玄武岩粉增强偏高岭土基地质聚合物砌块：可持续建筑材料的性能优化与环境效益研究

本研究针对传统水泥高碳排放问题，开发了以偏高岭土(MK)和玄武岩粉为原料的地质聚合物砌块。通过调控MK-玄武岩配比(70:30、60:40、50:50)，系统评估了材料的物理化学性能。结果表明：50:50配比试样获得最高抗压强度(19.6 MPa)和密度(2.31 g/cm3)，60:40配比呈现最优微观结构均匀性。研究为开发低碳建筑材料提供了重要技术路径。

　　

在全球建筑行业亟需低碳转型的背景下，传统水泥生产带来的环境压力日益凸显。据统计，水泥产业贡献了全球7-8%的二氧化碳排放，其高温煅烧工艺不仅消耗大量能源，更直接导致温室气体排放。面对可持续发展要求，开发既能满足结构性能又环境友好的新型建筑材料已成为当务之急。地质聚合物（Geopolymer）作为一种新型无机胶凝材料，通过碱性激发硅铝质原料在常温下形成三维网络结构，不仅大幅降低能耗，还具有优异的耐化学腐蚀和耐高温性能，被誉为绿色建筑的未来之星。

在这项发表于《Next Sustainability》的研究中，Blasius Ngayakamo与Silke Christiansen团队创新性地将偏高岭土(Metakaolin, MK)与玄武岩粉进行复合，系统探究了不同配比对地质聚合物性能的影响。偏高岭土作为高活性硅铝质前驱体，具有SiO₂(50.70%)和Al₂O₃(40.15%)含量高的特点，而玄武岩粉则富含铁氧化物(Fe₂O₃ 8.78%)和钙氧化物(CaO 10.60%)，二者协同可优化材料性能。研究人员通过调控MK与玄武岩粉的比例(70:30、60:40、50:50)，采用10M氢氧化钠溶液作为碱性激发剂，制备了标准尺寸(50×50×50 mm)的地质聚合物砌块，并系统评估了其物理力学性能与微观结构特征。

关键技术方法包括：采用X射线荧光光谱(XRF)分析原料化学成分；通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征聚合反应过程中的官能团变化；利用扫描电子显微镜(SEM)观察微观结构演变；依据ASTM标准测试抗压强度、吸水率和体积密度等力学性能指标。所有实验均在德国弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所(IKTS)的先进实验平台完成。

化学组成分析显示：

XRF分析证实了MK的高硅铝含量特性，而玄武岩粉则表现出显著的铁钙氧化物特征。这种化学成分差异为后续的协同效应奠定了基础。

FTIR表征结果：

红外光谱显示，随着MK含量的增加，Si-O-Al伸缩振动峰发生位移，表明聚合反应程度加深。在1000 cm^-1附近出现的特征峰证实了铝硅酸盐网络结构的形成，且高MK配比样品显示出更明显的交联结构特征。

物理力学性能测试：

吸水率测试表明，随着玄武岩含量增加和养护时间延长，吸水率显著降低。50:50配比试样在28天养护后吸水率降至8.0%，显示出优异的耐水性。体积密度测试显示，50:50配比获得最高密度值(2.31 g/cm3)，较70:30配比提高22.5%。抗压强度测试表明，50:50配比在28天养护后达到19.6 MPa的最高强度，60:40配比则为17.4 MPa，证明玄武岩粉的加入显著增强了力学性能。

微观结构分析：

SEM观察揭示了不同配比的微观结构演变。70:30配比显示中等密化程度，存在部分未反应的MK颗粒；60:40配比呈现出最均匀致密的微观结构，N-A-S-H凝胶相（钠铝硅酸盐 hydrate凝胶）连续分布；50:50配比虽密度最高，但微观结构均匀性有所下降，玄武岩颗粒分布略显离散。28天养护后，所有配比均显示出更完整的凝胶结构和减少的孔隙率。

研究结论表明，MK-玄武岩地质聚合物砌块作为一种可持续建筑材料，具有显著的环境和性能优势。60:40配比在微观结构均匀性、力学性能和耐久性之间达到最佳平衡，而50:50配比则展现出最优的力学强度。这种材料不仅利用工业副产物减少了自然资源消耗，其常温制备工艺更大幅降低了碳排放。该研究为开发高性能绿色建筑材料提供了重要技术路径，对推动建筑行业可持续发展具有重要实践意义。未来研究可进一步探索大规模生产工艺优化和长期耐久性评估，以促进该类材料的实际工程应用。