《Next Materials》：Cellular lightweight high calcium fly ash geopolymer concrete containing basalt fiber cured at ambient temperature
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本研究开发了一种常温养护的含玄武岩纤维（basalt fiber, BF）的泡沫轻质高钙粉煤灰地聚物混凝土（cellular lightweight high calcium fly ash geopolymer concrete）。研究人员采用高钙粉煤灰作为
本研究开发了一种常温养护的含玄武岩纤维（basalt fiber, BF）的泡沫轻质高钙粉煤灰地聚物混凝土（cellular lightweight high calcium fly ash geopolymer concrete）。研究人员采用高钙粉煤灰作为前驱体，以硅酸钠（sodium silicate, NS）和氢氧化钠（sodium hydroxide, NH）作为碱激发剂，并掺入玄武岩纤维和蛋白质基发泡剂。研究系统考察了泡沫掺量、液灰比（L/FA）、硅酸钠与氢氧化钠比（NS/NH）以及氢氧化钠浓度对混凝土抗压强度、密度、吸水率、孔隙率、导热系数和吸声系数的影响。结果表明，泡沫掺量增加会显著降低混凝土的密度和抗压强度，而玄武岩纤维的掺入可通过裂纹桥接和界面增强作用部分抵消强度损失。在4%玄武岩纤维和3%泡沫掺量条件下，混凝土获得38.3 MPa的抗压强度和1691 kg/m3的密度，适用于结构用途；而在4%玄武岩纤维和6%泡沫掺量条件下，抗压强度为6.32 MPa，密度为1119 kg/m3，适用于砌体用途。研究还发现，较高的NaOH浓度（20 M）和较高的NS/NH比（3:3）有利于提高抗压强度，但会增大密度。玄武岩纤维的掺入改善了基体的致密性和界面粘结性能，并通过提供成核位点促进了地聚物凝胶的形成。该研究为开发兼具轻质、高强、保温及吸声功能的多功能环保建筑材料提供了新途径。
一、研究背景与目的
随着全球温室气体排放和环境问题的日益严重，建筑行业对可持续材料的需求愈发迫切。水泥生产是高能耗过程，在熟料生产过程中通过碳酸盐矿物热分解直接释放大量二氧化碳（CO?）。与此同时，燃煤发电产生大量粉煤灰等工业副产物，其不当填埋处理不仅占用土地，还可能造成环境问题。然而，粉煤灰富含铝硅酸盐组分，可作为替代性胶凝材料的前驱体。地聚物（geopolymer）作为一种通过碱性活化含铝硅酸盐工业副产物而形成的胶凝材料，具有替代波特兰水泥的潜力。轻质混凝土因其密度较低（约400–1850 kg/m3）、抗压强度适中（1–45 MPa）以及良好的隔热性能而受到关注。泡沫轻质混凝土（cellular lightweight concrete, CLC）通过引入空气孔隙实现低密度，但孔隙率的增加会显著降低力学强度。为弥补这一不足，纤维增强成为改善多孔基体完整性的有效途径。玄武岩纤维（basalt fiber, BF）因其高抗拉强度、高弹性模量、优异的化学稳定性和热稳定性而备受关注。然而，以往研究多集中于致密地聚物混凝土或仅关注力学性能，对玄武岩纤维在高度多孔泡沫地聚物体系中的增强作用研究较少。因此，本研究旨在集成高钙粉煤灰地聚物化、可控泡沫成孔和玄武岩纤维增强技术，在常温养护条件下开发多功能轻质地聚物混凝土，系统评估不同泡沫和玄武岩纤维掺量下材料的力学、物理、热学和声学性能。
二、研究内容与结论
研究人员采用顺序参数化方法，设计了四个系列试验：系列I考察泡沫掺量（0–6%）的影响；系列II考察液灰比（L/FA=0.4、0.6、0.8）的影响；系列III考察硅酸钠与氢氧化钠比（NS/NH=1:3、2:3、3:3）的影响；系列IV考察氢氧化钠浓度（10、15、20 M）的影响。所有配合比中，粉煤灰以0、2、4、6%的重量比例被玄武岩纤维替代。试验结果表明：泡沫掺量增加导致抗压强度和密度显著降低，但玄武岩纤维通过裂纹桥接作用部分抵消了这种损失；液灰比增加会因多余液体促进泡沫渗透和孔隙形成而降低强度，但纤维的掺入改善了载荷传递和断裂韧性；NS/NH比从1:3增至3:3时，抗压强度逐渐提高，归因于可溶性二氧化硅的增加促进了铝硅酸盐凝胶的形成；NaOH浓度从10 M增至20 M时，抗压强度从27.70 MPa增至40.80 MPa（4%纤维掺量），但20 M浓度也导致密度显著增加，因此15 M被认为是平衡力学性能和轻质特性的最优浓度。在密度方面，4%纤维掺量下，泡沫含量从0%增至6%时，干密度从2145 kg/m3降至1119 kg/m3。吸水率和孔隙率随泡沫掺量增加而增大，4%纤维掺量下孔隙率从10.17%增至44.62%，吸水率从5.13%增至49.60%。XRD分析显示，4%纤维掺量时主衍射峰强度最低（1503 counts），较0%纤维降低28.69%，表明该掺量下无定形反应产物贡献最大，与最优力学性能相对应。SEM观察表明，玄武岩纤维的棒状形貌有助于裂纹桥接和界面增强。
三、关键技术方法
研究人员采用了以下主要技术方法：使用X射线荧光光谱法（XRF）分析粉煤灰和玄武岩纤维的化学成分；使用扫描电子显微镜（SEM）观察材料微观形貌；使用X射线衍射仪（XRD）分析矿物组成；按照ASTM C109/C109M-21标准测试抗压强度；按照ASTM C138/C138M-17a标准测定密度；按照ASTM C642–21标准测定吸水率和孔隙率；使用便携式热传导分析仪ISOMET2114基于ASTM D 5930–17标准测定导热系数；使用阻抗管测试系统（BSWA-III-C02103–0027-IMP）按照ASTM E1050–24标准测定吸声系数。原材料包括来自泰国南邦府湄莫电厂的高钙粉煤灰、玄武岩纤维、硅酸钠（Na?O 15.32%、SiO? 32.87%、水51.8%）、10–20 M氢氧化钠以及蛋白质基发泡剂（发泡剂与水比例1:40，压力5 bar）。所有试件均在常温（25±3 °C）下制备和养护。
四、结果讨论
系列I泡沫试验表明，泡沫掺量增加导致抗压强度和密度显著降低，这归因于孔隙率增加和有效承载截面积减小，同时泡沫中水分稀释了碱激发前驱体，阻碍了地聚物凝胶相的形成。玄武岩纤维的掺入通过裂纹桥接和能量吸收机制部分弥补了强度损失。XRD定量分析显示4%纤维掺量时主峰强度最低，表明无定形反应产物贡献最大。
系列II液灰比试验表明，L/FA从0.4增至0.8时抗压强度降低，归因于多余液体促进泡沫渗透并在硬化过程中留下孔隙。玄武岩纤维通过裂纹桥接和促进CSH、CASH和NASH凝胶形成而改善了性能。
系列III NS/NH比试验表明，NS/NH=1:3时抗压强度最低，归因于硅酸钠含量不足；NS/NH=3:3时强度最高，因为可溶性二氧化硅的增加促进了铝硅酸盐凝胶的形成和聚合平衡。
系列IV NaOH浓度试验表明，NaOH浓度从10 M增至20 M时抗压强度增加，高碱性促进粉煤灰中硅和铝的溶解，增强地聚物反应。但20 M浓度导致密度显著增加，15 M被认为是平衡力学性能和轻质特性的最优选择。
五、研究结论
本研究成功开发了常温养护的玄武岩纤维增强高钙粉煤灰泡沫地聚物混凝土。在4%玄武岩纤维和3%泡沫掺量条件下，获得了38.3 MPa的抗压强度和1691 kg/m3的密度，满足结构轻质混凝土的应用要求；在4%玄武岩纤维和6%泡沫掺量条件下，抗压强度为6.32 MPa，密度为1119 kg/m3，适用于砌体材料。玄武岩纤维的最佳掺量为4%（重量比），其裂纹桥接和界面增强作用有效改善了多孔基体的力学性能。该研究为开发兼具轻质、高强、隔热和吸声功能的多功能可持续建筑材料提供了新途径，对促进工业副产物利用和减少水泥消耗具有重要意义。
