综述：固废基单组分纤维增强地质聚合物复合材料：材料设计、性能与可持续性的批判性综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Waste-derived one-part fiber-reinforced geopolymer composites: A critical review of materials design, performance, and sustainability

　　

单组分纤维增强地质聚合物复合材料已作为一种极具前景的固废基低碳胶凝材料涌现，与传统双组分地质聚合物体系相比，其提供了一种“即加即水”的方法，改善了操作安全性和现场施工性。通过使用固体碱性激发剂代替预先配制好的碱性溶液，单组分体系促进了工业和农业副产品作为反应性前驱体的资源化利用，同时降低了与传统胶凝材料相关的环境影响。尽管具有这些优势，当前的研究仍然分散，现有的综述主要集中在常规地质聚合物体系或个别方面，如前驱体、纤维增强或耐久性。目前仍缺乏对整合了组成材料、反应机理、力学性能、可持续性和智能材料设计的固废基单组分纤维增强地质聚合物复合材料的全面理解。为了填补这一空白，研究人员批判性地总结了固废基单组分纤维增强地质聚合物复合材料的最新进展，特别强调了前驱体、固体碱性激发剂、再生骨料、纤维增强、配合比设计、制备路线、地质聚合反应机理、新拌性能、力学性能和耐久性。系统讨论了不同纤维类型的增强机理，强调单组分纤维增强地质聚合物复合材料的整体性能受纤维类型与掺量、纤维-基体界面特性、基体化学和前驱体成分的共同控制。在已发表的研究中，单组分纤维增强地质聚合物复合材料表现出宽广的力学性能范围，报告的抗压强度约为2.3–104 MPa，抗弯强度为0.58–14.3 MPa，单轴抗拉强度为2.3–6.3 MPa，这些通常在纤维含量为0.5–2.5 vol%时实现。此外，建立了一个源自文献的数据库，并使用沙普利加和解释进行解读，以定量识别控制力学性能的关键参数，为智能配合比优化提供数据驱动的指导。最后，突出了当前的研究挑战和未来前景，包括前驱体变异性、低碳固体激发剂的开发、长期耐久性评估、固废基成分的标准化利用、可持续性评估以及可解释的人工智能辅助材料设计。本综述为下一代固废基单组分纤维增强地质聚合物复合材料的可持续发展、智能设计和大规模工程应用提供了一个全面的科学框架。

1. 引言
每年产生的大量工农业副产品（如粉煤灰(FA)、高炉矿渣(GGBFS)等）多被填埋，导致环境污染和资源浪费。由于富含活性SiO₂和Al₂O₃，这些固废材料可作为前驱体合成地质聚合物，替代传统硅酸盐水泥(PC)，显著降低能耗和CO₂排放。然而，常规双组分地质聚合物依赖高浓度碱液，存在腐蚀和操作危险。单组分地质聚合物复合材料(OPGC)使用固体碱性激发剂，仅需加水，改善了安全性和施工性。但其存在收缩大、脆性断裂等局限。掺入纤维形成单组分纤维增强地质聚合物复合材料(OPFRGC)，通过裂缝桥接等机制提高韧性和抗裂性。目前关于OPFRGC的研究较为零散，缺乏对材料组成、反应机理、力学性能与可持续性之间关系的系统理解。

2. 固废基OPFRGC的组成材料
2.1. 前驱体
前驱体提供活性SiO₂和Al₂O₃（含钙系统提供CaO），在碱激发下溶解并形成N-A-S-H和/或C-(A)-S-H凝胶。GGBFS富含CaO，促进C-A-S-H凝胶快速形成；FA球状颗粒改善工作性，常与GGBFS复掺形成复合凝胶；偏高岭土(MK)几乎不含CaO，可延长凝结时间并形成致密凝胶；硅灰(SF)和稻壳灰(RHA)等富硅材料用于调节SiO₂/Al₂O₃摩尔比；煤矸石和甘蔗渣灰(SCBA)反应活性低，需经机械或热活化。
2.2. 固体激发剂
固体激发剂同时作为碱源和动力学调节剂。碱金属基激发剂（如NaOH、Na₂CO₃）提供OH^-并形成Si-O-Al网络；碱土金属基激发剂（如Ca(OH)₂）提供Ca²⁺以形成C-A-S-H凝胶；混合激发剂结合两者优势，平衡碱度和硅含量，优化反应过程。
2.3. 骨料
常用天然、再生和轻质骨料。废玻璃(WG)低吸水且具火山灰活性；钢渣机械强度高但需控制游离CaO和MgO引起的体积不稳定性；再生混凝土骨料(RCA)孔隙率高，但地质聚合物可改善其界面过渡区。
2.4. 纤维
纤维分为金属、无机、有机和天然纤维。钢纤维高强且界面粘结好；玻璃和玄武岩纤维耐碱性较差，需表面改性；碳纤维(CF)高强高模但易团聚；聚乙烯醇(PVA)纤维亲水且与基体化学键合，但高掺量降低工作性；聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)纤维疏水且化学稳定，但界面粘结较弱；天然纤维（如大麻、竹纤维）能提高韧性但在强碱中易降解；回收纤维（如回收轮胎钢纤维(RTSF)、回收聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维）具有环保优势但界面粘结需优化。
2.5. 其他组分
2.5.1. 纳米材料
纳米材料（如纳米SiO₂）通过微填充和火山灰反应细化孔隙；外加剂包括减水剂、缓凝剂（防止固体碱溶解放热导致速凝）和保水剂（减少开裂）。
2.5.2. 外加剂
聚羧酸系减水剂降低水胶比；磷酸盐类缓凝剂通过形成低溶解度化合物抑制凝胶快速成核；聚乙二醇基保水剂减少水分流失。

3. OPFRGC的生产原理与制备路线
OPFRGC将固体激发剂掺入干前驱体中，加水后激发剂溶解释放OH^-和硅酸盐，促进前驱体溶解并聚合成三维网络。低反应性前驱体常需机械活化。纤维表面提供成核位点并桥接微裂缝。制备需对废料进行预处理（如天然纤维预干燥、回收纤维表面处理、废玻璃粉磨等）。机械化学活化分为非耦合和耦合两种。有机纤维通常先加水成浆后分散，金属纤维常干混后再加水。相比双组分体系，单组分体系减少了运输风险但增加了预处理能耗。

4. 新拌性能与反应发展
4.1. 流变学
流变行为由激发剂溶解动力学和早期地质聚合反应共同控制。研磨处理的激发剂可降低粘度。刚性纤维主要增加屈服应力，柔性纤维增加粘度。混合纤维可平衡流变阻力和结构稳定性。
4.2. 反应动力学与硬化
反应分三阶段：溶解阶段（激发剂溶解破坏前驱体键，亲水性纤维延缓溶解）；凝胶化阶段（单体聚合成凝胶，亲水性纤维延缓聚合并细化凝胶尺寸）；重组硬化阶段（凝胶网络缩聚致密化，强度趋于稳定）。纤维通过吸水和界面效应改变局部反应环境，影响表观硬化速率。

5. 力学与功能性能
5.1. 抗压行为
纤维通过桥接裂缝改善延性。钢纤维增强效果最显著；PE和PP纤维适合轻质体系；PVA和玻璃纤维单掺降低强度，混掺可优化；天然纤维因界面粘结差在高掺量时降低强度。最优掺量通常在0.5–1.0 vol%。
5.2. 抗弯行为
抗弯性能受界面粘结和裂缝桥接效率控制。天然纤维在低掺量下提升抗弯强度并改变破坏模式为延性，钢纤维提供最大增强。混合纤维系统结合钢纤维高承载和合成纤维延性，性能优越。
5.3. 单轴拉伸行为
直接拉伸最能反映纤维增强效率。PE纤维表现出显著应变硬化和多重微裂缝；人工地质聚合物骨料(GPA)作为人工缺陷促进饱和微裂缝，与PE纤维协同增强拉伸延性。CF因高弹性模量和抗疲劳性，能有效提高拉伸耐久性。
5.4. 冲击韧性
混合纤维系统在抗冲击方面具显著协同效应。钢纤维和PP纤维混掺可大幅提高抗冲击性。不同尺度纤维参与裂缝控制，钢纤维桥接宏观裂缝，PP或PE纤维抑制微裂缝。
5.5. 基于OPFRGC力学性能分析的SHAP方法
5.5.1. 文献数据数据库构建
建立包含356个数据点的数据库，输入变量包括前驱体成分、纤维类型和掺量，目标变量为力学性能。
5.5.2. SHAP方法论
沙普利加和解释(SHAP)是一种可解释人工智能(XAI)框架，量化输入变量对模型预测的贡献。
5.5.3. 基于SHAP的控制参数解读与材料设计启示
抗压强度受纤维类型和前驱体共同控制；抗弯强度主要受控于FA和纤维掺量；单轴抗拉强度由纤维类型主导。矿物掺合料控制基体相关性能，纤维控制裂缝桥接相关性能。
5.6. 地质聚合物复合材料的AI辅助预测与智能优化
机器学习(ML)被用于建立混合参数与力学性能的定量关系，正从预测工具向智能优化和逆向设计转变。

6. 耐久性与服役相关性能
耐久性受凝胶化学、孔隙演变和纤维裂缝控制影响。抗冻融方面，低吸水骨料和PP纤维减少水分迁移并桥接裂缝。抗硫酸盐侵蚀方面，致密结构和混合纤维限制膨胀。抗碳化方面，低钙N-A-S-H凝胶更稳定，掺入废玻璃提高抗碳化性。抗渗性方面，合适Na₂O掺量和凝胶致密化减少有害大孔。长期耐久性方面，混合纤维和复合凝胶结构保持长期强度。

7. 可持续应用面临的挑战与未来前景
7.1. 碳足迹
OPFRGC替代PC，全生命周期碳足迹比传统混凝土低40-80%。固体激发剂是主要碳排放源，可通过开发低碳激发剂缓解。纤维增强延长结构寿命，带来全生命周期减排效益，但需权衡机械活化能耗。
7.2. 经济性分析
工农业副产品原料成本低。单组分工艺简化流程，降低安全防护成本。全生命周期成本(LCC)评估显示，其耐久性减少了维护频率，具长期经济优势。
7.3. 可持续性评估与规模化考虑
需开发标准化方法评估前驱体波动，需工程规模验证。缺乏国际认可的单组分地质聚合物规范。需结合全生命周期评估支持其可靠部署。

8. 结论与展望
8.1. 结论
OPFRGC性能受各组分协同控制；固体激发剂控制反应动力学和微观结构；纤维增强改善脆性但依赖其类型和界面；尽管有环保优势，固体激发剂碳足迹和标准化仍是大规模应用障碍；可解释机器学习提供智能优化机会。
8.2. 展望
开发废料衍生替代激发剂；通过原位表征阐明耦合机理；生成复合服役环境下的长期数据集；结合人工智能加速智能设计；解决大体积搅拌和3D打印等工程挑战；拓展至环境修复等多功能应用。