地质聚合物的高温特性研究

陶 鑫,张 力

(1.黑龙江工业学院 机械工程系，黑龙江 鸡西 158100； 2.中国建筑科学研究院，北京 100013)

地质聚合物的高温特性研究

陶 鑫1,张 力2

(1.黑龙江工业学院 机械工程系，黑龙江 鸡西 158100； 2.中国建筑科学研究院，北京 100013)

利用四因素三水平正交试验方法制备九组不同配合比的地质聚合物试样，通过测试试样的正方体抗压强度及抗折强度找到地质聚合物的最优配合比，同时对九组试样进行300℃、600℃、900℃高温处理，再通过测量质量损失及强度损失找出二者的关系。结果表明对地质聚合物强度的影响因素从强到弱依次是矿渣含量、水玻璃与NaOH的质量比、养护温度、砂掺量；质量损失越大强度损失越高，而当质量损失较低时，强度损失与质量损失之间的关系不明确。

地质聚合物；强度；正交设计；高温

随着近年来的研究与发展，地质聚合物对社会的贡献已初见成效。无论是在能耗方面或是保护环境方面都有了长足进步。[1-2]地质聚合物在土建方面的用途主要是取代原始的硅酸盐水泥。但是目前为止地质聚合物都没有统一的配合比，[3-4]因此对地质聚合物配合比的研究十分必要。

正交试验具有合理性、科学性等特点，因此获得的实验数据质量较高较全面。所以在进行实验设计时正交法被广泛采用。本文根据影响地质聚合物强度的因素将采用四因素三水平正交试验，从而大大减小实验量，同时又不失真实严谨性。

一种新的土建材料的大规模运用之前都会进行系统的研究，[5]地质聚合物在大规模运用之前也需要系统的研究。地质聚合物的高温特性仍鲜有研究。本文利用正交实验法找出的最优配合比以及地质聚合物的高温特性研究还是很有研究意义的。

1 地质聚合物试样的制作

地质聚合物高温特性受许多因素的影响，地质聚合物拌合时的流动性及试样的抗折强度受试样砂掺量的影响；养护温度对地质聚合物试样的整体强度具有一定的影响；激发剂的配合比将决定高温后试样的强度以及质量的损失。因此本文所选用的四个不同因素为砂掺量、矿渣含量、水玻璃：NaOH溶液、养护温度，本文所用的正交设计因素水平表如表1所示。

表1 因素水平表

1.1 实验材料

本次试验试样为地质聚合物砂浆试样，原材料为水、粉煤灰、激发剂、矿渣。

水采用清洁自来水，粉煤灰的主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO。激发剂为NaOH溶液与水玻璃的混合溶液，矿渣即为市售矿渣。

九组试样的配合比如表2所示，每组地质聚合物砂浆体积密度按2000kg/m3计。

三种不同激发剂的配合比如表3所示。

表2 各组试样配合比 kg/m3

表3 三种激发剂中各原材料的质量比

1.2 试样的制备

同混凝土试样的制备过程相同，都经过搅拌、装膜、振捣、养护的过程，其中养护过程是分别放到要求温度即40℃、60℃、80℃的数显鼓风干燥箱中养护24h，而后再标准养护28d。

本次试验所用试模的尺寸为70.7mm立方体三联模4组，四组试样分别用于900℃、600℃、300℃高温试验以及正方体抗压；另外40*40*160的三联钢模一组，为试样抗折强度之用。

2 试验过程

本实验具体操作步骤如下：

(1)将一组70.7mm的试样进行立方体抗压试验。

(2)将40*40*160的试样用来获取抗折强度。

(3)40mm抗压强度利用折后试样获得。

(4)将其余3组70.7mm立方体试样编号称重。

(5)将试样放入电窖中，温度分别为900℃、600℃、300℃，达到预定温度后保持1h，断电，此时切勿打开电窖门以免烫伤，可令其温度自然降到80℃。温度变化曲线如图1所示。

(6)取出试样，称重。

(7)分别测试高温后各试样的抗压强度。

图1 温度变化曲线

3 实验结果及分析

3.1 实验数据及处理

通过以上实验的测量，得到40mm立方体抗压强度、抗折强度、70.7mm立方体抗压强度，各强度如表4所示。

表4 强度统计表

表4可以直观地得出各试样的各种强度，但是不能得出各因素对每种强度的影响程度，本文将利用指标求和与均值分析法来进一步对结果进行分析。

3.2 实验结果的分析

通过对试样的40mm的抗压强度、抗折强度分析、70.7mm抗压强度分析可以得到最优方案为A3B1C1D1，也就是水玻璃与NaOH片碱的质量比为2:1，粉煤灰与矿渣的总量与砂掺量的比值为1:2，养护温度为80℃,矿渣占总量的30%。

各高温后的质量损失如表5所示，观察表5可知质量损失随着温度的升高而逐渐增大。其原因为地质聚合物试样内部存在孔隙及自由水，在温度未超过300℃时，孔隙中自由水的流失使其质量下降，由于水分流失较快致使少量微裂纹出现于试样表面；温度介于300℃～600℃之间时，此时由于内部成分的结合水流失导致其质量下降，表面微裂纹较300℃时差别不大；而温度介于600℃～900℃之间时，石灰质骨料以及硅铝酸盐聚合物开始分解，而地质聚合物的主要组成成分的分解势必带来质量的损失以及表面的大面积开裂。高温下试样的开裂情况如图2所示。

图2 高温下各试样开裂情况示意图

表6 高温后强度损失表

注：其中“-”表示强度减小

9组试样在经过不同的温度后强度改变情况如图3所示，观图后可知，除了5、7、8组试样外，其他5组试样强度先增大后减小。这是因为在温度低于300℃时试样内部的自由水流失，致使试样内部较为致密，因此强度有所上升。而温度高于600℃之后试样内流失的水分主要为结合水以及硅铝酸盐聚合物及石灰质骨料逐渐受热分解，使试样的主要成分发生质变，因此使其强度降低。出现不同变化的5、7、8组试样可能为之前的养护温度过高，使试样内部的自由水大部分丧失，再经高温加热后，质量损失为结合水的流失等，因此其强度是始终下降的。

图3 各组试件高温后的强度变化图

图4 各组试件高温后强度损失随温度变化图

图4为各组试样强度损失与温度之间的关系图，图中可以得出300℃下的试样主要分布在左上角，900℃下的试样主要分布在右下角，而600℃下的试样主要分布在中部。这说明300℃时试样随着质量的损失，强度是增大的，900℃时试样随着质量的损失，强度是较小的，而600℃时试样的强度的变化与质量的变化之间的关系是不明显的。同时，可以发现，质量损失高于一定值即9.5%时，强度必然减小，质量损失未达到9.5%时，强度的变化没有规律。

4 结论

本文利用正交法设计实验，测定试样三种强度，通过指标求和及均值分析法来研究地质聚合物在高温下的特性，得出最优配合比，即水玻璃与NaOH溶液的质量比为2:1；砂掺量与胶凝材料的质量比为1:2；养护温度为80℃；矿渣含量占总胶凝材料的质量比为30%。

除个别组外，大部分试样随着温度的升高其强度是先增大后减小的，这间接地反映了地质聚合物高温受热后强度的变化规律。

质量损失高于一定值即9.5%时，强度必然减小，质量损失未达到9.5%时，强度的变化没有规律。

[1]Zhang Yunsheng, Sun Wei. Fly ash based geopolymer concrete[J].Indian Concrete Journal, 2006, 80(1):20-24.

[2]王彩辉,孙伟,蒋金洋.水泥基复合材料在多尺度方面的研究进展[J].硅酸盐学报，2011，39(4): 726-738.

[3]陈润锋，张国防，顾国芳. 我国合成纤维混凝土研究与应用现状[J].建筑材料学报，2001，4(2): 167-173.

[4]Faiz Uddin, Ahmed Shaikh. Review of mechanical properties of short bre reinforced geopolymer composites.

[5]许金余,李为民,杨进勇.纤维增强地质聚合物混凝土的动态力学性能[J].土木工程学报,2010，43(2):127-132.

Class No.:TU528.01 Document Mark：A

(责任编辑：宋瑞斌)

Features of Geopolymer Under High Temperature

Tao Xin1，Zhang Li2

(1.Department of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100，China; 2.China Academy of Building Research, Beijing 100013, China)

With four factors three levels orthogonal test method, we prepared nine groups of polymers with different mixing ratio of specimen, by testing sample cube compressive strength and flexural strength, we found out the optimal mixing proportion of geopolymer. Placing the nine groups of samples under 300 ℃, 600 ℃, 900 ℃ high temperatures, and then by measuring the mass loss and strength loss ,we tried to figure out the relationship between them. The results show that the strength of geopolymer factors ranging from strong to weak is the quality of the slag content, sodium silicate and NaOH ratio, curing temperature, sand content; When the mass loss is higher than 9.5%, all the strength of the specimen is reduced relatively and when it is lower than 9.5%, the strength of the sample loss and the relationship between the mass loss was not obvious.

geopolymer; magnitude; orthogonal design; high temperature

陶 鑫，硕士，助教，黑龙江工业学院机械工程系。

1672-6758(2017)04-0061-5

TU528.01

A