热处理、发泡剂与稳定剂对粉煤灰基地质聚合物泡沫合成的影响：拉曼光谱与核磁共振研究

为解决传统建筑材料高能耗、高污染问题，研究人员通过调控热处理温度（70°C、300°C、600°C）、发泡剂（Al粉0.1-0.7%）和稳定剂（SDS 0.1-0.5%）比例，系统研究了粉煤灰基地质聚合物泡沫（GF）的力学与微观结构特性。结果表明，增加孔隙率会降低抗压强度，而高温处理导致Si-O-Si网络从Q4 向Q3 转变。该研究为绿色建材开发提供了理论依据。

　　

随着全球对可持续发展的重视，传统水泥工业的高碳排放（约占全球CO₂
排放量的8%）成为亟待解决的问题。地质聚合物（Geopolymer, GP）作为一种新型低碳胶凝材料，因其以工业废渣（如粉煤灰）为原料、低温制备等优势备受关注。然而，地质聚合物泡沫（Geopolymer Foam, GF）在轻质建材和废水处理等领域的应用中，仍面临孔隙率与力学性能难以平衡、高温稳定性不足等挑战。

为解决这些问题，来自摩洛哥Jorf Lasfar电厂的研究团队在《Sustainable Chemistry for the Environment》发表论文，系统探究了热处理、发泡剂（铝粉）和稳定剂（十二烷基硫酸钠，SDS）对粉煤灰基地质聚合物泡沫性能的影响。研究通过多尺度表征技术揭示了孔隙率与Si-O-Si网络结构的演变规律，为优化GF性能提供了科学依据。

研究团队采用碱性活化法（NaOH/Na₂
SiO₃
溶液）制备GF，通过改变Al粉（0.1-0.7%）和SDS（0.1-0.5%）含量设计9组配方，并设置70°C、300°C和600°C三级热处理。关键实验技术包括：X射线衍射（XRD）分析晶体相变，拉曼光谱检测Si-O-Si键振动模式，²⁷
Al/²⁹
Si魔角旋转核磁共振（MAS NMR）解析铝/硅配位环境，以及扫描电镜（SEM）观察孔隙形貌。

3.1 抗压强度
研究发现，当Al粉含量从0.1%增至0.7%时，GF抗压强度由1.8 MPa降至0.6 MPa。SDS的添加呈现双重效应：在低Al粉（0.1%）下会降低强度，但在0.5% Al粉时因稳定孔隙结构反而提升强度。高温处理后，样品GF9（0.7% Al粉+0.5% SDS）强度损失达54%，归因于水分蒸发导致的微裂纹。

3.2 孔隙率与比表面积
BET测试显示，GF1（0.1% Al粉）孔隙率从70.7%（70°C）降至31.6%（600°C），表明高温促使凝胶致密化。但高Al粉组（如GF6）因气泡合并形成连通孔，比表面积从12.9 m²
/g骤降至1.2 m²
/g。

3.3 拉曼光谱分析
拉曼位移揭示了结构退化机制：GF3在300°C下1373 cm^?1
峰移至1149 cm^?1
，对应Si配位从Q⁴
（四面体）向Q³
（三维网络断裂）转变。600°C时所有样品出现1050 cm^?1
峰（Q²
结构），与强度下降直接相关。

3.4 核磁共振表征
²⁷
Al NMR显示，高温处理后四配位铝（+57 ppm）信号宽化，表明结晶度降低。²⁹
Si NMR中?85 ppm峰（Q⁴
(3Al)）在600°C时向?70 ppm（Q¹
）偏移，证实凝胶解聚。

3.5 微观形貌
SEM显示GF6（0.5% Al粉）孔隙分布均匀（孔径~50 μm），而GF1（0.1% Al粉）出现毫米级连通孔。EDS证实所有样品主要含N-A-S-H凝胶（Na₂
O-Al₂
O₃
-SiO₂
-H₂
O），Si/Al比稳定在2.1-2.5。

该研究首次通过多尺度关联分析，阐明了GF性能衰减的化学机制：高温导致Si-O-Si网络解聚和孔隙塌陷是强度下降的主因。通过优化Al粉与SDS配比（建议0.5% Al粉+0.3% SDS），可在孔隙率>60%时保持1.3 MPa强度，满足轻质建材需求。此外，拉曼光谱与NMR联用为无定形硅铝酸盐结构解析提供了新思路，对推动地质聚合物在极端环境（如防火隔热）中的应用具有重要指导意义。