壳灰，实现了58%的压缩强度增加，并通过减少碱性溶液中的水分提高了渗透性。这项研究提供了有价值的优化见解，但缺乏长期性能数据。
总体而言，综述的研究一致报告了UCS的提高、渗透性的改善，并展示了基于农业废弃物的地质聚合物作为环保土壤稳定剂的潜力。然而，在长期耐久性、实际现场验证和成本效益评估方面仍存在差距。UCS改善的差异，例如Anburuvel等人（2023年）的微小增益与Khanday等人（2021年）的显著增加，主要归因于不同实验设置中的土壤类型、活化剂浓度和固化条件的差异。

**2.3. 粉煤灰**
在柔性路面系统中应用的粉煤灰是一种有价值的地质聚合物前驱体，因其丰富铝硅酸盐含量、改善机械性能、抗水性和处理后路基及基层的耐久性的能力。将其转化为地质聚合物粘合剂不仅提供了水泥基材料的可持续替代品，还提高了路面在循环载荷和环境暴露下的性能。
粉煤灰是发电厂煤炭燃烧的副产品，由于其细颗粒性质和大规模生产，对环境构成了重大挑战（Chen等人，2024年）。传统上被视为废物，粉煤灰现在越来越多地被认为在各种工业应用中具有宝贵资源潜力。粉煤灰最有前景的应用之一是作为地质聚合物的前驱体，这是一种具有类似水泥特性的可持续环保材料。将粉煤灰转化为地质聚合物不仅解决了与煤灰相关的处置问题，还有助于通过提供传统波特兰水泥的替代品来减少碳排放（Singh和Middendorf，2020年）。由粉煤灰制成的地质聚合物利用了其丰富的化学成分，主要包括二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）和氧化铁（Fe2O3）。根据美国材料与试验协会（ASTM）的指南，C级粉煤灰的Al2O3、SiO2和Fe2O3的总含量必须至少占重量的50%，F级粉煤灰则至少占70%（Wattimena等人，2017年）。当这些化合物在碱性环境中活化时，它们会形成致密稳定的基质，具有优异的机械和耐久性性能。在土聚合物生产中使用粉煤灰符合绿色化学和循环经济的原则，将废物转化为资源，并减少对原始材料的依赖。Abdullah和Shahin（2023年）研究了粉煤灰土聚合物处理后的粘土在长期硫酸盐侵蚀下的性能，方法是将处理后的粘土样品浸泡在硫酸钠和硫酸镁溶液中一年。该研究使用扫描电子显微镜（SEM）评估了剪切强度、体积变化和微观结构性能。结果表明，基于粉煤灰的土聚合物显著增强了土壤强度，而没有影响体积变化，尽管由于硫酸盐溶液的缓冲能力及其对pH值和水泥质产物形成的影响，剪切强度和刚度存在一些变化。在另一项相关研究中，Abdullah等人（2020年）回顾了粉煤灰土聚合物在土壤稳定中的应用，重点关注粘土。该综述强调了粉煤灰土聚合物作为环保粘合剂的土工和化学方面，并指出其在应用中面临的挑战，同时认为粉煤灰土聚合物在土壤稳定方面具有潜力。Santhikala等人（2022年）研究了基于粉煤灰的土聚合物和水泥对膨胀土的稳定效果。他们发现，随着粘合剂浓度和活化剂摩尔浓度的增加，无侧限抗压强度（UCS）也增加，在10 M时达到峰值，之后逐渐下降。使用至少20%的粘合剂和0.75的碱/粘合剂比时，基于粉煤灰的土聚合物稳定的膨胀土比相同剂量的水泥处理土壤具有更高的UCS，使其成为更环保的选择。Wu等人（2022年）研究了粉煤灰和矿渣基土聚合物对软土稳定的影响，发现在28天固化后无侧限抗压强度为2 MPa。当土聚合物含量为25%时，水分稳定系数为87.53%，并且土壤在八次干湿循环后仍保持强度。微观结构分析显示，C-S-H和N-A-S-H结构增强了土壤的稳定性。在混凝土应用方面，Djwantoro（2005年）研究了硬化后的粉煤灰基土聚合物混凝土的弹性性能，发现其泊松比、弹性模量和间接抗拉强度与普通波特兰水泥混凝土相当。Amran等人（2021年）回顾了基于粉煤灰的土聚合物混凝土的可持续生产过程和耐久性因素，提供了关于粉煤灰处置对环境和健康影响的见解。Qaidi等人（2022年）对粉煤灰土聚合物混凝土进行了全面综述，汇编了混合设计、抗压强度和微观结构分析的数据。该研究强调了前体特性、固化方法和化学活化对粉煤灰土聚合物性能的影响。

使用粉煤灰生产土聚合物符合绿色化学和循环经济的原则，将废物转化为资源，并减少对原始材料的依赖。Abdullah和Shahin（2023年）研究了粉煤灰土聚合物处理后的粘土在长期硫酸盐侵蚀下的性能，方法是将处理后的粘土样品浸泡在硫酸钠和硫酸镁溶液中一年。该研究使用扫描电子显微镜（SEM）评估了剪切强度、体积变化和微观结构性能。结果表明，基于粉煤灰的土聚合物显著增强了土壤强度，虽然没有影响体积变化，但由于硫酸盐溶液的缓冲能力及其对pH值和水泥质产物形成的影响，剪切强度和刚度存在一些变化。在另一项相关研究中，Abdullah等人（2020年）回顾了粉煤灰土聚合物在土壤稳定中的应用，重点关注粘土。该综述强调了粉煤灰土聚合物作为环保粘合剂的土工和化学方面，并指出其在应用中面临的挑战，同时认为粉煤灰土聚合物在土壤稳定方面具有潜力。Santhikala等人（2022年）研究了基于粉煤灰的土聚合物和水泥对膨胀土的稳定效果。他们发现，随着粘合剂浓度和活化剂摩尔浓度的增加，无侧限抗压强度（UCS）也增加，在10 M时达到峰值，之后逐渐下降。使用至少20%的粘合剂和0.75的碱/粘合剂比时，基于粉煤灰的土聚合物稳定的膨胀土比相同剂量的水泥处理土壤具有更高的UCS，使其成为更环保的选择。Wu等人（2022年）研究了粉煤灰和矿渣基土聚合物对软土稳定的影响，发现在28天固化后无侧限抗压强度为2 MPa。当土聚合物含量为25%时，水分稳定系数为87.53%，并且土壤在八次干湿循环后仍保持强度。微观结构分析显示，C-S-H和N-A-S-H结构增强了土壤的稳定性。在混凝土应用方面，Djwantoro（2005年）研究了硬化后的粉煤灰基土聚合物混凝土的弹性性能，发现其泊松比、弹性模量和间接抗拉强度与普通波特兰水泥混凝土相当。Amran等人（2021年）回顾了基于粉煤灰的土聚合物混凝土的可持续生产过程和耐久性因素，提供了关于粉煤灰处置对环境和健康影响的见解。Qaidi等人（2022年）对粉煤灰土聚合物混凝土进行了全面综述，汇编了混合设计、抗压强度和微观结构分析的数据。该研究强调了前体特性、固化方法和化学活化对粉煤灰土聚合物性能的影响。

使用粉煤灰生产土聚合物符合绿色化学和循环经济的原则，将废物转化为资源，并减少对原始材料的依赖。Abdullah和Shahin（2023年）研究了粉煤灰土聚合物处理后的粘土在长期硫酸盐侵蚀下的性能，方法是将处理后的粘土样品浸泡在硫酸钠和硫酸镁溶液中一年。该研究使用扫描电子显微镜（SEM）评估了剪切强度、体积变化和微观结构性能。结果表明，基于粉煤灰的土聚合物显著增强了土壤强度，虽然没有影响体积变化，但由于硫酸盐溶液的缓冲能力及其对pH值和水泥质产物形成的影响，剪切强度和刚度存在一些变化。在另一项相关研究中，Abdullah等人（2020年）回顾了粉煤灰土聚合物在土壤稳定中的应用，重点关注粘土。该综述强调了粉煤灰土聚合物作为环保粘合剂的土工和化学方面，并指出其在应用中面临的挑战，同时认为粉煤灰土聚合物在土壤稳定方面具有潜力。Santhikala等人（2022年）研究了基于粉煤灰的土聚合物和水泥对膨胀土的稳定效果。他们发现，随着粘合剂浓度和活化剂摩尔浓度的增加，无侧限抗压强度（UCS）也增加，在10 M时达到峰值，之后逐渐下降。使用至少20%的粘合剂和0.75的碱/粘合剂比时，基于粉煤灰的土聚合物稳定的膨胀土比相同剂量的水泥处理土壤具有更高的UCS，使其成为更环保的选择。Wu等人（2022年）研究了粉煤灰和矿渣基土聚合物对软土稳定的影响，发现在28天固化后无侧限抗压强度为2 MPa。当土聚合物含量为25%时，水分稳定系数为87.53%，并且土壤在八次干湿循环后仍保持强度。微观结构分析显示，C-S-H和N-A-S-H结构增强了土壤的稳定性。在混凝土应用方面，Djwantoro（2005年）研究了硬化后的粉煤灰基土聚合物混凝土的弹性性能，发现其泊松比、弹性模量和间接抗拉强度与普通波特兰水泥混凝土相当。Amran等人（2021年）回顾了基于粉煤灰的土聚合物混凝土的可持续生产过程和耐久性因素，提供了关于粉煤灰处置对环境和健康影响的见解。Qaidi等人（2022年）对粉煤灰土聚合物混凝土进行了全面综述，汇编了混合设计、抗压强度和微观结构分析的数据。该研究强调了前体特性、固化方法和化学活化对粉煤灰土聚合物性能的影响。

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使用粉煤灰生产土聚合物符合绿色化学和循环经济的原则，将废物转化为资源，并减少对原始材料的依赖。Abdullah和Shahin（2023年）研究了粉煤灰土聚合物处理后的粘土在长期硫酸盐侵蚀各种前体的比较

| 前体 | 优点 | 缺点 |
| --- | --- | --- |
| 氧化铝 | 高反应性和优异的机械性能；提高抗压强度、可加工性和耐磨性；为土壤和混凝土稳定提供可持续替代方案；有效稳定膨胀性土壤并提高抗硫酸盐能力 | 对高温敏感；性能因混合设计和固化条件而异；由于高岭土的提取和加工成本较高 |
| 稻壳灰 | 由于其农业废弃物的性质而具有成本效益和环保性；提高抗压强度、渗透性和土壤稳定性；适合用于路基稳定，提供环境可持续的替代方案 | 长期现场性能和混合设计标准化的数据有限 |
| 飞灰 | 可持续且环保，解决煤炭燃烧产生的废物问题；富含二氧化硅和氧化铝，形成坚固耐用的地质聚合物；可用于土壤稳定和混凝土应用；减少对波特兰水泥的依赖 | 长期耐久性和实际应用效果尚未完全确定；在某些环境条件下（如硫酸盐侵蚀）性能可能下降；关于其长期现场适用性的研究有限 |
| 炼铁高炉渣 | 环保，因为可以回收工业副产品；提高抗压强度和机械性能，尤其是与飞灰结合使用时；适合结构应用和土壤稳定；增强化学耐久性 | 在不同环境条件下的长期性能数据有限；需要严格控制固化方法以获得最佳效果 |
| 二氧化硅烟雾 | 显著提高机械性能和耐久性；降低渗透性并增强抗化学降解能力；利用工业副产品，促进可持续性；适用于要求苛刻的环境中的长期基础设施 | 主要关注短期性能；长期耐久性研究不足；在大规模应用中的成本效益数据有限；可能不适用于所有类型的土壤或条件 |

3. 碱性激活剂的浓度和类型
本节解释了地质聚合物化过程中发生的化学反应和物理变化。地质聚合物化的效率和完整性对结构完整性和抵抗环境应力（如湿度和温度波动）的能力有显著影响，这是路面设计中的关键考虑因素，特别是在不同的交通和气候条件下（Shilar等人，2022年）。在路面环境中，粘合剂配方必须满足特定的机械和耐久性标准，例如高抗压强度和抗弯强度、防潮性和疲劳寿命，以承受交通引起的荷载和环境暴露。地质聚合物混合物中使用的碱性激活剂的类型和浓度（例如NaOH、氢氧化钾（KOH）、硅酸钠）对这些性能属性有显著影响。激活剂的选择影响铝硅酸盐前体的溶解速率、聚合程度以及地质聚合物基体的形成，从而直接影响机械性能和微观结构（Alaneme等人，2024年）。较高浓度的碱性激活剂可以加速溶解过程，从而提高强度发展；然而，过高的浓度可能导致问题，如泛碱现象和孔隙率增加，这可能对长期耐久性产生负面影响（Zhang等人，2020年）。对于必须承受动态荷载、温度变化和湿度波动的路面应用来说，优化碱性激活剂的类型和浓度对于在早期强度和长期性能之间取得平衡至关重要。在地质聚合物化学中的碱性激活背景下，阳离子和阴离子在地质聚合物网络的形成和稳定性中起着关键作用。

3.1 阳离子
阳离子是失去一个或多个电子后形成的带正电荷的离子。在地质聚合物合成中，阳离子可以来自所使用的碱性激活剂，如NaOH或KOH。碱性激活剂中的阳离子与铝硅酸盐前体（如飞灰或氧化铝）相互作用，促进二氧化硅（SiO2）和氧化铝（Al2O3）成分的溶解（Hajiabadi等人，2023年）。这一过程有助于形成凝胶状结构。随着铝硅酸盐框架的形成，阳离子有助于平衡框架中与铝离子相关的负电荷。这种电荷平衡对地质聚合物的结构完整性至关重要。阳离子可以通过影响聚合过程和硅酸盐与铝酸盐物种之间的连接程度来影响地质聚合物的三维网络结构。Fernández-Jiménez等人（2006年）研究了阳离子在高铝和高硅（低钙）氧化铝和飞灰激活中的作用。激活过程中使用的特定类型的阳离子会影响系统的微观结构以及形成的前沸石凝胶中的硅铝比（Si/Al）。这可能归因于Na+的较小尺寸，使其在凝胶中移动更有效，以及其较低的电荷密度。这一观察结果与Na+在水热合成过程中促进沸石形成的趋势一致，超过了其他碱性阳离子，包括K+、铷（Rb+）和铯（Cs+）（Barrer和White，1952年）。

3.2 阴离子
阴离子是获得一个或多个电子后形成的带负电荷的离子。在地质聚合物化学中，阴离子可以来自碱性激活剂和前体材料。来自氢氧化钠或氢氧化钾的氢氧根离子（OH-）有助于铝硅酸盐前体的溶解，促进二氧化硅和氧化铝进入溶液（Dambrauskas等人，2021年）。此外，阴离子有助于溶解物种的聚合，促进地质聚合物基体中硅氧烷（Si-O-Si）和铝氧基（Al-O-Si）键的形成。高浓度的氢氧根离子（OH-）通常不适合用于渣料激活，因为钙的溶解度随pH值升高而降低，而二氧化硅和氧化铝则不然。因此，与低钙铝硅酸盐（如飞灰和氧化铝）相比，高钙炼铁高炉渣需要较低浓度的碱性激活剂（Alventosa等人，2021年）。对于基于渣料的水泥，激活剂浓度通常在2 M到4 M之间有效，尽管理想浓度仍存在争议，具体取决于激活剂的类型。过高的Na2O浓度（超过渣料质量的5%）不会带来显著的强度提升，且可能导致泛碱现象和脆性增加。对于铝硅酸盐激活，NaOH因其低成本、易获得性和低粘度而被广泛使用，在pH值为8 M NaOH溶液时可获得最佳性能（Raza等人，2022年）。Tuyan等人（2018年）指出，较高浓度的激活剂可以产生更致密的微观结构并增强地质聚合物中的碱保持能力。此外，含有活性阴离子的可溶性碱性盐，如硅酸盐、碳酸盐或硫酸盐，对激活粒状炼铁高炉渣有效（Tonelli等人，2024年）。

3.3 激活剂浓度和类型的影响
Xu等人（2021年）强调激活剂溶液的浓度是决定地质聚合物材料性能的关键因素。他们指出，较高的激活剂溶液浓度以及硅酸钠模量的增加可以提高地质聚合物的机械强度。相反，Alonso和Palomo（2001a）观察到较高的激活剂浓度会降低离子颗粒的移动性，从而可能减缓聚合过程。B?aszczynski和Krol（2017年）指出了在高浓度碱性激活剂生产中的优点和缺点。研究表明，当铝硅酸盐材料与高浓度碱性溶液相互作用时，富含硅的化合物中的键会断裂。这一过程导致形成含有较高铝含量的铝硅酸盐凝胶。Alonso和Palomo（2001b）使用量热法分析了不同摩尔浓度下的碱激活反应速率。图4显示，使用5 M NaOH激活的反应与更高浓度下的反应之间存在显著差异。当NaOH浓度超过10 M时，所有测试案例的反应曲线显示出相似的轮廓。这些曲线中的强烈峰值表明反应产物的大量形成，而使用5 M NaOH的反应信号较弱，表明其激活效果较差。在碱性激活剂类型方面，最常用的碱性激活剂是氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH），通常与硅酸钠（nSiO2·K2O）或硅酸钠（nSiO2·Na2O）结合使用（Pacheco-Torgal等人，2008年）。硅酸盐在提高地质聚合物系统性能方面起着关键作用，因为它们的使用增加了二氧化硅含量。在碱性激活系统中，氧化铝通常比二氧化硅更具反应性。因此，来自硅酸盐激活剂的二氧化硅最初与从前体中释放的氧化铝反应，从而加速了地质聚合物化或碱性激活过程（Marvila等人，2021年）。

多项研究强调了添加硅酸盐对地质聚合物材料强度的积极影响。例如，Fernández-Jimenez和Palomo（2005年）观察到，当同时使用硅酸钠和氢氧化钠时，强度增加了超过50 MPa，而仅使用氢氧化钠时则没有这种效果。Altan和Erdogan（2012年）也报告了类似的结果，他们发现，在80°C下固化一天后，添加大量Na2SiO3（不含NaOH）可使强度提高超过83%。然而，在大规模施工中单独使用氢氧化物溶液存在某些缺点。这些溶液具有高度腐蚀性，对工人安全和健康构成潜在风险（Provis，2014年）。此外，仅用氢氧化物激活的材料通常比含有硅酸钠的材料具有更高的渗透性，由于过量碱和钠离子在地质聚合物结构中的弱结合，增加了泛碱的风险。Hamid等人（2020年）研究了使用硅酸钠（Na2SiO3）和NaOH作为激活剂合成的基于飞灰的地质聚合物对PG 58-28沥青粘合剂性能的影响。添加了3%–9%重量的地质聚合物，研究表明，增加地质聚合物含量和固化时间显著提高了粘合剂的抗车辙性能，因为粘度和复杂剪切模量以及破坏温度得到了改善。

4. 固化对柔性路面应用中地质聚合物粘合剂的影响
固化是地质聚合物化中的关键过程，直接影响机械性能、微观结构和长期耐久性的发展，这是柔性路面系统中使用的地质聚合物粘合剂性能的关键因素。与依赖水化的普通波特兰水泥不同，地质聚合物通过铝硅酸盐前体的溶解和聚合来获得强度，这一过程对固化条件（如温度、时间和湿度）非常敏感。在柔性路面施工中，特别是在基层、底基层和粘合剂层中，材料需要发展早期强度，抵抗车辙和疲劳，并在交通和环境荷载下保持长期耐久性。优化固化参数（如温度和时间）对于确保在现场实现这些性能目标至关重要。不良的固化实践可能导致地质聚合物化不足，从而导致结构较弱，容易变形、开裂或受潮损坏。Wallah和Rangan（2006年）观察到固化方法在引发地质聚合物浆料中的化学反应方面起着关键作用，显著影响其强度。固化时间通常在4小时到4天之间，具体取决于应用要求。延长的固化时间通过延长聚合过程使地质聚合物材料能够发展出更高的强度。为了获得最佳强度，建议至少固化24小时以促进快速强度发展。根据G?khan等人（2016年）的研究，使用部分替换为氧化铝的飞灰合成了地质聚合物浆料，氧化铝在1000°C下煅烧。氧化铝的替代比例在10%到40%之间变化。混合物中加入了9 M NaOH溶液，液固比为0.36，以促进二氧化硅和氧化铝的溶解。热固化在60°C和80°C下进行，时间分别为2小时、4小时和24小时。结果表明，在60°C下固化2小时最为有效，达到了最高的抗压强度25.1 MPa。此外，用40%的氧化铝替代飞灰显著改善了地质聚合物化过程，从而提高了机械性能。Zainal等人（2022年）探讨了不同固化温度对由高岭土制成的地质聚合物浆料性能的影响，旨在降低建筑中的二氧化碳排放。浆料以0.8:1的固液比和0.2:1的Na2SiO3/NaOH比例混合，制成立方体后静置24小时，然后在60°C、70°C和80°C下分别热固化24小时。经过28天的固化期后，发现70°C下固化的样品表现出最高的抗压强度（1.04 N/mm2），同时吸水率（1.71%）和孔隙率（0.15%）也有所降低。微观结构分析进一步证实，在此温度下固化促进了完全的地质聚合物化，形成了致密的基质，孔隙率极小。Ming等人（2013年）进行了一项研究，评估不同固化温度对偏高岭土地质聚合物浆体性能的影响。他们研究了室温、40°C、60°C和100°C等多种温度下的不同固化时间（从6小时到72小时）。研究表明，室温固化不足以实现有效的地质聚合物化，这突显了热激活的必要性。随着固化温度的升高，强度有所提高，但中等温度比极高温度更为有利。对于非常高的固化温度，较短的固化时间更为可取，以避免影响强度；而在中等温度下，较长的固化时间则更有优势。微观结构观察显示，适度的热量处理可以使基质更加致密和坚固，而过高的温度则会导致结构粘聚性降低、强度减弱。Al Bakri等人（2011年）评估了固化温度对粉煤灰基地质聚合物性能的影响。样品在室温、50°C、60°C和80°C下固化24小时，使用硅酸钠和NaOH作为碱性活化剂。结果显示，在60°C下固化7天后，抗压强度最高，达到67.04 MPa。然而，超过60°C的固化温度会导致强度下降。FTIR分析表明，60°C下固化的样品具有更高的二氧化硅含量，这对提高其抗压强度起到了重要作用。增加地质聚合物的比例并延长固化时间可以显著改善沥青粘合剂的破坏温度、粘度和复杂剪切模量（Hamid等人，2020年）。尽管这一效应已得到广泛研究，但在本综述中提及它是必要的，以强调其与路面设计的相关性。固化直接影响地质聚合物材料的力学性能、耐久性和微观结构，而这些对于路面性能至关重要。由于路面会受到各种环境和荷载条件的影响，了解固化参数（温度、时间）如何影响地质聚合物化有助于优化道路应用的混合设计。此外，适当的固化所赋予的机械强度和尺寸稳定性对于确保路面长期抵抗交通荷载和气候引起的劣化至关重要。因此，本节提供了将固化行为与地质聚合物在道路建设中的实际性能联系起来的重要背景信息。

5. 地质聚合物粘合剂配方的优化策略
优化策略在确定理想的混合比例方面起着关键作用，以确保地质聚合物粘合剂在柔性路面应用中具有所需的机械强度、耐久性和可施工性（Alaneme等人，2022年）以及经济可行性。要实现地质聚合物材料的高性能，需要比传统方法更先进的优化技术，传统方法通常是一次只改变一个参数。由于效率和技术准确性的限制，这些经典方法被认为已经过时。为了克服这些挑战并有效优化关键参数，建议采用实验设计（DOE）方法。这种方法具有多种优势，包括能够在科学研究和工业应用中系统地组织实验（Abdelouahhab等人，2022年；Edan等人，2024年；Ebrahimi等人，2022年）。此外，DOE能够创建所研究过程的准确模型，同时减少所需的实验次数，从而提高精度并降低资源消耗（Mbachu等人，2023年）。为了成功应用实验设计，首先需要明确问题和研究目标（Veza等人，2023年）。接下来，必须确定要研究的因素、这些因素的变化范围以及要测量的具体响应（Veza等人，2023年）。选择合适的实验设计是一个关键步骤，因为它应与研究目标和所解决问题的性质相匹配（Ayoub等人，2021a；Juvenal等人，2021年）。最后阶段是对实验数据进行统计分析、解释结果并验证统计发现。适用于不同研究场景的实验设计有多种，包括全因子设计、中心复合设计、Box-Behnken设计、Taguchi设计和Doehlert矩阵设计（Jaafar等人，2021年；Ayoub等人，2021b）。每种设计都在实验次数和所需结果精度之间取得了平衡。在进行DOE时，需要对统计方法（如方差分析（ANOVA）和线性回归）有扎实的理解（Driouich等人，2020年）。目前尚未建立标准的地质聚合物混合物设计方法。近年来，研究人员探索了多种方法来创建有效的混合设计。Yaro等人（2023b）使用中心复合设计方法优化了基于生物炭的地质聚合物复合材料，以提高沥青混合物的耐水性。他们的研究发现，最佳粘合剂含量为4.56%，基于生物炭的地质聚合物含量为2.71%。在另一项关于应用于土壤的地质聚合物混合物的研究中，Abdulwahed等人（2024年）使用响应面方法（RSM）和中心复合设计优化了粘土土壤与粉煤灰（FA）基地质聚合物和再生沥青路面（RAP）的混合物。输入变量的范围是FA为0%至25%，RAP为0%至40%。最佳混合物由25% FA和30% RAP组成，实现了最高的弹性模量。Bai等人（2023年）使用RSM研究了各种掺合料（如细砂、粉煤灰、耦合剂和膨胀剂）的最佳用量，以评估偏高岭土基地质聚合物改性沥青混合物的流动性、机械性能和收缩性能。结果表明，30%的掺合量可以最大化这些性能。Hamed和Demir?z（2024年）使用Taguchi方法和L16正交阵列优化了基于粉煤灰和粒化高炉矿渣的地质聚合物对高塑性粘土土壤的稳定作用。结果显示，最佳混合比例为38%的地质聚合物，其中包含24%的粉煤灰和14%的矿渣，碱性活化剂含量为25.75%，摩尔浓度为12 M。这种组合显著提高了强度并降低了土壤渗透性，突显了基于粉煤灰和矿渣的地质聚合物作为水泥可持续替代品的潜力。在类似的研究中，Macheepala等人（2024年）使用Taguchi方法和效用概念优化了一种经济高效且可持续的基于RHA的地质聚合物混合物，用于使用废弃物材料稳定膨胀性土壤。最佳混合物包括3摩尔的NaOH（碱性溶液）和碱性溶液/前体0.6，混合时间为40分钟，并在30°C下固化。这种组合在有效降低膨胀压力的同时最大化了强度。Wang等人（2024年）使用D-Optimal Mixture Design优化了工业固体废物（如脱硫石膏（DG）、钢渣（SS）、高炉渣（BFS）、粉煤灰（FA）基地质聚合物用于土壤稳定。最佳混合比例为15% DG、5% SS、15% BFS和15% FA以及50% CS。该配方实现了7天UCS为1.7 MPa，比普通波特兰水泥（OPC）高出36%，符合公路建设标准。Chen等人（2022年）利用三水平Box-Behnken设计的响应面方法定量优化了生产基于粉煤灰-矿渣的地质聚合物浆体的关键因素。主要研究因素包括碱当量、活化剂模量和矿渣替代比例，旨在最大化抗压强度。随后评估了这种优化的地质聚合物浆体作为可持续稳定剂，用于改善中国杭州软土的机械性能。

6. 不同路面层中使用的地质聚合物粘合剂的强度性能
地质聚合物粘合剂的性能取决于它们所使用的路面层，无论是表面层（磨耗层和粘合剂层）、基层、底基层还是路基稳定层。在表面层中，由于需要抵抗机械荷载、磨损和环境侵蚀，地质聚合物表现出较高的抗压强度和抗弯强度，这对于支撑车辆荷载和保持结构完整性至关重要。将地质聚合物粘合剂掺入沥青混凝土混合物中，可以改善抗车辙性、抗湿损性和抗热裂性，这些都是表面层常见的缺陷（Milad等人，2021年）。基层作为将交通荷载传递到底基层和路基层的关键层，在这种应用中，地质聚合物粘合剂的高早期强度及其增强稳定基材刚度的能力使其成为提高路面承载能力的理想材料。用于基层的地质聚合物可以达到10 MPa到30 MPa的无约束抗压强度，具体取决于前体材料的类型和混合设计（Parthiban等人，2022年）。在底基层中，地质聚合物粘合剂提供中等强度和改善的耐水性。地质聚合物中的火山灰反应增强了底基层材料的粘结性能，减少了孔隙并提高了压实度，从而形成了更稳定和耐用的底基层，能够有效支撑上层并防止沉降问题。路基是所有路面层的基础，其强度对整个路面的性能至关重要。地质聚合物已被证明能有效稳定弱或膨胀性路基土壤，显著提高了UCS和加州承载比（CBR）值（Nanda和Priya，2024年）。这有助于更好的荷载分布并降低路面失效的风险。在底基层稳定中使用地质聚合物还有助于缓解与膨胀性土壤相关的问题，因为它们提高了土壤的承载能力和减少了膨胀潜力。在所有路面层中，地质聚合物粘合剂提供了高强度和增强耐久性的组合，可以显著提高路面的性能和寿命。前体材料、碱性活化剂和固化条件的选择直接影响地质聚合物粘合剂的机械性能和耐久性，应根据每个路面层的具体要求进行定制。

6.1. 表面层应用中的地质聚合物粘合剂
地质聚合物改性沥青（GPMA）是一种添加剂或改性剂，用作沥青混合物中的建筑材料。多项研究成功使用了地质聚合物来改性沥青材料。Rosyidi等人（2020年）研究了使用基于粉煤灰的地质聚合物改性的沥青的化学、形态、强度和粘附特性。该地质聚合物是通过将F级粉煤灰与含有氢氧化钠和硅酸钠的碱性溶液混合合成的。然后将这种混合物与80/100 penetration等级的沥青按重量比3%至9%（以2%为增量）混合。为了分析改性沥青的化学成分和强度，研究使用了FTIR和冲击测试，同时采用表面自由能（SFE）和原子力显微镜（AFM）来评估粘附性和形态变化。结果表明，地质聚合物改性的沥青（GMB）显示出更高的结构链流动性和更好的储存稳定性，沥青的功能团没有显著变化。SFE分析显示了更高的抗湿损性，AFM结果突出了所有样品的形态变化。研究得出结论，5%的地质聚合物浓度是改性沥青的最佳浓度。在另一项相关研究中，Tang等人（2020年）探讨了使用地质聚合物添加剂减少沥青行业中颗粒物（PM）和挥发性有机化合物（VOCs）排放的方法。研究评估了两种类型的地质聚合物添加剂（原始型和无水型）及其对沥青传统性能（如渗透性、软化点、FTIR光谱和SARA分析）的影响。通过热重分析结合质谱（TG-MS）和PM测试，研究发现添加地质聚合物添加剂可以有效减少WMA和HMA中的VOCs和PM排放，而不影响沥青的标准性能。此外，这些地质聚合物添加剂具有以小于50纳米的孔隙为主的孔结构，这使得它们能够高效吸收挥发性有机化合物（VOCs）和颗粒物（PM）排放。Hamid等人（2020年）研究了用Na2SiO3和NaOH激活的粉煤灰形成地质聚合物，并将其添加到PG 58-28沥青粘合剂中的效果，添加浓度范围为3%至9%，以3%为间隔。该研究通过动态剪切流变仪（DSR）、旋转粘度计和环境扫描电子显微镜（ESEM）测试，评估了地质聚合物含量和固化时间的变化对粘合剂性能的影响。结果表明，增加地质聚合物含量和延长固化时间可以改善粘合剂的流变特性，从而提高粘度、复杂的剪切模量以及更高的破坏温度。值得注意的是，经过9%地质聚合物改性的粘合剂在固化2天后破坏温度提高了8.58%，7天后提高了14.2%，14天后提高了15.2%，与未经改性的粘合剂相比。地质聚合物的添加还增强了粘合剂的抗车辙能力。ESEM分析显示，纳米颗粒分布均匀，增加的地质聚合物含量对粘合剂的微观结构影响较小。这些发现表明，将地质聚合物掺入沥青粘合剂中可以显著提升其性能。

Milad等人（2021年）回顾了在道路建设中使用地质聚合物的优势，特别是当这些聚合物来源于工业副产品（如粉煤灰、矿渣和高炉渣）时，因为它们富含硅和铝。该研究探讨了地质聚合物在沥青粘合剂中的整合，重点关注了GMB和GPMA，并讨论了固化方法、生产技术以及这些材料的工程特性。研究结果表明，地质聚合物显著改善了沥青粘合剂的流变和物理性能，从而提高了稳定性、抗疲劳性和抗车辙性，以及在低温条件下的性能。此外，在沥青路面建设中采用地质聚合物还带来了显著的可持续性效益，包括经济和环境方面的优势。

Yaro等人（2023a年）研究了基于生物炭的地质聚合物复合材料对沥青粘合剂性能的影响，重点关注了体积、马歇尔稳定性参数和防水性能。沥青粘合剂的添加浓度范围为4%至6%，而基于生物炭的地质聚合物复合材料的添加比例从0%变化到4%。研究结果表明，复合材料的添加显著提高了沥青粘合剂的刚性、温度敏感性和整体性能。Ibrahim等人（2016年）研究了高碱性溶液（NaOH和Na2SiO3）在地质聚合物化过程中与粉煤灰相互作用对石料沥青（SMA）混合物的影响。研究使用了80/100 penetration等级的原始沥青，并以0%至3%的地质聚合物添加量进行了改性。测试了两种集料级配（SMA14和SMA20），以评估它们的弹性模量和在静态和动态蠕变下的抗永久变形能力。结果表明，添加了3%地质聚合物的SMA混合物在性能上有显著提升，表明其在SMA路面中具有潜在的应用价值。Ismail（2011年）探讨了在多孔沥青中使用地质聚合物材料的效果，发现加入地质聚合物后混合物的刚性和稳定性显著提高，优于传统沥青路面。研究设想将多孔沥青的优点与地质聚合物的耐久性和可持续性结合起来，生产出一种成本效益高、使用寿命长且环保的路面材料。

Hamid等人（2022年）评估了用Na2SiO3和NaOH激活的粉煤灰形成的地质聚合物作为沥青粘合剂改性的效果。研究通过频率扫描、MSCR和汉堡轮跟踪等流变测试，将GF改性的粘合剂与SBS改性的和混合（SBS + GF）粘合剂进行了比较。含有8% GF的粘合剂表现出最好的抗车辙性能，表现为更高的复杂剪切模量（G*）、车辙因子（G*/Sin(δ)）和应变恢复率（R），以及更低的不可恢复蠕变顺应性（Jnr），优于4%和12% GF添加量的粘合剂。

Sofri等人（2022年）研究了基于粉煤灰的地质聚合物（FAG）作为道路基层稳定剂的应用，旨在减轻水泥处理基层常见的收缩裂缝问题。通过机械实验室分析，评估了FAG的UCS、抗弯强度（FS）、间接抗拉强度（ITS）、收缩率和弹性模量（RM）等性能。将FAG加入80%–85%的碎石混合物中显著提高了机械性能，其中UCS是一个关键的质量参数。研究结果支持FAG在提高基层刚度和长期路面耐久性方面的可行性。同样，Adhikari等人（2018年）研究了基于粉煤灰的地质聚合物与再生沥青路面（RAP）结合用于道路基层和底基层稳定的效果。设计矩阵用于评估机械行为，发现增加地质聚合物和RAP的含量可以提高UCS值。优化后的混合物显示出与传统水泥系统相当的机械性能，这一结果得到了地质聚合物凝胶形成的微观结构证据的支持。

Hu等人（2018年）使用红泥和F级粉煤灰评估了地质聚合物稳定的基层材料，并将其与传统的水泥-粉煤灰和石灰-粉煤灰稳定剂进行了比较，评估了在不同固化条件下的性能。标准固化过程足以促进强度发展，而高温则增强了地质聚合物样品的强度。然而，湿度降低对所有样品产生了不利影响，突显了水分在地质聚合物固化过程中的重要性。Avirneni等人（2016年）研究了用基于粉煤灰的地质聚合物稳定RAP的效果，解决了老化沥青对耐久性和强度的影响问题。未激活的粉煤灰混合物表现出不足的强度，而用2%–4%的氢氧化钠激活后，UCS显著提高，超过了4.5 MPa。在湿/干循环下的耐久性测试证实了混合物的长期稳定性，224天内重量损失最小且强度持续增加。

Goldoni等人（2022年）进一步评估了用类似基于粉煤灰的地质聚合物稳定的RAP的长期机械和耐久性性能。经过一年的稳定处理后，这些混合物的UCS值达到了32 MPa，符合水泥稳定层的强度标准，并显示出对环境变化的抵抗力。Hoy等人（2017年）也研究了使用粉煤灰地质聚合物稳定RAP的效果，以UCS作为关键指标。研究表明，强度发展与固化时间和温度的增加以及最佳的NaOH/Na2SiO3比例相关。微观结构分析显示形成了C-S-H和C-A-H相，地质聚合物基质在适当的碱性条件下增强了压实混合物的强度。

Xiao等人（2020年）研究了使用回收玻璃骨料（GA）和由废玻璃粉和粉煤灰制成的地质聚合物水泥的效果。通过改变GA的替代比例，研究表明稳定的混合物具有良好的机械性能，进一步证明了在路面基层应用中整合回收玻璃的潜力。研究强调了利用基于玻璃的地质聚合物的环境效益，倡导路面建设和回收行业之间更紧密的合作。

Debanath等人（2024年）展示了用基于粉煤灰的地质聚合物处理的膨胀性土壤的强度提高和膨胀压力的降低，确定20%的添加量是最优的。SEM分析揭示了有助于性能提升的微观结构变化，使稳定的土壤适合用于道路建设。Turkane和Chouksey（2022年）报告了用25%粉煤灰和6 M NaOH稳定的低塑性土壤在UCS、CBR和MR方面的显著改善，SEM和XRD证实了地质聚合物凝胶的形成，这增强了土壤结构并减少了路面厚度。Zhang等人（2024年）使用废钻井泥作为地质聚合物粘合剂的前体，观察到机械性能的显著提升，包括劈裂抗拉强度和弹性模量的提高，这与增加的矿渣粉含量和固化时间相关。Tabyang等人（2024年）进一步证实了橡胶木粉煤灰在地质聚合物混合物中的可行性，即使在30%的地质聚合物添加量下也能实现高UCS和ITS值。他们的研究强调了最佳液体含量和特定活化剂比例的重要性，SEM-EDS显示了密集的C-S-H和N-A-S-H凝胶基质以及较低的碳排放。

Debanath等人（2024年）展示了用基于粉煤灰的地质聚合物处理的膨胀性土壤的强度提高和膨胀压力的降低，确定20%的添加量是最优的。SEM分析揭示了微观结构的变化，这些变化有助于性能提升，使稳定的土壤适合用于道路建设。Turkane和Chouksey（2022年）报告了用25%粉煤灰和6 M NaOH稳定的低塑性土壤在UCS、CBR和MR方面的显著改善，SEM和XRD证实了地质聚合物凝胶的形成，这增强了土壤结构并减少了路面厚度。Zhang等人（2024年）使用废钻井泥作为地质聚合物粘合剂的前体，观察到机械性能的显著提升，包括劈裂抗拉强度和弹性模量的提高，这与增加的矿渣粉含量和固化时间相关。Tabyang等人（2024年）进一步证实了橡胶木粉煤灰在地质聚合物混合物中的可行性，即使在30%的地质聚合物添加量下也能实现高UCS和ITS值。

Khalid等人（2024年）评估了一种由甘蔗渣灰和采石场粉尘制成的地质聚合物粘合剂，作为传统基于粉煤灰系统的可持续替代品。他们的优化混合物在塑性降低和强度及延展性方面有显著改善，SEM-EDS证实了（N, C）-A-S-H凝胶的形成和有益的多孔结构。Kwad等人（2020年）使用NaOH和Na2SiO3激活的F级粉煤灰处理了低塑性粉砂，报告了UCS和ITS值的提高。Murmur等人（2020年）展示了粉煤灰-地质聚合物在稳定黑棉土中的有效性，通过强度测试和包括XRD和FTIR在内的微观结构分析得到了支持。

Noaman等人（2022年）进行了一项全面回顾，强调了用粉煤灰处理的粘土土壤的长期稳定性，显示出CBR、渗透性和尺寸稳定性的改善。Hosseini等人（2022年）比较了水泥稳定和地质聚合物稳定的土壤（使用碳化钙残渣和玻璃粉），地质聚合物系统在强度和微观均匀性方面优于水泥系统。Sukprasert等人（2019年）研究了粉煤灰和高炉渣结合使用在粘土稳定中的效果，确定了NaOH浓度、FA/BFS比例和固化温度在实现最佳UCS方面的重要性。Salimi和Ghorbani（2020年）使用了BOFS和GBFS以及不同的碱比例和化学活化剂，实现了软粘土的显著强度和压缩性提升，使材料适合用于基层。

综述现有文献可以发现，关于地质聚合物在柔性路面不同层中的应用性能的研究相对较少。如图5所示，只有少量的研究探索了地质聚合物在表面基层和底基层的应用，表明在这些结构组件中存在明显的研究空白。然而，底基层受到了相对更多的关注，研究主要集中在使用地质聚合物基粘合剂进行稳定。这种增加的兴趣可能归因于底基层在提供基础支撑方面的关键作用，以及其在不同湿度和载荷条件下的体积变化和强度降低的敏感性。地质聚合物以其优异的强度发展、耐久性和较低的碳排放而受到青睐，是改善弱底基层土壤的理想选择，特别是在膨胀性或低塑性土壤条件下。关于地质聚合物在承重层（如底基层、基层和沥青结合表面层）应用的研究较少，这突显了需要填补的知识空白，以充分利用地质聚合物在道路建设中的优势。

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图5. 地质聚合物应用中不同路面层的文献分布

图6展示了研究人员在柔性路面应用中使用的各种前体的百分比。如图6所示，粉煤灰是最常用的前体（Panek等人，2021年）。这归因于其可用性、优异的火山灰性能和应用的多样性。矿渣和红泥是第二常用的前体，占总用量的20%。其采用的原因在于它们的火山灰和粘结能力，使其有效稳定弱土壤并提高路面层的强度（Ahmed等人，2024年）。高炉渣占总用量的15%，通常与粉煤灰结合使用，尤其是在基层和底基层，因为它们提高了耐久性和强度。其他前体如生物炭、采石场粉尘等在柔性路面应用中较少使用，主要是由于供应、加工或特定使用场景的挑战（Zhang等人，2022年）。**长寿命与耐久性：地质聚合物在柔性路面应用中的性能**

地质聚合物在柔性路面应用中的耐久性正迅速成为研究的焦点，这一趋势源于对更可持续建筑材料的迫切需求。由于地质聚合物具有出色的抗化学环境能力，尤其是能够抵抗硫酸盐、氯化物和酸类物质（Ikotun等人，2024年），因此它们特别适合此类应用。在柔性路面中，水分渗透是一个主要问题，因为随着时间的推移，水分会损害路面的结构完整性。与传统粘合剂不同，地质聚合物的渗透性显著较低，孔隙连通性也较弱，从而减少了水分的吸收。地质聚合物化过程形成的致密微观结构有效防止了水分渗透，进而提高了路面的使用寿命和性能（Siddika等人，2021年）。

Avirneni等人（2016年）研究了使用粉煤灰基地质聚合物稳定的RAP作为基层材料的耐久性表现。通过湿干循环测试分析了地质聚合物稳定的RAP混合物。结果表明，即使在交替湿润/干燥等恶劣条件下，稳定的RAP和原始骨料混合物仍表现出较强的耐久性，并保持了压缩强度。此外，Milad等人（2021年）在综述中指出，基于废弃物的地质聚合物可以提高沥青混合物的疲劳抵抗力。Yaro等人（2023b年）强调了将生物炭基地质聚合物复合材料整合到沥青混合物中的耐久性优势，特别是在交通负荷增加和环境挑战日益严峻的情况下。通过优化沥青粘合剂（4%-6%）和BGC含量（0-4%），该研究旨在提高防水性、刚度和温度稳定性。研究发现，加入地质聚合物粘合剂显著增强了沥青的机械性能，同时降低了其对温度的敏感性，从而提高了沥青混合物的整体耐久性。另一个值得关注的是用地质聚合物稳定的土壤的硫酸盐抗性，这在易受硫酸盐损害的地区尤为重要。

Luo等人（2022年）研究了用矿渣-粉煤灰基地质聚合物稳定的软土的硫酸盐抗性，并将其性能与水泥稳定的土壤进行了比较。样品被浸入2.5%的硫酸钠溶液中不同时间（3天、7天、28天、60天和90天），评估了其抗压强度（UCS）、外观和质量变化。结果表明，地质聚合物稳定的土壤比水泥稳定的土壤具有更好的硫酸盐抗性，后者经历了明显的物理退化。而地质聚合物样品基本保持完好，水泥稳定的土壤则逐渐失去强度，最终完全失效。这些结果表明，地质聚合物稳定化为暴露在硫酸盐环境中的软土提供了更好的耐久性。

Wang等人（2022年）进一步研究了水泥稳定土壤和矿渣-粉煤灰基地质聚合物稳定土壤在硫酸盐作用下的抗性，采用了视觉变化、质量波动、强度发展和显微分析等测试方法。研究表明，稳定剂的类型对硫酸盐抗性起着关键作用。由于AFt的形成导致膨胀应力，水泥稳定的土壤在硫酸盐作用下迅速恶化，而地质聚合物稳定的土壤表现出极强的抗硫酸盐降解能力。矿渣与粉煤灰的比例（10:0、9:1、8:2和7:3）影响了地质聚合物的硫酸盐抗性，其中9:1的比例（G-2）表现最佳。经过90天的硫酸钠溶液浸泡后，G-2的压缩强度仍为7.13 MPa，强度保留系数为86.6%。地质聚合物化过程中产生的N-A-S-H凝胶起到了阻止硫酸根离子渗透的作用，从而提高了土壤的硫酸盐抗性。这些结果表明，使用工业废弃物中的地质聚合物稳定化是一种提高硫酸盐敏感地区土壤耐久性的可行方法。

Provis和Deventer（2014年）报道，俄罗斯使用OPC和GGBS基地质聚合物混合物建造了一段6公里的高等级道路试验段。15年后，含有地质聚合物添加剂的路段表现出优异的性能和可靠性，而仅使用OPC添加剂的路段则出现了显著退化。这突显了地质聚合物材料相比传统OPC的耐久性优势。

**地质聚合物在柔性路面建设中的环境效益**

柔性路面建设是现代工业系统的重要组成部分，占自然资源消耗的40%-80%和全球温室气体排放的40%-50%（Xia等人，2020年）。这一行业加剧了当前面临的环境问题。使用地质聚合物粘合剂带来了诸多好处，包括节约自然资源、减少温室气体排放和减少填埋废物（Huang等人，2009年）。然而，关于地质聚合物材料在整个生命周期内是否真正能够节约能源和减少碳足迹仍存在疑问。某些阶段，如碱激活剂的上游生产，可能会消耗大量能源，可能抵消部分环境效益。近年来，研究人员越来越多地采用生命周期评估（LCA）来评估环境影响（Hasan等人，2020年；Santero等人，2011年）。这种方法能够全面分析从材料生产到最终处置的每个阶段的环境影响，有助于更好地识别和管理关键排放环节。

Zhang等人（2021年）应用LCA方法评估了采用再利用和回收策略的路面基层的环境影响。分析了四种类型的稳定路面基层材料：废玻璃-粉煤灰基地质聚合物稳定的碎石（WFAG）、粉煤灰基地质聚合物稳定的碎石（FAG）、水泥稳定的碎石（CS）和水泥-粉煤灰稳定的碎石（CFAS）。如表3所示，地质聚合物路面基层显著降低了全球变暖潜力（GWP）。与CS相比，WFAG和FAG的GWP每功能单位减少了17.9%的二氧化碳当量。然而，使用纯NaOH稳定的路面基层的臭氧消耗潜力（ODP）比使用复合激活剂时高出一个数量级。尽管GWP有所降低，但传统路面基层在其他大多数指标上仍表现出较低的环境影响，这表明地质聚合物路面基层的应用可能存在一定的污染转移。

**结论**

• 地质聚合物在柔性路面应用中的耐久性和机械性能受到前体组成、碱激活剂类型、固化条件和微观结构特征等因素的显著影响。
• 基于粉煤灰的地质聚合物是最广泛使用且最有效的前体，因为它们易于获取、具有火山灰反应性，并且具有更好的抗水分渗透、硫酸盐损害和疲劳性能。
• 碱激活剂（氢氧化钠、氢氧化钾或硅酸盐溶液）的选择在地质聚合物化过程中至关重要，会影响强度、耐久性和微观结构稳定性等性能。
• 结合生态设计（DOE）方法可以为优化地质聚合物粘合剂配方提供途径，从而提高特定路面应用的耐久性和机械性能。
• 如矿山废弃物、红泥和高炉矿渣等替代材料在提高地质聚合物的强度和耐久性方面显示出潜力，尤其是在基层和底基层中。
• 尽管地质聚合物在环境方面具有明显优势，但在选择原材料、生产过程和生命周期阶段需谨慎考虑，以最大化其在柔性路面建设中的可持续性和竞争力。
• 总体而言，基于粉煤灰的地质聚合物凭借其优异的耐久性特性，是最有效的前体，能够确保柔性路面的长期性能。

**作者贡献声明**

Idorenyin Usanga：撰写——原始草稿，方法论。
Chijioke Ikeagwuani：撰写——审阅与编辑，概念构思。

**未引用的参考文献**
Alameri和Jaafar，2022年；Aziz等人，2021a；Aziz等人，2021b；Chen等人，2024年；Eyo等人，2020年；Jungyeon等人，2022年；Marvila等人，2021年；Nasir等人，2024年；Rihan等人，2024年；Salimi和Ghor bani，2020年；Shilar等人，2022年；Siyal等人，2018年；Wei等人，2021年；Wu等人，2022年。