磷酸盐矿山废弃物与麻/玄武岩纤维增强钠基地质聚合物泡沫复合材料的力学与热学性能研究

本文推荐一篇关于废弃物资源化利用的创新研究，探讨了磷酸盐矿山废弃物（PMWR）颗粒与天然/合成纤维（麻/玄武岩）协同增强钠基地质聚合物泡沫（GPF）的力学性能与微观结构。研究通过XRD、TGA/DTG/DSC和SEM/EDS技术揭示了PMWR在碱性体系中的惰性填充作用，以及纤维对孔隙结构和断裂韧性的调控机制。结果表明，15 wt% PMWR与5 wt%纤维的复合体系使三点弯曲强度提升至5–13.5 MPa，同时热导率维持在0.2–0.3 W/m·K，为建筑隔热材料开发提供了可持续解决方案。

　　

1 引言

地质聚合物（Geopolymers, GP）是一类具有三维无定形铝硅酸盐结构的陶瓷状无机聚合物，其化学通式为M₂O·Al₂O₃·xSiO₂·yH₂O（M为Na⁺、K⁺等碱金属离子）。与传统硅酸盐水泥相比，GP因其低碳排放和低能耗特性成为绿色建材的研究热点。泡沫地质聚合物（GPF）进一步拓展了其在轻质混凝土、热声绝缘等领域的应用潜力，但其力学性能与孔隙结构的平衡仍是技术难点。

2 材料与复合体系制备

研究以偏高岭土（Metakaolin, MK）为铝硅酸盐前驱体，通过钠基水玻璃（Na-WG）激活，并引入H₂O₂作为发泡剂。增强相包括两类：

1. 颗粒增强：磷酸盐矿山废弃物（PMWR）经机械处理为44.2 μm颗粒，主要含方解石（CaCO₃）、白云石（CaMg(CO₃)₂）和石英，添加量为5–15 wt%。

2. 纤维增强：未处理的麻纤维（Hemp Fiber, HF）与硅烷涂层玄武岩纤维（Basalt Fiber, BF），长度统一为12.7 mm，添加量为1–5 wt%。

复合体系通过高剪切混合后浇筑成型，50°C养护24小时，最终获得孔隙率可控的GPF复合材料。

3 结果与讨论

3.1 PMWR颗粒的增强机制

XRD分析表明PMWR在GP基体中保持化学惰性，未生成钙镁硅酸盐凝胶（C-S-H/M-S-H）。SEM显示其粗糙表面与基体形成机械互锁，15 wt%添加量使弯曲强度提升77%。TGA证实PMWR中碳酸盐在600–800°C分解，而GP主相在900°C放热结晶为霞石（NaAlSiO₄）。

3.2 纤维的协同效应

• 玄武岩纤维：高模量（89 GPa）和强界面结合使其复合材料弯曲强度达13.5 MPa，断裂能提升1764%。

• 麻纤维：天然缺陷导致界面脱粘，但通过纤维拔出耗能，使延展性指数（μ_E）达1.30。

3.3 热学性能调控

PMWR使孔隙连通性增加，热导率小幅降低（最低0.228 W/m·K）。5 wt%纤维因密度升高导致热导率增至0.319 W/m·K（HF）和0.291 W/m·K（BF），麻纤维的吸湿性进一步加剧该效应。

4 结论

PMWR与纤维的协同作用为GPF提供了力学与结构的双重优化：玄武岩纤维适合高强度场景，而麻纤维更利于增韧。尽管高填料负载会牺牲部分隔热性能，但该体系为矿山废弃物资源化和多功能建材开发提供了新思路。未来需进一步研究纤维表面改性及孔隙-湿度耦合效应。