DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.137021

火山灰可大量用于合成准脆性地质聚合物，但其对环境存在一些负面影响。碳纳米纤维（CNFs）可以增强地质聚合物，CNFs的分散直接决定了增强效果。然而，CNFs在碱性溶液中的分散是具有挑战性的。本文通过显微图像处理的定量方法，研究了表面活性剂类型、用量和超声时间对CNFs在水溶液和碱溶液中分散的影响，以确定优选的分散方案。通过Zeta电位测试和视觉观察来分析其机理和稳定性。基于此，合成了含0.1wt%CNFs的火山灰基地质聚合物纳米复合材料。测试了其机械性能，并使用扫描电子显微镜、能量色散光谱和压汞仪对微观结构进行了表征。结果表明，甲基纤维素（MC）、聚羧酸系高效减水剂（PC）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）使CNFs分散在水溶液中，但在碱性溶液中观察到明显的聚集。受益于梳状结构，PC在碱性溶液中的表现优于MC和PVP，聚集面积为整个图像的4.83%，0-100μm²的聚集占86% ，平均聚集面积为87 μm²。分散的CNFs可以将所得地质聚合物纳米复合材料的28-d弯曲强度和抗压强度分别提高23%和16%，并通过填充、桥接和成核效应细化孔结构，使平均孔径和孔隙率分别降低33%和15%。总之，本研究有助于火山灰的资源化利用以减少污染，并提高CNFs在碱活性地质聚合物中的增强作用。

图1.（a）MC、（b）PC和（c）PVP的分子结构。

图2.火山灰的XRD图谱。

图3.火山灰的粒度分布曲线。

图4.图像处理方案流程图。

图5.含（a）MC、（b）PC和（c）PVP的水溶液的典型光学显微照片（160×），二值图像，以及每平方毫米CNF颗粒的数量与粒径的关系直方图。

图6.（a）NaOH、（b）MC-Na和（c）PC-Na溶液的典型光学显微照片（160×），二值图像，以及每平方毫米CNF颗粒的数量与粒径的关系直方图。

图7.PVP-Na组中形成的大聚集的光学显微照片（40×）。

图8.（a）MC-Na/PVP-Na和（b）PC-Na中CNF的分散机制和双电层的示意图。

图9.超声处理后（a）0h、（b）12h和（c）72h，CNFs在水溶液和碱溶液中的分散状态和稳定性。

图10.（a）PC4、（B）PC6、（c）PC8和（d）PC10溶液的典型光学显微照片（160×），以及（e）每组中每平方毫米CNF颗粒的分布。

图11.（a）PC4-Na、（b）PC6-Na、（c）PC8-Na和（d）PC10-Na溶液的典型光学显微照片（160×），以及（e）每组中每平方毫米CNF颗粒的分布。

图12.经（a）0分钟、（b）15分钟、（c）30分钟和（d）60分钟超声处理的CNF水溶液的典型光学显微照片（160×），以及（e）每组中每平方毫米CNF颗粒的分布。

图13.经（a）0分钟、（b）15分钟、（c）30分钟和（d）60分钟超声处理的CNF碱溶液的典型光学显微照片（160×），以及（e）每组中每平方毫米CNF颗粒的分布。

图14.F0和F10地质聚合物纳米复合材料在第3、7和28天的（a）弯曲强度和（b）抗压强度测试结果。

图15.（a）和（b）F10的典型SEM图像，以及（c）和（d）F10中C元素的EDS图谱。

图16.典型的SEM图像：（a）不含CNF的地质聚合物，（b）结合、填充和桥接效应，以及（c）含CNF的地质聚合物中的成核和脱粘效应。

图17.MIP测试结果：F0和F10的（a）孔径分布曲线和（b）累积侵入曲线。