纖維增強粉煤灰-礦渣基地聚合物砂漿制備及性能研究

樓哲文

（南京理工大學理學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

全球范圍內(nèi)波特蘭水泥的使用量大，溫室氣體排放量高，對環(huán)境造成嚴重影響，應采取一些高效可行的措施[1]。綠色環(huán)保的替代膠凝材料需求量也日益高漲，且考慮到現(xiàn)有廢棄材料與工業(yè)副產(chǎn)品處理困難等問題，地聚合物（堿激發(fā)膠凝材料）應運而生。地聚合物是由富含硅鋁酸鹽的工業(yè)廢料與堿激發(fā)劑發(fā)生反應得到一種具有[SiO4]四面體和[AlO4]四面體的無定形相三維網(wǎng)狀凝膠結構[2-3]。其具有較多優(yōu)勢，包括高強度、快速凝結時間、較好的耐久性等，有望成為工程建設的新型寵兒。然而傳統(tǒng)的地聚合物材料存在易開裂、抗拉強度低等諸多缺陷，限制了其在不同環(huán)境下的工程應用[4]。

已有的研究表明，添加纖維可改善混凝土的力學性能，提供必要的彎曲韌性，纖維橋接裂縫，減小裂縫的寬度和擴展傾向，從而增加彈性后的能量吸收。因此在現(xiàn)有混凝土材料科學技術基礎上，采用鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維等材料，對粉煤灰-礦渣基地聚合物砂漿進行不同尺度的性能增強效果。

1 試驗

1.1 原材料

低鈣粉煤灰比表面積為360 m2/kg，礦渣比表面積約為420 m2/kg，具體化學成分見表1。堿激發(fā)劑由硅酸鈉與氫氧化鈉混合制備而成，模數(shù)為1.2。細骨料選用河砂，平均粒徑為200 μm，含水率低于0.4%。試驗選用的纖維包括鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維，具體性能見表2。

表1 粉煤灰、礦渣化學成分 單位：%

表2 纖維性能

1.2 試驗方法

參照 《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS13:2009)、《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081—2019）、《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）。選用幾組合適的配比，對比分析單摻纖維以及多尺度纖維對粉煤灰-礦渣基地聚合物材料物理力學性能和耐久性能的影響規(guī)律。每種纖維的體積分數(shù)摻量為0.6%與1.2%，地聚合物基體的配合比如表3 所示。

表3 粉煤灰-礦渣基地聚合物基體性能 單位：g

在樣品制備過程中，首先將干料（即粉煤灰與礦渣）攪拌均勻，后逐漸摻入纖維材料，并緩慢倒入堿激發(fā)劑。在行星攪拌機上攪拌3 min 后，馬上進行裝模、振搗、封存（100 mm×100 mm×100 mm 立方體、40 mm×40 mm×160 mm 棱柱）。樣品最后被移入恒溫恒濕養(yǎng)護箱內(nèi)進行養(yǎng)護（溫度為21±2 ℃，濕度為95%），等達到待測時間后取出進行測試。利用泡水法測定樣品孔隙率（28 d）；利用微機伺服萬能試驗機測定無側限抗壓強度；使用三分點加載法（跨距為150 mm）測定砂漿樣品的抗彎強度；利用耐磨試驗機的磨盤磨損試塊的下表面8 min（200 N 荷載），測定剩余質(zhì)量。所有樣品分別制備三個，結果取其平均值，并要求誤差小于10%。在微觀層面，利用掃描電子顯微鏡（SEM）分析了具有代表性的樣品內(nèi)部微觀結構。

2 結果分析

2.1 抗壓強度與孔隙率

粉煤灰-礦渣基地聚合物砂漿樣品的抗壓強度及孔隙率結果如圖1 與表4 所示。結果發(fā)現(xiàn)與對照組（即不摻入纖維的樣品）相比，加入鋼纖維的樣品在3 d、28 d 均有一定抗壓強度的提升，但增長幅度較小；隨著聚丙烯纖維含量的增加，樣品3 d的抗壓強度略有下降（12.6%），最終抗壓強度下降的更為明顯（24%）。另一方面，纖維的摻入提高了樣品的孔隙率，但剛性纖維（鋼纖維）與柔性纖維（聚丙烯、聚乙烯醇纖維）對孔隙率的影響有所差異，剛性纖維可以改變顆粒骨架的結構，而柔性纖維在混合過程中往往會聚集在一起。

圖1 樣品抗壓強度及孔隙率變化

表4 樣品抗壓強度及孔隙率數(shù)值

2.2 抗折強度

粉煤灰-礦渣基地聚合物砂漿樣品的抗折強度結果如圖2 與表5 所示。與對照組相比，添加纖維的樣品抗折強度得到了顯著的提升。摻入0.6%體積分數(shù)的鋼纖維與聚乙烯醇纖維樣品的28 d 抗折強度較對照組提高約28.1%與24.6%。聚丙烯纖維的增強效果相對較差，僅為12.3%，這可能與它本身密度較低有關。總的來說，纖維的加入使得地聚合物的破壞模式發(fā)生改變，即由脆性破壞變?yōu)檠有云茐?，裂縫進一步延伸需要克服纖維與基體界面之間的機械咬合力和化學膠著力等，有效提高地聚合物材料的抗折強度。另一方面，對于同種類型的纖維材料，隨著摻入含量的增加，抗折強度增加幅度并不大。

表5 樣品抗折強度數(shù)值

圖2 樣品抗折強度變化

2.3 耐磨性

粉煤灰-礦渣基地聚合物砂漿樣品的磨損量變化如圖3 所示。結果發(fā)現(xiàn)，摻入纖維（1.4%～3.1%）的樣品較對照組（3.5%）而言磨損量有所改善。不同類型纖維材料對地聚合物砂漿耐磨性的提升趨勢基本相似，摻入1.2%聚乙烯醇纖維時磨損量最小，為1.4%。可見，在合適纖維摻入下，砂漿的耐磨性有著顯著的提升。

圖3 樣品磨損量變化

2.4 微結構特征

砂漿樣品的微結構掃描圖如圖4 所示?？梢杂^察到對照地聚合物砂漿樣品早齡期內(nèi)存在大量未反應的球狀粉煤灰、細小裂縫與孔洞（圖4（a））；當養(yǎng)護齡期達到28 d 時，基體逐漸變得更為密實（圖4（b））。另一方面，不同纖維與地聚合物基體間的結合方式存在差異，聚丙烯纖維以嵌入的形式與基體結合（聚乙烯醇纖維類似），不僅增強了界面的粘結強度，也使得其在拉伸過程中消耗更多的能力，從而導致力學性能的提高。而地聚合物漿體覆蓋在鋼纖維上，使得其難以完整的被觀察到，如圖4（d）所示。

圖4 微結構特征

3 結論

（1）纖維含量的增加有助于提升粉煤灰-礦渣基地聚物砂漿的力學性能，然而對抗壓強度的提升沒有抗折強度提升的明顯。

（2）纖維的摻入改善了砂漿基體的耐磨蝕性能，最小磨蝕率僅為1.4%。

（3）在微觀層面可以發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維與聚乙烯醇纖維主要以嵌入的形式與基體相結合，而鋼纖維則主要是包覆的方式與基體相結合。