SiO2/CaO比例调控高碱镁渣基玻璃陶瓷的结晶行为与性能优化研究

为解决高碱镁渣(MS)环境污染与低值化利用难题，研究人员通过调控SiO2/CaO比例（1.20-2.22），系统研究了其对玻璃网络结构（Qn解聚度2.59→1.84）、晶相演变（从镁黄长石→硅灰石）及性能的影响，最终获得抗弯强度133.6 MPa、酸/碱耐受性88.29%/98.35%的优质玻璃陶瓷，为工业固废高值化利用提供新策略。

　　

镁工业的快速发展带来了严峻的环境挑战——每生产1吨金属镁就会产生5-7吨高碱镁渣(MS)，我国年排放量超过500万吨。这些富含CaO/SiO₂>2的废渣在自然环境中会粉化成γ-2CaO·SiO₂(γ-C₂S)，引发扬尘污染和土壤碱化。虽然现有研究尝试将MS用于矿井回填、碳封存等领域，但存在利用率低(<30%)、产物性能不稳定等问题。如何实现MS的高效资源化利用，成为摆在研究者面前的重大课题。

中国某研究机构（根据CRediT署名推测为国内团队）的研究人员独辟蹊径，选择将MS转化为高性能玻璃陶瓷。这种材料兼具玻璃的化学稳定性和陶瓷的机械强度，已被证明能有效固化重金属等有害物质。但MS中CaO含量超50 wt%，会破坏玻璃网络结构，传统方法难以直接利用。研究团队创新性地通过添加SiO₂调节原料的SiO₂/CaO比例（1.20-2.22），在CaO-MgO-SiO₂三元相图指导下设计配方，采用熔融-结晶法制备玻璃陶瓷，相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》。

研究主要运用了以下关键技术：基于三元相图的成分设计、差示扫描量热法(DSC)测定结晶温度（870.2-917.9℃）、拉曼光谱分析Qⁿ结构单元（n=0-4）、X射线衍射追踪晶相演变。通过50 wt% MS的优化配方，实现了固废高值化利用与性能提升的双重目标。

结晶行为调控 DSC分析显示，随着SiO₂/CaO比从1.20增至2.22，玻璃网络解聚度(Qⁿ)从2.59降至1.84，结晶温度先升至917.9℃后微降至916.6℃，表明SiO₂的添加增强了网络稳定性。

晶相定向演变 XRD证实，低SiO₂/CaO比时主晶相为镁黄长石(Ca₂MgSi₂O₇)，当比例提高后转变为硅灰石(CaSiO₃)，而2.22时出现少量SiO₂相，这种相变直接调控了材料性能。

性能突破 最优组(50 wt% MS)展现出卓越的综合性能：抗弯强度133.6 MPa（优于传统建材大理石）、密度2.95 g·cm^-3、吸水率仅0.041%，特别是酸/碱耐受性分别达88.29%和98.35%，远超行业标准。

这项研究建立了"成分-结构-性能"的调控机制，不仅为MS的高值化利用（利用率达50 wt%）提供了可行方案，更开创了通过简单调节SiO₂/CaO比例定向控制玻璃陶瓷性能的新思路。MS中天然含有的CaF₂还被证实可作为成核剂促进结晶，这种"以废治废"的策略具有显著的环境和经济效益。研究成果为其他高钙固废的资源化利用提供了重要参考，推动工业生态化转型迈向新高度。