申俊敏

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092； 2.山西交通控股集團(tuán)有限公司 科技管理部， 山西 太原 030006)

0 引言

地聚物是地質(zhì)聚合物的簡(jiǎn)稱，可以看作是一種更符合可持續(xù)發(fā)展理念及環(huán)境友好的新型膠凝材料，具有致密、高強(qiáng)、耐久及耐腐性能[1]。相比傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥，具有低二氧化碳排放、快凝、早強(qiáng)的特點(diǎn)，可部分或完全替代水泥。地聚物低碳排放的主要原因是添加了富含氧化鈣、氧化鋁的粉煤灰、爐底渣等工業(yè)固體廢棄物[2]。工信部將尾礦、粉煤灰、冶煉渣(爐底渣、電石渣)、煤矸石、赤泥等列為大宗固體廢棄物，列為主要處理對(duì)象。工業(yè)固體廢棄物年產(chǎn)量已達(dá)30億t，其中粉煤灰和爐底渣年產(chǎn)量大約在(14～15)億t，但是工業(yè)固體廢棄物的年平均利用率卻不及60%[3-5]。因此將工業(yè)固體廢棄物如粉煤灰、爐底渣制備地聚物不僅可以充分利用，還可以節(jié)約常規(guī)地聚物主要原料偏高嶺土的用量，達(dá)到節(jié)約資源、綠色環(huán)保的目的。

地聚物在具有高強(qiáng)度的同時(shí)也具有嚴(yán)重的脆性[6]。研究發(fā)現(xiàn)，加入纖維可顯著改善地聚物的脆性，提高其致密性[7]。XU[8]等借助聚乙烯醇纖維增韌粉煤灰基地聚物，發(fā)現(xiàn)2%體積分?jǐn)?shù)的聚乙烯醇纖維可提高地聚物28 d彎曲強(qiáng)度270%以上。王亞超[9]借助有機(jī)纖維、蛋白纖維、玄武巖纖維增韌粉煤灰/礦渣基地聚物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有玄武巖纖維才能顯著提高地聚物抗折強(qiáng)度。樊華[10]等利用秸稈纖維增強(qiáng)、增韌偏高嶺土基地聚物，發(fā)現(xiàn)秸稈纖維可有效改善地聚物斷裂韌性。ZHAO[11]等采用聚甲醛纖維增強(qiáng)偏高嶺土基地聚物，發(fā)現(xiàn)聚甲醛纖維不僅可以提高地聚物的抗彎拉特性，還可以提高地聚物的摩擦特性。趙欣[12]等利用棉花秸稈纖維增強(qiáng)地聚物的斷裂韌性，并研究了棉桿纖維對(duì)地聚物性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻入棉稈對(duì)地聚物密度影響不大，但會(huì)增大其吸水率。摻入棉稈能夠減少地聚物的表面孔隙，改變地聚物的破壞形式。GANESAN[13]等借助鋼纖維增強(qiáng)地聚物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼纖維可顯著提升地聚物的耐久性。RANJBAR[14]等研究了鋼纖維和聚丙烯纖維增強(qiáng)地聚物的界面膠結(jié)機(jī)理。SHAIKH[15]研究了短切纖維增強(qiáng)粉煤灰基地聚物的硬化特性。MARANAN[16]等研究了玻璃纖維增強(qiáng)地聚物的抗彎強(qiáng)度和力學(xué)特性。AHMED[17]等利用碳纖維增強(qiáng)地聚物混凝土梁，發(fā)現(xiàn)碳纖維可在一定程度上提升地聚物梁的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。BHUTTA[18]等研究了6種微小纖維(高強(qiáng)鋼纖維、廢鋼絲纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和碳纖維)對(duì)地聚物砂漿的修復(fù)特性。VAIDYA[19]等研究了碳纖維增強(qiáng)地聚物的應(yīng)變敏感性和電導(dǎo)率，并將其應(yīng)用于地聚物的健康監(jiān)測(cè)。PAYAKANITI[20]等研究了粉煤灰基地聚物的電導(dǎo)率和抗壓強(qiáng)度。上述研究表明：碳纖維作為一種高強(qiáng)、高韌的功能纖維，是一種良好的地聚物增韌外加劑。在工程應(yīng)用方面，DAVIDOVITS[21]采用鉀—硅鋁—硅氧聚合物制備了澆注工藝品，認(rèn)為制備防火結(jié)構(gòu)元件、固化輻射廢料和重金屬也是地聚物的重要應(yīng)用領(lǐng)域。簡(jiǎn)家成[22]等綜述了地聚物的制備及其應(yīng)用現(xiàn)狀，認(rèn)為由于具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，地聚物能夠固定工業(yè)廢水廢渣中的重金屬離子，是一種性能優(yōu)良的建筑材料，可逐漸替代水泥。林天干[23]等將地聚物應(yīng)用于溫州國(guó)道104局部路段攪拌樁，發(fā)現(xiàn)地聚物固化土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(>2.0)遠(yuǎn)大于要求值(>0.6)。宋紫閣[24]采用固體廢棄物改性地聚物，發(fā)現(xiàn)鋼渣和粉煤灰改性地聚物抗壓強(qiáng)度均大于偏高嶺土基普通地聚物，且能夠固化鍶和鋇等重金屬離子，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。袁波[25]利用地聚物提升嘉松公路非機(jī)動(dòng)車道路面彎沉，發(fā)現(xiàn)注漿加固后道路結(jié)構(gòu)層密度提高，承載能力得到提升；與傳統(tǒng)注漿材料相比，可節(jié)約30%左右的材料成本。由于地聚物原材料通常采用固體廢棄物，因此，與其他工程處治方法相比，采用固廢基原材料制備地聚物具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，可節(jié)約原材料成本。

本文采用短切碳纖維增強(qiáng)粉煤灰/爐底渣基地聚物，研究了碳纖維摻量和堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物力學(xué)特性和微觀形貌的影響，并分析了短切碳纖維的增強(qiáng)、增韌機(jī)理。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究中的粉煤灰和爐底渣是由循環(huán)流化床鍋爐燃燒產(chǎn)生的，爐底渣和粉煤灰由山西三維華邦集團(tuán)有限公司提供。爐底渣過1.18 mm方孔篩，取篩下部分備用。其中粉煤灰密度為2.39 g /cm3，爐底渣密度為2.48 g /cm3。粉煤灰和爐底渣的化學(xué)組成由X射線熒光光譜(XRF)測(cè)得，各化學(xué)組成含量見圖1。堿激發(fā)劑購(gòu)買于山西飛達(dá)科貿(mào)有限公司，由10 mol/L的氫氧化鈉溶液、1 mol/L的硫酸鈉溶液或10 mol/L的氫氧化鈉溶液、1 mol/L的硅酸鈉溶液或10 mol/L的氫氧化鉀溶液和1 mol/L的硫酸鈉溶液組成。偏高嶺土由大同市微納精工高嶺土有限責(zé)任公司提供，粒徑1 250目，活性系數(shù)為85.25%。苯丙乳液固含量為45%。碳纖維選用2 mm短切碳纖維，拉伸強(qiáng)度為300 MPa，生產(chǎn)廠家為威海拓展纖維有限公司。

圖1 粉煤灰、爐底渣的基本化學(xué)組成Figure 1 The fundamental composites of fly ash and furnace bottom slag

地聚物基本組成如表1所示。地聚物組成中堿激發(fā)劑質(zhì)量為堿激發(fā)劑固體加水后的質(zhì)量；苯丙乳液為加水質(zhì)量。

表1 碳纖維改性地聚物的基本組成Table 1 The fundamental composites of carbon-fiber modi-fied geopolymers編號(hào)碳纖維/%粉煤灰/g爐底渣/g氫氧化鈉/g硫酸鈉/g苯丙乳液/g1#050503520202#250503520203#450503520204#650503520205#850503520206#1050503520207#8505035—208#85050——20注: 7#含有硅酸鈉20 g,8#含有氫氧化鉀35 g、硅酸鈉20 g。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將稱量好的粉煤灰、爐底渣粉末倒入攪拌桶，攪拌15～30 min混合均勻；再將處理好的氫氧化鈉和硫酸鈉堿激發(fā)劑溶液按比例倒入攪拌桶，攪拌30 min；攪拌過程中緩慢加入碳纖維，并加入苯丙乳液以調(diào)整體系稠度，控制纖維加入速度使其在15min內(nèi)完全加入，攪拌過程中應(yīng)防止纖維團(tuán)聚；隨后將混合物倒入不銹鋼水泥三聯(lián)模，邊澆注邊振搗；密封保存并養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)后拆模，即可得到地聚物硬化漿體。

地聚物凝結(jié)過程中稠度及凝結(jié)時(shí)間依據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》，采用維卡儀測(cè)試地聚物漿體的稠度和凝結(jié)時(shí)間，測(cè)試間隔為5 min。抗壓強(qiáng)度采用《水泥砂漿強(qiáng)度測(cè)試方法》，試驗(yàn)結(jié)果取每組3個(gè)試件的平均值。地聚物斷裂韌性采用三點(diǎn)彎曲切口梁試驗(yàn)方法。地聚物力學(xué)性能均采用電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。X射線衍射儀(XRD)采用奧林巴斯Terra-508，測(cè)試衍射角范圍為5°～55°；顆粒過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，取篩下料進(jìn)行XRD測(cè)試。采用蔡司Sigma HD型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)，測(cè)試電壓35 kV，電流10 mA，由于樣品具有磁性，需要經(jīng)過特別處理，涂覆導(dǎo)電膠保障地聚物塊體緊密固定在測(cè)試臺(tái)上，并調(diào)整測(cè)試探頭與樣品臺(tái)的距離使其大于10 mm，以避免地聚物磁性對(duì)測(cè)試的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維摻量和堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物漿體稠度的影響

如圖2所示，地聚物稠度與碳纖維摻量關(guān)系十分緊密。隨著碳纖維摻量的增加，地聚物稠度呈下降趨勢(shì)，但是卻不呈線性下降。結(jié)果表明：碳纖維摻量與地聚物稠度之間存在一定的相關(guān)性；隨著碳纖維摻量的增加，地聚物流動(dòng)性不斷降低。當(dāng)碳纖維摻入量達(dá)到10%時(shí)，地聚物稠度降至初始值的50%。這主要是因?yàn)樘祭w維是具有一定長(zhǎng)徑比的棒狀結(jié)構(gòu)，在地聚物體系中起到骨架填充作用，可阻止地聚物凝膠的流動(dòng)。

圖2 碳纖維摻量與稠度的關(guān)系Figure 2 The relationship between carbon-fiber content and consistency

如圖3所示，不同堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物漿體稠度也會(huì)產(chǎn)生影響。具體表現(xiàn)為：5#樣品氫氧化鈉和硫酸鈉激發(fā)的地聚物稠度為25 mm；7#樣品氫氧化鈉和硅酸鈉激發(fā)的地聚物稠度為29 mm；8#樣品氫氧化鉀和硅酸鈉激發(fā)的地聚物稠度為32 mm。結(jié)果表明：硫酸鹽形式的激發(fā)劑會(huì)降低地聚物的稠度，氫氧化鉀會(huì)提高地聚物的稠度，硅酸鈉和氫氧化鈉為常用的地聚物激發(fā)劑。前人研究認(rèn)為單一堿激發(fā)劑對(duì)地聚物稠度的影響與雙組分堿激發(fā)劑對(duì)地聚物稠度的影響相比較弱，且硫酸鹽形式的堿激發(fā)劑的作用效果要優(yōu)于硅酸鹽形式的堿激發(fā)劑。雙組分堿激發(fā)劑對(duì)地聚物稠度的影響順序是：氫氧化鉀和硅酸鈉雙組分堿激發(fā)劑對(duì)稠度的影響>氫氧化鈉和硅酸鈉雙組分堿激發(fā)劑對(duì)稠度的影響>氫氧化鈉和硫酸鈉雙組分堿激發(fā)劑對(duì)稠度的影響。由此可知，氫氧化鉀和硅酸鈉雙組分堿激發(fā)劑的復(fù)合效果最好。

圖3 堿激發(fā)劑種類與地聚物稠度的關(guān)系Figure 3 The relationship between the type of alkali activator and consistency of geopolymer

2.2 碳纖維摻量和堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物凝結(jié)時(shí)間的影響

由圖4可知，碳纖維摻量對(duì)地聚物凝結(jié)時(shí)間影響并不顯著，隨著碳纖維摻量的增加，地聚物常溫凝結(jié)時(shí)間由12 h降低至10 h。碳纖維降低地聚物凝結(jié)時(shí)間的原因可能是由于短切碳纖維存在尺寸效益和浸潤(rùn)效應(yīng)[11]，加速了地聚物體系的凝結(jié)硬化。碳纖維增加了地聚物凝膠之間的粘附力，加快了地聚物凝膠的水化和凝結(jié)，但是碳纖維對(duì)地聚物的水化和凝結(jié)影響程度有限，體現(xiàn)在粘附力上的結(jié)果即為碳纖維可提高地聚物凝膠的粘附力，但是作用效果并不明顯。結(jié)果表明：短切碳纖維會(huì)降低地聚物凝結(jié)時(shí)間，但是地聚物凝結(jié)時(shí)間降低的幅度不大。

圖4 碳纖維摻量與凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系Figure 4 The relationship between carbon-fiber content and setting time

如圖5所示，堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物凝結(jié)時(shí)間的影響較為微弱，不同雙組分堿激發(fā)劑摻入地聚物體系后，地聚物凝結(jié)時(shí)間變化不大。8#樣品氫氧化鉀和硅酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物，其終凝時(shí)間為15.2 h；7#樣品氫氧化鈉和硅酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物，其終凝時(shí)間為12.5 h；5#樣品氫氧化鈉和硫酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物，其終凝時(shí)間為10.5 h。結(jié)果表明：堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物終凝時(shí)間的影響主要體現(xiàn)在堿激發(fā)劑種類的變化，氫氧化鈉和硫酸鈉摻雜的地聚物具有最少的終凝時(shí)間，具有最佳的凝結(jié)效果和凝結(jié)效率。

圖5 堿激發(fā)劑種類與終凝時(shí)間的關(guān)系Figure 5 The relationship between the type of alkali activator and final setting time

2.3 碳纖維摻量和堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物抗壓強(qiáng)度的影響

如圖6所示，地聚物抗壓強(qiáng)度與碳纖維摻量的關(guān)系表明，隨著碳纖維摻量的增加，地聚物抗壓強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而且增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。由此可知，碳纖維可顯著提升地聚物的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)碳纖維摻量由0%增加至2%時(shí)，地聚物抗壓強(qiáng)度增加了24.6%。當(dāng)碳纖維摻量由2%增加至4%時(shí)，地聚物抗壓強(qiáng)度增加了50%；當(dāng)碳纖維摻量由4%增加至6%時(shí)，地聚物抗壓強(qiáng)度增加了23.6%；當(dāng)碳纖維摻量由6%增加至8%時(shí)，地聚物抗壓強(qiáng)度增加了13.6%；當(dāng)碳纖維摻量由8%增加至10%時(shí)，地聚物抗壓強(qiáng)度增加了12.7%。由此可知，當(dāng)碳纖維摻量為4%時(shí)，碳纖維可對(duì)地聚物起到臨界加筋效果，可顯著增強(qiáng)地聚物抗壓強(qiáng)度。

圖6 碳纖維摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Figure 6 The relationship between carbon-fiber content and compressive strength

如圖7所示，地聚物抗壓強(qiáng)度隨堿激發(fā)劑種類的變化而變化，具體表現(xiàn)為5#樣品氫氧化鈉和硫酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物具有最大的抗壓強(qiáng)度，為66.1 MPa；其次是7#樣品氫氧化鈉和硅酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物的抗壓強(qiáng)度，為52.5 MPa；8#樣品氫氧化鉀和硅酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物的抗壓強(qiáng)度最低，為47.8 MPa。結(jié)果表明：氫氧化鈉和硫酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物抗壓強(qiáng)度具有最佳的力學(xué)性能，其次為氫氧化鈉和硅酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物，氫氧化鉀和硅酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物具有最弱的力學(xué)性能。堿激發(fā)劑種類會(huì)顯著影響地聚物抗壓強(qiáng)度和力學(xué)特性。

圖7 堿激發(fā)劑種類與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Figure 7 The relationship between the type of alkali activator and compressive strength

2.4 碳纖維摻量和堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物斷裂韌性的影響

地聚物屬于易脆膠凝材料，因此其斷裂韌性的評(píng)價(jià)尤為重要。地聚物斷裂韌性KIC可用HAHN和ROSENFIELD提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算如下:

(1)

式中:n為材料的應(yīng)變硬化指數(shù)；E為材料的彈性模量；σ為材料的屈服應(yīng)力；?為材料的屈服應(yīng)變或臨界應(yīng)變。

根據(jù)電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果結(jié)合式(1)可求解得到地聚物斷裂韌性。如圖8所示，地聚物斷裂韌性與碳纖維摻量有顯著的相關(guān)性。隨著碳纖維摻量的增加，地聚物斷裂韌性不斷提高；但是當(dāng)碳纖維摻量超過8%時(shí)，地聚物斷裂韌性隨碳纖維摻量增加而降低。結(jié)果表明：8%的碳纖維摻量為粉煤灰/爐底渣基地聚物中碳纖維的最佳摻量，摻入超過8%的碳纖維，碳纖維反而會(huì)降低地聚物的斷裂韌性。碳纖維在地聚物體系中增強(qiáng)斷裂韌性的作用機(jī)理主要是碳纖維起到橋聯(lián)骨架作用。

圖8 碳纖維摻量與斷裂韌性的關(guān)系Figure 8 The relationship between carbon-fiber content and fracture toughness

如圖9所示，堿激發(fā)劑種類會(huì)在一定程度上影響地聚物的斷裂韌性，但是影響效果與抗壓強(qiáng)度的影響效果不同。具體表現(xiàn)為堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物抗壓強(qiáng)度的影響效果與堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物斷裂韌性的影響效果呈現(xiàn)相反的規(guī)律，即在堿激發(fā)劑摻雜改性的地聚物具有最佳的抗壓強(qiáng)度時(shí)，其斷裂韌性指數(shù)最差；堿激發(fā)劑摻雜改性的地聚物具有最小抗壓強(qiáng)度時(shí)，其斷裂韌性指數(shù)越大，地聚物韌性越好。5#樣品氫氧化鈉和硫酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物斷裂韌性最差，7#樣品氫氧化鈉和硅酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物的斷裂韌性其次，8#樣品氫氧化鉀和硅酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物的斷裂韌性最佳。

圖9 堿激發(fā)劑種類與斷裂韌性的關(guān)系Figure 9 The relationship between the type of alkali activator and fracture toughness

結(jié)果表明：氫氧化鉀和硅酸鈉堿激發(fā)劑對(duì)地聚物斷裂韌性的作用效果最佳，其次是氫氧化鈉和硅酸鈉堿激發(fā)劑，氫氧化鈉和硫酸鈉堿激發(fā)劑的作用效果最差。

2.5 碳纖維摻量和堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物晶體結(jié)構(gòu)和物相的影響

圖10為6種不同碳纖維摻量地聚物28 d齡期的礦物成分的XRD圖譜。粉煤灰/爐底渣基地聚物中存在少量的氧化硅，形成了C — S — H凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)物，但是晶相不夠完美，只出現(xiàn)微弱的特征峰。隨著碳纖維的加入，峰形高度和面積增大，地聚物中方鈉石和水化產(chǎn)物的含量不斷增加，地聚物力學(xué)性能不斷提高。碳纖維使地聚物力學(xué)性能提高的原因是碳纖維可以使硅氧四面體和鋁氧四面體受到反空間的限制，使水化產(chǎn)物晶型完整、相鄰晶體鑲嵌生長(zhǎng)成為致密整體，增加地聚物的致密性，從而提高地聚物的力學(xué)特性。當(dāng)碳纖維摻量超過8%時(shí)，地聚物晶體衍射峰變得毛刺突出，關(guān)鍵衍射角處的衍射峰消失，衍射強(qiáng)度減弱，這表明地聚物晶體結(jié)構(gòu)變差，晶型、物相發(fā)生急劇變化，地聚物力學(xué)特性也產(chǎn)生部分弱化，可能原因是碳纖維摻量過高，導(dǎo)致碳纖維在地聚物體系中發(fā)生團(tuán)聚，造成惡劣影響。

圖10 碳纖維改性地聚物XRD圖譜Figure 10 XRD of carbon-fiber modified geopolymers

如圖11所示，不同堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物晶體衍射數(shù)據(jù)影響明顯。8#樣品氫氧化鉀和硅酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物的晶體衍射數(shù)據(jù)與5#樣品和7#樣品的晶體衍射數(shù)據(jù)差異最大，8#樣品中未出現(xiàn)明顯的C — S — H凝膠水化產(chǎn)物、只出現(xiàn)了微弱的沸石結(jié)構(gòu)，但是含量極小，導(dǎo)致8#樣品抗壓強(qiáng)度較低，符合前文的分析結(jié)果。5#樣品與7#樣品相比，5#樣品中含有小量的二氧化硅晶體，沸石相含量增加，晶體的無定型化程度降低，結(jié)晶度增強(qiáng)，導(dǎo)致地聚物抗壓強(qiáng)度增加，完全符合前文的數(shù)據(jù)分析結(jié)論。結(jié)果表明：莫來石和沸石相可增加體系的抗壓強(qiáng)度，具有完美晶相的二氧化硅晶體使得地聚物具有較好的斷裂韌性。氫氧化鈉和硫酸鈉堿激發(fā)劑會(huì)促進(jìn)水化的進(jìn)行和沸石相、莫來石相的生成。氫氧化鉀和硅酸鈉堿激發(fā)劑會(huì)促使完美晶相的二氧化硅的形成，提高地聚物斷裂韌性。

圖11 不同堿激發(fā)劑種類摻雜的地聚物XRD圖譜Figure 11 XRD of geopolymers with different types of alkali activator

2.6 碳纖維摻量和堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物微觀形貌的影響

如圖12所示，不同碳纖維摻量加入地聚物中后地聚物形貌變化顯著。無碳纖維摻量時(shí)，地聚物結(jié)構(gòu)緊密，表面形貌呈團(tuán)結(jié)狀。摻入2%碳纖維后，地聚物表明出現(xiàn)少量碳纖維，水化也更為完全。當(dāng)碳纖維摻量到4%時(shí)，地聚物表明已經(jīng)可以清晰地觀測(cè)到少量的纖維狀物質(zhì)即碳纖維。只是由于體系景深的原因造成纖維周圍區(qū)域的陰影。隨著碳纖維摻量的進(jìn)一步增大，地聚物表面形貌中纖維數(shù)值和質(zhì)量不斷提高，占比也相應(yīng)增大，而且碳纖維呈網(wǎng)絡(luò)狀分布于地聚物體系當(dāng)中，促進(jìn)了地聚物力學(xué)性能的提升。

(a) 0%碳纖維摻量

如圖13所示，不同堿激發(fā)劑摻雜的地聚物微觀形貌顯著不同。5#樣品氫氧化鈉和硫酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物掃描電鏡圖片中碳纖維雜亂分布，可起到橋聯(lián)作用，增強(qiáng)地聚物的斷裂韌性。7#樣品氫氧化鈉和硅酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物掃描電鏡圖片中碳纖維垂直分布，貫穿整個(gè)地聚物，可以一定程度上增韌地聚物，改善地聚物的力學(xué)特性。8#樣品氫氧化鉀和硅酸鈉堿激發(fā)劑摻雜的地聚物掃描電鏡圖片由于選擇區(qū)域的原因，未觀測(cè)到模型的碳纖維形貌，但可以清晰地觀測(cè)到地聚物晶體結(jié)構(gòu)的完整性程度，表現(xiàn)出完美的晶相，8#樣品地聚物具有較好的抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明：不同堿激發(fā)劑種類對(duì)地聚物微觀形貌有顯著影響；氫氧化鈉和硫酸鈉堿激發(fā)劑會(huì)促進(jìn)地聚物纖維的顯現(xiàn)，增加地聚物斷裂韌性，使地聚物呈現(xiàn)顆粒狀形貌；氫氧化鈉和硅酸鈉堿激發(fā)劑會(huì)促進(jìn)碳纖維在地聚物體系中的貫穿、集中分布，地聚物呈現(xiàn)片層狀形貌；氫氧化鉀和硅酸鈉堿激發(fā)劑會(huì)促進(jìn)地聚物體系晶相的完美發(fā)育，增強(qiáng)地聚物的斷裂韌性，使地聚物呈現(xiàn)出塊體狀緊密粘結(jié)形貌。

(a)摻氫氧化鈉和硫酸鈉堿激發(fā)劑

3 結(jié)論

通過對(duì)不同碳纖維摻量改性粉煤灰/爐底渣基地聚物力學(xué)性能和微觀形貌的研究，得出以下主要結(jié)論：

碳纖維的最佳摻量為8%、氫氧化鉀和硅酸鈉復(fù)合激發(fā)時(shí)，此時(shí)地聚物斷裂韌性可達(dá)6.23 MPa·m1/2。碳纖維是具有一定長(zhǎng)徑比的棒狀結(jié)構(gòu)，在地聚物體系中起到骨架填充作用，阻止了地聚物凝膠的流動(dòng)。

氫氧化鉀和硅酸鈉堿激發(fā)劑對(duì)地聚物斷裂韌性的作用效果最佳，其次是氫氧化鈉和硅酸鈉堿激發(fā)劑，氫氧化鈉和硫酸鈉堿激發(fā)劑的作用效果最差。

碳纖維可加快地聚物的水化和凝結(jié)，但是對(duì)地聚物的水化和凝結(jié)影響程度有限。碳纖維可顯著改善地聚物的晶體結(jié)構(gòu)、物相和微觀形貌。

碳纖維改性地聚物作為公路工程材料，特別是注漿材料具有一定的應(yīng)用前景和可行性。