楼哲文
（南京理工大学理学院，江苏 南京 210094）
全球范围内波特兰水泥的使用量大，温室气体排放量高，对环境造成严重影响，应采取一些高效可行的措施[1]。绿色环保的替代胶凝材料需求量也日益高涨，且考虑到现有废弃材料与工业副产品处理困难等问题，地聚合物（碱激发胶凝材料）应运而生。地聚合物是由富含硅铝酸盐的工业废料与碱激发剂发生反应得到一种具有[SiO4]四面体和[AlO4]四面体的无定形相三维网状凝胶结构[2-3]。其具有较多优势，包括高强度、快速凝结时间、较好的耐久性等，有望成为工程建设的新型宠儿。然而传统的地聚合物材料存在易开裂、抗拉强度低等诸多缺陷，限制了其在不同环境下的工程应用[4]。
已有的研究表明，添加纤维可改善混凝土的力学性能，提供必要的弯曲韧性，纤维桥接裂缝，减小裂缝的宽度和扩展倾向，从而增加弹性后的能量吸收。因此在现有混凝土材料科学技术基础上，采用钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维等材料，对粉煤灰-矿渣基地聚合物砂浆进行不同尺度的性能增强效果。
1.1 原材料
低钙粉煤灰比表面积为360 m2/kg，矿渣比表面积约为420 m2/kg，具体化学成分见表1。碱激发剂由硅酸钠与氢氧化钠混合制备而成，模数为1.2。细骨料选用河砂，平均粒径为200 μm，含水率低于0.4%。试验选用的纤维包括钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维，具体性能见表2。
表1 粉煤灰、矿渣化学成分 单位：%
表2 纤维性能
1.2 试验方法
参照 《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13:2009)、《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2019）、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）。选用几组合适的配比，对比分析单掺纤维以及多尺度纤维对粉煤灰-矿渣基地聚合物材料物理力学性能和耐久性能的影响规律。每种纤维的体积分数掺量为0.6%与1.2%，地聚合物基体的配合比如表3 所示。
表3 粉煤灰-矿渣基地聚合物基体性能 单位：g
在样品制备过程中，首先将干料（即粉煤灰与矿渣）搅拌均匀，后逐渐掺入纤维材料，并缓慢倒入碱激发剂。在行星搅拌机上搅拌3 min 后，马上进行装模、振捣、封存（100 mm×100 mm×100 mm 立方体、40 mm×40 mm×160 mm 棱柱）。样品最后被移入恒温恒湿养护箱内进行养护（温度为21±2 ℃，湿度为95%），等达到待测时间后取出进行测试。利用泡水法测定样品孔隙率（28 d）；
利用微机伺服万能试验机测定无侧限抗压强度；
使用三分点加载法（跨距为150 mm）测定砂浆样品的抗弯强度；
利用耐磨试验机的磨盘磨损试块的下表面8 min（200 N 荷载），测定剩余质量。所有样品分别制备三个，结果取其平均值，并要求误差小于10%。在微观层面，利用扫描电子显微镜（SEM）分析了具有代表性的样品内部微观结构。
2.1 抗压强度与孔隙率
粉煤灰-矿渣基地聚合物砂浆样品的抗压强度及孔隙率结果如图1 与表4 所示。结果发现与对照组（即不掺入纤维的样品）相比，加入钢纤维的样品在3 d、28 d 均有一定抗压强度的提升，但增长幅度较小；
随着聚丙烯纤维含量的增加，样品3 d的抗压强度略有下降（12.6%），最终抗压强度下降的更为明显（24%）。另一方面，纤维的掺入提高了样品的孔隙率，但刚性纤维（钢纤维）与柔性纤维（聚丙烯、聚乙烯醇纤维）对孔隙率的影响有所差异，刚性纤维可以改变颗粒骨架的结构，而柔性纤维在混合过程中往往会聚集在一起。
图1 样品抗压强度及孔隙率变化
表4 样品抗压强度及孔隙率数值
2.2 抗折强度
粉煤灰-矿渣基地聚合物砂浆样品的抗折强度结果如图2 与表5 所示。与对照组相比，添加纤维的样品抗折强度得到了显著的提升。掺入0.6%体积分数的钢纤维与聚乙烯醇纤维样品的28 d 抗折强度较对照组提高约28.1%与24.6%。聚丙烯纤维的增强效果相对较差，仅为12.3%，这可能与它本身密度较低有关。总的来说，纤维的加入使得地聚合物的破坏模式发生改变，即由脆性破坏变为延性破坏，裂缝进一步延伸需要克服纤维与基体界面之间的机械咬合力和化学胶着力等，有效提高地聚合物材料的抗折强度。另一方面，对于同种类型的纤维材料，随着掺入含量的增加，抗折强度增加幅度并不大。
表5 样品抗折强度数值
图2 样品抗折强度变化
2.3 耐磨性
粉煤灰-矿渣基地聚合物砂浆样品的磨损量变化如图3 所示。结果发现，掺入纤维（1.4%～3.1%）的样品较对照组（3.5%）而言磨损量有所改善。不同类型纤维材料对地聚合物砂浆耐磨性的提升趋势基本相似，掺入1.2%聚乙烯醇纤维时磨损量最小，为1.4%。可见，在合适纤维掺入下，砂浆的耐磨性有着显著的提升。
图3 样品磨损量变化
2.4 微结构特征
砂浆样品的微结构扫描图如图4 所示。可以观察到对照地聚合物砂浆样品早龄期内存在大量未反应的球状粉煤灰、细小裂缝与孔洞（图4（a））；
当养护龄期达到28 d 时，基体逐渐变得更为密实（图4（b））。另一方面，不同纤维与地聚合物基体间的结合方式存在差异，聚丙烯纤维以嵌入的形式与基体结合（聚乙烯醇纤维类似），不仅增强了界面的粘结强度，也使得其在拉伸过程中消耗更多的能力，从而导致力学性能的提高。而地聚合物浆体覆盖在钢纤维上，使得其难以完整的被观察到，如图4（d）所示。
图4 微结构特征
（1）纤维含量的增加有助于提升粉煤灰-矿渣基地聚物砂浆的力学性能，然而对抗压强度的提升没有抗折强度提升的明显。
（2）纤维的掺入改善了砂浆基体的耐磨蚀性能，最小磨蚀率仅为1.4%。
（3）在微观层面可以发现，聚丙烯纤维与聚乙烯醇纤维主要以嵌入的形式与基体相结合，而钢纤维则主要是包覆的方式与基体相结合。
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