本文是一篇土木工程论文，本研究围绕粉煤灰-偏高岭土基地聚物混凝土的制备、多壁碳纳米管（MWCNT）改性机制及其抗冻性能优化展开系统研究，通过宏-微观多尺度表征揭示了材料性能演变规律。
第1章 绪论
1.1 研究意义
资源和环境是贯彻人类社会发展的两大要素，如何妥善处理资源和环境问题也是人们一直在攻克的难题。为了实现可持续发展，必须贯彻绿色、节能的理念。习近平总书记在联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。” 因此，如何平衡经济发展和生态环境保护之间的关系，如何调整生产结构中的碳排放，是我国目前亟待解决的重要课题。
普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement，简称OPC）以石灰质原料与粘土质原料为基本组分，通过粉磨煅烧工艺制备而成。作为混凝土体系的核心胶凝组分，OPC在建筑工程领域长期保持基础性地位，具有不可替代的大规模应用特性。然而在其工业化制备环节中，一直存在耗能大、碳排放量高等问题。据统计，生产OPC的过程中所释放的二氧化碳量与OPC本身的产出量几乎相同。这意味着在建筑领域，碳排放量占比大，对环境产生着重大的影响。同时，如果限制OPC的生产，就会制约基础建设的发展与完善，不能满足人类社会发展的需求。因此，寻找一个稳定的OPC代替品是解决目前建筑领域碳排放量过大的问题的关键。
地聚物（Geopolymer）材料（砂浆，混凝土）是由Davidovits[1]提出，指硅铝酸盐矿物通过碱激发，会形成以SiO4、AlO4四面体为基本结构、在空间上具有三维网状键接结构的胶凝材料，一般以常见工业废料（粉煤灰，矿渣等）或者煅烧温度偏低的偏高岭土为原材料。相对于OPC而言，地聚物作为胶凝材料性能良好且二氧化碳排放量大幅减少。从二氧化碳的排放量来看，在生产相同质量的情况下，地聚物的二氧化碳释放量仅为OPC的1/5左右[2]。从使用效果来看，地聚物材料已经被证实在多个适用性方面与OPC材料具有相当甚至更优的性能。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 地聚物混凝土
地聚物作为一种新型绿色胶凝材料，由法国科学家Davidovits于1987年研发并命名[1][4]，原本指由天然化合作用或人为加工得到的硅酸铝盐，而地聚物的概念发展至今在则泛指所有采用天然矿物或固体废弃物在酸或者碱激发剂的作用下可以生成以-Si-O-Al-O-为基础结构单元的三维立体网状结构的无机胶凝材料[16]。Van Deventer等[17]利用多种天然硅铝质材料来制备地聚合物，并阐述了地聚合物的反应机理，和Davidovits提出的反应过程一起成为目前解释地聚合物反应机理的基础。 J.S.J.van Deventer 和 X.Hua 等发现[18][19]，绝大部分的铝硅酸化合物在高碱环境下均能形成胶凝化合物，虽然用不同的的材料制成的地聚物混凝土的许多物理性质看似相似，然而在其微观层面和化学性质上，不同材料制成的地聚物混凝土则有着很大的差异。
在地质聚合物制备技术研究中，原料体系与工艺参数的协同优化被视为突破性能瓶颈的关键路径。Elsayed[20]与Gebregziabiher[21]团队聚焦矿渣基体系，系统评估了NaOH/水玻璃激发剂配比对材料性能的双刃剑效应：当模数（SiO₂/Na₂O）控制在1.2~1.5时，地聚物混凝土的初凝时间可缩短至25分钟，3小时抗压强度达12.4 MPa，表现出优异的水硬特性；但过高的碱含量（Na₂O>8%）会导致凝结时间骤降至15分钟以内，显著增加施工可操作性难度，这揭示了强碱激发工艺在工程应用中的核心矛盾。
针对粉煤灰-偏高岭土体系，Feng等[22]提出超声波预处理工艺的创新解决方案：在粉煤灰/偏高岭土质量比3:1的配比下，超声处理20分钟可使地聚物7天抗压强度提升19%，其增强机制包括：（1）超声空化效应破碎粉煤灰玻璃体表面惰性层，释放活性SiO₂/Al₂O₃；（2）促进纳米级偏高岭土颗粒的均匀分散，优化聚合反应动力学。但研究同时指出，超声时长超过30分钟会引发浆体温度累积效应，导致早期微裂纹生成，反而不利于长期强度发展。
第2章 偏高岭土-粉煤灰基地聚物混凝土试验及性能研究
2.1 引言
粉煤灰是一种火山灰材质的工业废料，一般由燃料（主要是煤）燃烧后形成的细微颗粒物，在我国大宗工业固体废弃物中占很大一部分，年产量高达几亿吨，全国综合利用率为70%，但部分偏远地区的综合利用率非常低，以内蒙古为例，其作为我国火力发电主要省份之一，全年粉煤灰产量在7000万吨以上，但其综合利用率只有不到30%。
大宗固废综合利用是通过原料回收、加工再用、转化利用、废物交换等方式，从固废中提取或使其转化为可利用的资源、能源和其他原材料的一种活动。这一过程旨在减少环境污染，提高资源利用效率，实现节能环保和循环经济的目标。 粉煤灰的综合利用主要用在建筑业、农业以及化工业中。在建筑业中应用主要有制备粉煤灰水泥、制作墙体以及筑路和回填等。在农业和化工业中的应用主要有制作农业肥料、改良土壤、提取工业原料等。
本文拟开发粉煤灰-偏高岭土基地聚物混凝土材料，并研究其相关性能。以粉煤灰为主要基体，掺入部分偏高岭土，探究偏高岭土掺量、养护温度对对地聚物混凝土力学性能的影响。国内外已有相关研究经验，且有以下几点作用：第一，大量利用粉煤灰，提高大宗固废的综合利用率，推动解决粉煤灰堆积导致的土地环境污染问题；第二，尽可能减少偏高岭土的使用量，节约资源，针对粉煤灰活性比偏高岭土差但价格低廉、偏高岭土活性高但价格昂贵的问题，以部分代替的方法综合两者各自的优势，提升本研究应用的可行性
2.2 原材料
本研究所用的原材料为，粉煤灰、偏高岭土、水玻璃溶液、氢氧化钠（NaOH）固体、双氧水、砂石骨料和水，其主要性能参数见下文。
2.2.1 粉煤灰
粉煤灰含有大量的无定活性物质，其主要由二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝(Al2O3)、三氧化二铁(Fe2O3)和氧化钙(CaO)等成分组成。粉煤灰能改善拌合物的黏聚性、增强流动性，降低水化热。
（1） 粉煤灰的化学组成成分和性能指标
本试验选用市售C类粉煤灰，由上海韵丰新型建材有限公司生产，如图2-1所示，其各项化学组成成分和主要性能指标如表2-1所示。
本试验所选用的粉煤灰中，活性物质SiO2、Al2O3的含量占比81%以上，能在地聚物聚合反应中充分参与；同时其中CaO含量在2%以上，当中的钙离子含量促进粉煤灰水化反应生成胶凝体，对地聚物凝胶形成有着重要作用。可见，本试验所选用的粉煤灰类型较为合理。
第3章 多壁碳纳米管改性地聚物材料力学性能研究 ........................ 26
3.1 引言 ............................... 26
3.2 碳纳米管改性地聚物胶砂试块试验方案 ................ 26
第4章 多壁碳纳米管改性地聚物混凝土抗冻性能研究 .................... 37
4.1 引言 .......................... 37
4.2 试验方案 ....................... 37
第5章 多壁碳纳米管改性地聚物混凝土微观机理分析 .................... 45
5.1 引言 ............................... 45
5.2 试验仪器及方法简介 ........................... 45
第5章 多壁碳纳米管改性地聚物混凝土微观机理分析
5.1引言
混凝土作为一种多孔、多相、多尺度的非均质三相复合材料，其化学组成和物理结构具有显著的时空变异性。这种变异性不仅体现在材料内部孔隙结构的复杂性上，还表现在其化学组分随时间和环境因素的动态变化过程中。从材料科学的角度来看，混凝土的宏观力学性能与其微观结构特征和化学组成之间存在着密切的关联性。具体而言，微观结构的演变是宏观性能改变的内在机制，而宏观现象则是微观结构和化学成分变化的直观体现。
近年来，随着纳米材料在建筑材料领域的广泛应用，多壁碳纳米管（MWCNT）因其独特的力学性能和化学特性，在改善混凝土性能方面展现出巨大潜力。特别是在地聚物混凝土体系中，MWCNT的掺入可能对材料的微观结构和宏观性能产生显著影响。基于此，本研究在已完成力学性能试验和冻融循环试验的基础上，采用先进的材料表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）等，对掺入不同含量MWCNT的粉煤灰-偏高岭土基地聚物混凝土进行系统的微观结构分析。通过对比研究MWCNT含量对地聚物混凝土微观结构和物相组成的影响规律，深入探讨微观结构演变与宏观性能变化之间的内在联系，从而为MWCNT改性混凝土的性能优化提供理论依据和实验支持。
这一研究不仅有助于深化对纳米材料改性混凝土机理的认识，而且对推动高性能混凝土材料的开发和应用具有重要的理论意义和工程价值。通过微观结构层面的深入分析，可以更准确地预测和解释混凝土材料的宏观性能变化，为混凝土材料的耐久性设计和性能提升提供新的思路和方法。
第6章 结论与展望
6.1 结论
本研究围绕粉煤灰-偏高岭土基地聚物混凝土的制备、多壁碳纳米管（MWCNT）改性机制及其抗冻性能优化展开系统研究，通过宏-微观多尺度表征揭示了材料性能演变规律。综合各章节研究成果，形成以下结论：
（1）地聚物混凝土制备与性能优化，以粉煤灰与偏高岭土协同激发可制备力学性能优异的地聚物混凝土，其中偏高岭土掺量增加显著提升抗压
