膨润石基轻质地质聚合物砂浆的电磁屏蔽性能与力学性能

抵御肉眼看不见的波

看不见的电磁波云团如今围绕在我们周围，从电力线、无线网络和日常设备中逸出。虽然这些信号使现代生活成为可能，但它们也会干扰敏感电子设备，并在高密度城市中可能带来健康顾虑。本研究探讨了一种新型轻质、无水泥的建筑材料，既能阻挡不需要的辐射，又有助于降低建筑的碳足迹。

一种新型保护墙

研究者们关注“地质聚合物”——一类可替代传统波特兰水泥的材料。地质聚合物不是在耗能的窑中烧制，而是通过用碱性溶液活化工业副产物（如粉煤灰）形成坚硬、类石质的网络制成。在此基础上，团队加入了膨润石，这是一种天然矿物，受热后会膨胀成轻质多孔材料。膨润石已被用于防火抹灰和保温材料；在这里，它作为墙体的关键成分进行测试，既能减轻建筑自重，又能屏蔽散射的电磁波。

样品的制备与测试

团队配制了十六种不同配方，使用粉煤灰、硅酸钠溶液、氢氧化钠溶液，并以体积替代方式将普通砂按 0%、25%、50% 或 100% 替换为膨润石。他们还调节碱性“活化剂”的强度，使用 10 至 13 摩尔／升的氢氧化钠溶液。每个配方既浇筑小块用于弯曲和压缩测试，也浇筑较大的平板用于电磁测量。平板置于连接高精度网络分析仪的两只角喇叭天线之间，使研究者得以在 3 至 40 吉赫范围内跟踪入射微波信号的反射、透射或吸收——覆盖雷达、卫星链路以及新兴的 5G 与 6G 系统所用的频段。

材料对波与载荷的应对方式

所有膨润石基地质聚合物的配方均表现出良好的“阻抗匹配”，这意味着它们并非仅在表面将波反射掉，而是允许波进入并在材料内部逐渐减弱。在较高的微波频率下，若干配方产生了强力屏蔽，信号强度降低超过 50 分贝——相当于功率被削减超过 10 万倍。同时，加入膨润石使试块明显变轻，密度最多下降约 17%。力学测试揭示了一个权衡：压缩强度最高的配方不含膨润石，但适量的 25% 膨润石在弯曲强度方面效果最佳，因为其片状颗粒有助于在不开裂过度孔化的情况下桥接裂缝。

寻找平衡点

为了在这些相互竞争的要求之间取得平衡，作者采用了一种称为田口方法的统计设计手段。这使他们能够识别出膨润石含量与碱度强度的组合，从而共同优化力学性能与屏蔽能力。分析表明，膨润石比例对强度影响最大，而氢氧化钠溶液浓度对高频屏蔽更为关键。最均衡的配方约含 25% 膨润石，且活化剂强度为中高范围（11–13 摩尔），在提供稳固结构性能的同时，在毫米波频段（先进通信使用的频段）表现出较强的衰减能力。

这对未来城市为何重要

显微镜与化学分析证实，这些配方形成了致密、互联的矿物网络，并伴有由膨润石产生的可控孔隙。这种结构既承载机械荷载，又能扰乱入射电磁波，使其散射并以热能损耗。通俗地说，该研究表明可以设计出比传统混凝土更轻的墙板和其他非承重构件，这些构件由工业废料而非熟料水泥制成，同时能作为室内的“电磁遮雨伞”。通过在耐久性和大规模生产方面进一步工作，此类材料可助力城市管理电磁污染并向更绿色的建筑迈进。

引用: Çelik, A., Tunç, U., Durmuş, A. et al. Electromagnetic shielding performance and mechanical properties of vermiculite-based lightweight geopolymer mortars. Sci Rep 16, 7865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38722-1

关键词: 电磁屏蔽, 地质聚合物混凝土, 膨润石, 可持续建筑材料, 5G 与 6G 基础设施