飞灰-甘蔗渣灰-电石渣基地质聚合物在路面应用中的强度与微观结构分析：环保粘结剂的性能优化与机理研究

《Advances in Materials Science and Engineering》：Eco-Friendly Binder for Pavement Applications: Strength and Microstructure Analysis of Geopolymer Made From Fly Ash, Bagasse Ash, and Calcium Carbide Residue

本文系统研究了以飞灰（FA）、甘蔗渣灰（BA）和电石渣（CR）为前驱体，在常温养护下制备地质聚合物粘结剂的力学性能与微观结构。通过扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）、X射线衍射（XRD）和X射线断层显微镜（XTM）等表征手段，揭示了混合体系内钠铝硅酸盐 hydrate（NASH）、钙铝硅酸盐 hydrate（CASH）和钙硅酸盐 hydrate（CSH）等多相凝胶共存机制。研究证实，当FA占比85%–100%或BA/CR总量达40%–60%时，材料抗压强度可达30–40 MPa，且孔隙率显著降低。该地质聚合物不仅具备路面材料所需的力学性能，其二氧化碳排放量（0.51–0.53 kg CO2-e/kg）远低于普通硅酸盐水泥（0.847 kg CO2-e/kg），为绿色路面建设提供了可持续解决方案。

　　

1. 引言

随着全球对可持续基础设施需求的增长，开发替代传统水泥的环保材料成为研究热点。地质聚合物（Geopolymer）因其低碳排放（生产过程中二氧化碳排放量较普通硅酸盐水泥（OPC）降低5%–8%）、高强度和优异耐久性，被视为理想的路面工程材料。本文以工业废弃物飞灰（FA）、农业废弃物甘蔗渣灰（BA）和化工副产品电石渣（CR）为原料，通过碱激发技术制备地质聚合物粘结剂，重点分析其力学性能与微观结构演化机制，为废物资源化利用和绿色建材开发提供理论依据。

2. 方法论

2.1. 材料特性

实验所用FA来自泰国Mae Moh电厂，富含SiO₂（31.51%）、Al₂O₃（13.59%）和CaO（30.37%），其非晶态铝硅酸盐结构与钙质晶体相共存；BA以结晶石英为主（SiO₂达81.12%），颗粒细小且多孔；CR主要成分为Ca(OH)₂（Portlandite）和CaCO₃（Calcite），提供活性钙源。三者粒径中值（d₅₀）分别为10.10 μm（FA）、20.12 μm（BA）和14.15 μm（CR），互补的化学组成与形貌为其协同反应奠定基础。

2.2. 地质聚合物合成

采用5 M NaOH与Na₂SiO₃作为碱激发剂（NaOH:Na₂SiO₃=1:0.5，粘结剂:溶液=1:0.75），设计七组配比（如1FA0BA0CR、0.33FA0.33BA0.33CR等），常温（约30°C）养护7天和28天后测试性能。

3. 结果与讨论

3.1. 抗压强度

纯FA组（1FA0BA0CR）在28天抗压强度最高（43.62 MPa），而FA-BA-CR三元混合组（如0.33FA0.33BA0.33CR）强度达31.53 MPa。强度等值线分析表明，FA含量85%–100%或BA+CR总量40%–60%（FA占比0%–20%）时，强度均维持在30–40 MPa区间，满足路面基层材料要求（通常需2–5 MPa）。BA或CR单独使用则因反应活性不足导致强度显著降低。

3.2. 微观结构表征

3.2.1. SEM与EDS分析

SEM图像显示，FA组中未反应的球形颗粒与致密凝胶共存，EDS面扫描证实Si、Al、Ca、Na元素均匀分布，Na:Al比值接近1:1，符合地质聚合物理论结构。三元混合组中，Ca²⁺与SiO₂反应生成CSH与CASH凝胶，与NASH凝胶形成互穿网络，共同增强基体密实度。

3.2.2. XRD物相分析

XRD谱图中，CR组检测到Portlandite（Ca(OH)₂）和Calcite（CaCO₃）晶体相，BA组以Quartz（SiO₂）为主。高钙硅体系中出现的Gaylussite（Na₂Ca(CO₃)₂）表明碳化反应参与微结构演化，非晶态“馒头峰”证实凝胶相主导反应进程。

3.2.3. XTM孔隙结构

XTM三维成像揭示，1FA0BA0CR孔隙率最低（2.11%），而0FA1BA0CR因BA多孔特性孔隙率高达10.71%。孔隙率与强度呈负相关，微观致密化是决定地质聚合物性能的关键因素。

3.3. 二氧化碳排放评估

以BA、CR为废弃物（排放因子设为0），FA排放因子0.027 kg CO₂-e/kg，地质聚合物整体排放量为0.51–0.53 kg CO₂-e/kg，较OPC（0.847 kg CO₂-e/kg）降低约37%，凸显环境优势。

4. 结论

（1）FA主导或BA-CR协同的配比可使地质聚合物抗压强度达30–40 MPa；（2）微观层面形成NASH-CASH-CSH多相凝胶，元素分布证实反应充分；（3）孔隙结构直接决定力学性能，FA的球形颗粒有助于密实堆积；（4）利用废弃物显著降低碳排放，为路面工程提供绿色材料解决方案。未来需优化碱激发剂浓度与养护条件，进一步提升实际应用性能。