陳娟，胡現(xiàn)岳，胡鵬兵，鄧曦

1.長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023 2.防災(zāi)科技學(xué)院，中國(guó)地震局建筑物破壞機(jī)理與防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201

地聚合物是一種由硅氧四面體和鋁氧四面體構(gòu)成的具有3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)聚合物復(fù)合材料[1]，其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，污染小，具有強(qiáng)度高、耐高溫、低收縮率等特性[2-6]，各國(guó)學(xué)者對(duì)地聚合物的性能進(jìn)行了大量研究。近年來(lái)，關(guān)于地聚合物纖維強(qiáng)化技術(shù)的研究引起了學(xué)者的注意，其中碳纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維等被廣泛的用作地聚合物強(qiáng)化材料[7,8]，繼而纖維增強(qiáng)地聚合物的熱穩(wěn)定性成為研究熱點(diǎn)，這一研究為地聚合物在石油勘探、賽車(chē)隔熱等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能[9]。

建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)溫度會(huì)迅速升高，對(duì)于采用普通硅酸鹽水泥混凝土的建筑物，裂縫的發(fā)展和強(qiáng)度損失會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化[10,11]，然而有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)地聚合物在1000℃左右依舊能保持結(jié)構(gòu)的完整性[12,13]。研究表明：粉煤灰-高鎂鎳渣地聚合物在經(jīng)歷250～500℃高溫后擁有比普通硅酸鹽水泥更高的強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性[14]；當(dāng)經(jīng)歷1000℃高溫后，粉煤灰基地聚合物的剩余強(qiáng)度可達(dá)到其初始強(qiáng)度的90%[15]；地聚合物混凝土在經(jīng)歷超過(guò)500℃高溫后擁有比普通混凝土更高的抗剝落性[16]。上述研究均證明了地聚合物具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，但影響地聚合物材料熱穩(wěn)定性的因素眾多，對(duì)地聚合物耐高溫性能的探索具有重要意義。

基于以往學(xué)者的研究，筆者優(yōu)選0.25%、0.50%、0.75%體積摻量的碳纖維配制碳纖維增強(qiáng)粉煤灰-偏高嶺土(FA-MK)基地聚合物砂漿，并對(duì)其進(jìn)行200～600℃的高溫處理，通過(guò)高溫后的外觀變化、微觀形貌和力學(xué)性能等指標(biāo)研究其耐高溫性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

碳纖維增強(qiáng)FA-MK基地聚合物砂漿采用河南博潤(rùn)耐火材料工業(yè)公司生產(chǎn)的F級(jí)粉煤灰(FA)、河南晨宜耐磨材料工業(yè)公司生產(chǎn)的偏高嶺土(MK)、嘉善縣優(yōu)瑞耐火材料有限公司生產(chǎn)的SP38型水玻璃硅酸鈉溶液、新疆中泰化學(xué)股份有限公司生產(chǎn)的片狀NaOH固體、廈門(mén)艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂、中國(guó)吉林碳工業(yè)有限公司生產(chǎn)的碳纖維以及自來(lái)水制成，粉煤灰和偏高嶺土的化學(xué)組成如表1所示，XRD圖譜如圖1所示，碳纖維的性能如表2所示。

表1 偏高嶺土和粉煤灰的化學(xué)成分 Table 1 Chemical composition of metakaolin and fly ash %

圖1 偏高嶺土和粉煤灰的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of metakaolin and fly ash

表2 碳纖維的物理力學(xué)特征

1.2 試件制備及試驗(yàn)方法

優(yōu)選體積摻量為0.25%、0.50%、0.75%的碳纖維制備碳纖維增強(qiáng)FA-MK基地聚合物砂漿試件CF-0.25，CF-0.5和CF-0.75，并與碳纖維體積摻量為0的試件CF-0作對(duì)比研究，地聚合物砂漿配合比如表3所示。

表3 地聚合物砂漿配合比

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)[17]，成型160mm×40mm×40mm碳纖維增強(qiáng)FA-MK基地聚合物砂漿并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試。

采用箱式電阻爐進(jìn)行高溫處理，由于本設(shè)備升溫過(guò)程較慢，在升至較高溫度(1000℃)的過(guò)程中試件會(huì)承受各溫度階段的高溫作用，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不精確，且經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)得知200℃為溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，到600℃時(shí)，試件的承載力已大幅降低，強(qiáng)度損失規(guī)律已較為明顯，故本次試驗(yàn)選用200、400、600℃作為溫度梯度，經(jīng)高溫處理的地聚合物砂漿試件分為兩部分：一部分是編號(hào)為CF-0，CF-0.25，CF-0.5和CF-0.75的試件以5℃/s的速率分別升溫至200、400、600℃并恒溫保持1h；另一部分是編號(hào)為CF-0.5的試件以5℃/s的速率分別升溫至200、400、600℃并分別恒溫保持0.5、1、1.5h，高溫處理結(jié)束后，關(guān)閉箱式電阻爐，自然冷卻至室溫。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫后砂漿的外觀變化

圖2 不同溫度下地聚合物砂漿表面形貌Fig.2 Surface morphology of geopolymer mortar at different temperatures

圖2為試件CF-0和CF-0.75經(jīng)200、400、600℃高溫處理1h后的外觀。由圖2可知：由于高溫下氧化鐵含量增多，隨著溫度的升高，試件外觀由暗灰色變?yōu)闇\紅色[18]，試件CF-0表面裂紋逐漸增多，而碳纖維體積摻量為0.75%的試件CF-0.75在經(jīng)受600℃的高溫后試樣表面僅有少量裂紋，由此可知，摻入碳纖維可以有效抑制地聚合物砂漿在高溫下由于熱應(yīng)力而引起的裂紋的擴(kuò)展，從而提高其耐高溫性能。

圖3(a)為試件CF-0.5經(jīng)200、400、600℃高溫處理1h后和CF-0.5經(jīng)600℃高溫處理0.5、1、1.5h后橫截面的照片，由圖3(a)可知， CF-0.5橫截面處淺紅色區(qū)域面積隨溫度的升高而逐漸增大。當(dāng)溫度為600℃時(shí)，隨著高溫持時(shí)的增加，橫截面的紅色區(qū)域面積逐漸增大。圖3(b)為試件CF-0和CF-0.75經(jīng)600℃處理1h后橫截面的照片，由圖3(b)可知，CF-0.75截面的淺紅色區(qū)域面積明顯小于試件CF-0。

上述現(xiàn)象說(shuō)明，碳纖維的摻入可以有效阻止高溫下地聚合物砂漿表面裂紋的擴(kuò)展以及紅色區(qū)域向內(nèi)部發(fā)展，這對(duì)保持地聚合物砂漿的熱穩(wěn)定性具有積極作用。

圖3 不同溫度下地聚合物砂漿截面形貌Fig.3 Cross-sectional morphology of geopolymer mortar at different temperatures

2.2 碳纖維摻量對(duì)高溫后砂漿力學(xué)性能的影響

圖4為不同碳纖維體積摻量的FA-MK基地聚合物砂漿在不同溫度下處理1h的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度變化。由圖4可知，隨溫度從20℃升至600℃，試件的抗壓強(qiáng)度先上升后下降，在 200℃時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。碳纖維的摻入可提高試件的抗壓強(qiáng)度，提高幅度在3.3%～21%，在不同溫度時(shí)，隨碳纖維體積摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)。經(jīng)不同溫度處理后，碳纖維體積摻量為0.50%的試件抗壓強(qiáng)度均比其他碳纖維摻量的砂漿高。與未摻入纖維試件(CF-0)相比，環(huán)境溫度下碳纖維體積摻量為0.50%試件(CF-0.5)的抗壓強(qiáng)度提高了13.9%，經(jīng)200、400、600℃處理后其抗壓強(qiáng)度分別提升了19%、21%、18.1%。

地聚合物砂漿的抗折強(qiáng)度變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似，都是隨著溫度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì)，且在200℃時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到最大；碳纖維的摻入對(duì)試件抗折強(qiáng)度提高了2.6%～88.9%，當(dāng)溫度為200℃時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度隨碳纖維體積摻量的增加而先上升后下降，與未摻入纖維試件(CF-0)相比，碳纖維體積摻量為0.50%試件(CF-0.5)的抗折強(qiáng)度在環(huán)境溫度下和200℃時(shí)分別提高了13.7%和14.2%；當(dāng)溫度高于200℃時(shí)，砂漿的抗折強(qiáng)度隨碳纖維體積摻量的增加呈上升趨勢(shì)，碳纖維體積摻量為0.75%試件(CF-0.75)的抗折強(qiáng)度經(jīng)400℃和600℃處理后分別提高了54.1%和88.9%。

圖4 不同溫度下地聚合物砂漿強(qiáng)度Fig.4 Strength of geopolymer mortar at different temperatures

200℃時(shí)力學(xué)性能的提高一方面是自由水的蒸發(fā)導(dǎo)致試件內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間作用力增強(qiáng)；另一方面，水熱條件下粉煤灰中SiO2，Al2O3與OH-等離子隨溫度升高反應(yīng)速率加快，這在一定程度上降低了試件的孔隙率，提高了試件基體結(jié)構(gòu)致密度[19]；經(jīng)高溫處理后的碳纖維增強(qiáng)FA-MK基地聚合物砂漿在受熱應(yīng)力時(shí)，由于碳纖維的橋聯(lián)作用，可有效阻止裂紋的萌生和擴(kuò)展[20]；就高溫后力學(xué)性能而言，碳纖維的最佳體積摻量為0.50%，摻入太多或太少的碳纖維通常會(huì)使試件強(qiáng)度劣化，這是因?yàn)楫?dāng)碳纖維取代砂漿基體中的團(tuán)聚體時(shí)，由于基體內(nèi)部孔隙率的增加，最終導(dǎo)致試件力學(xué)性能的下降。

2.3 高溫持時(shí)對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響

為進(jìn)一步探究高溫對(duì)碳纖維增強(qiáng)FA-MK基地聚合物砂漿力學(xué)性能的影響，展開(kāi)了高溫持時(shí)對(duì)地聚合物砂漿力學(xué)性能的影響探究。圖5為試件CF-0.5在不同高溫持時(shí)下的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的變化，由圖5可知，200℃時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨高溫持時(shí)的延長(zhǎng)先上升后下降；當(dāng)溫度高于200℃，試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨高溫持時(shí)的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，試件強(qiáng)度的下降是高溫下熱應(yīng)力的積累及地聚合物砂漿中N-A-S-H/C-A-S-H凝膠受熱分解導(dǎo)致[21]。

圖5 不同高溫持時(shí)下地聚合物砂漿強(qiáng)度Fig.5 Strength of geopolymer mortar at different high temperature duration

圖6 地聚合物砂漿的微觀形貌Fig.6 Microscopic morphology of geopolymer mortar

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖6為試件CF-0.5經(jīng)200、400、600℃處理1h后的微觀形貌圖，由圖6可知，碳纖維相互交錯(cuò)的嵌置于地聚合物砂漿基體中，200℃時(shí)試件內(nèi)部更致密，這也是溫度不太高時(shí)試件強(qiáng)度提高的原因，400℃時(shí)有裂紋增大，這是由于升溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)砂漿基體施加了更大的壓力[22]，裂隙的產(chǎn)生降低了試件的強(qiáng)度；600℃時(shí)，碳纖維熔斷，橋聯(lián)作用弱化，碳纖維不能有效阻止裂紋的擴(kuò)展，試件的強(qiáng)度顯著下降。

3 結(jié)論

1)隨著溫度升高，水分蒸發(fā)速率加快，試件由暗灰色變?yōu)闇\紅色，且表面裂紋增多；隨著高溫持時(shí)延長(zhǎng)，試件橫截面處淺紅色區(qū)域由外向內(nèi)擴(kuò)展；碳纖維的摻入可以有效地阻止地聚合物砂漿在高溫下裂紋的發(fā)展和橫截面處淺紅色區(qū)域的擴(kuò)展，從而提高試件的整體熱穩(wěn)定性。

2)200℃時(shí)，地聚合物反應(yīng)速率加快，形成致密的基體，有利于改善試件的力學(xué)性能；溫度高于200℃，地聚合物反應(yīng)生成的N-A -S-H/C-A-S-H凝膠受熱分解、砂漿基體內(nèi)部裂縫增多以及碳纖維熔斷導(dǎo)致試件整體力學(xué)性能下降。

3)在不同溫度下，試件的抗壓強(qiáng)度隨碳纖維體積摻量增加呈先上升后下降趨勢(shì)；溫度高于200℃，試件的抗折強(qiáng)度隨碳纖維體積摻量增加呈上升趨勢(shì)；就高溫后力學(xué)性能而言，碳纖維的最佳體積摻量為0.50%；200℃時(shí)，試件的強(qiáng)度隨高溫持時(shí)的延長(zhǎng)先上升后下降，溫度高于200℃，試件強(qiáng)度損失隨高溫持時(shí)的增加而逐漸加劇。