高温对碳纤维增强粉煤灰-偏高岭土基地聚合物砂浆性能影响研究

陈娟，胡现岳，胡鹏兵，邓曦

1.长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023 2.防灾科技学院，中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室，河北 三河 065201

地聚合物是一种由硅氧四面体和铝氧四面体构成的具有3D网络结构的无机聚合物复合材料[1]，其生产工艺简单，污染小，具有强度高、耐高温、低收缩率等特性[2-6]，各国学者对地聚合物的性能进行了大量研究。近年来，关于地聚合物纤维强化技术的研究引起了学者的注意，其中碳纤维、聚丙烯纤维、钢纤维等被广泛的用作地聚合物强化材料[7,8]，继而纤维增强地聚合物的热稳定性成为研究热点，这一研究为地聚合物在石油勘探、赛车隔热等领域的应用提供了可能[9]。

建筑物发生火灾时温度会迅速升高，对于采用普通硅酸盐水泥混凝土的建筑物，裂缝的发展和强度损失会导致结构退化[10,11]，然而有学者研究发现地聚合物在1000℃左右依旧能保持结构的完整性[12,13]。研究表明：粉煤灰-高镁镍渣地聚合物在经历250～500℃高温后拥有比普通硅酸盐水泥更高的强度和体积稳定性[14]；当经历1000℃高温后，粉煤灰基地聚合物的剩余强度可达到其初始强度的90%[15]；地聚合物混凝土在经历超过500℃高温后拥有比普通混凝土更高的抗剥落性[16]。上述研究均证明了地聚合物具有优良的热稳定性，但影响地聚合物材料热稳定性的因素众多，对地聚合物耐高温性能的探索具有重要意义。

基于以往学者的研究，笔者优选0.25%、0.50%、0.75%体积掺量的碳纤维配制碳纤维增强粉煤灰-偏高岭土(FA-MK)基地聚合物砂浆，并对其进行200～600℃的高温处理，通过高温后的外观变化、微观形貌和力学性能等指标研究其耐高温性能。

1 试验

1.1 原材料

碳纤维增强FA-MK基地聚合物砂浆采用河南博润耐火材料工业公司生产的F级粉煤灰(FA)、河南晨宜耐磨材料工业公司生产的偏高岭土(MK)、嘉善县优瑞耐火材料有限公司生产的SP38型水玻璃硅酸钠溶液、新疆中泰化学股份有限公司生产的片状NaOH固体、厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国ISO标准砂、中国吉林碳工业有限公司生产的碳纤维以及自来水制成，粉煤灰和偏高岭土的化学组成如表1所示，XRD图谱如图1所示，碳纤维的性能如表2所示。

表1 偏高岭土和粉煤灰的化学成分 Table 1 Chemical composition of metakaolin and fly ash %

图1 偏高岭土和粉煤灰的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of metakaolin and fly ash

表2 碳纤维的物理力学特征

1.2 试件制备及试验方法

优选体积掺量为0.25%、0.50%、0.75%的碳纤维制备碳纤维增强FA-MK基地聚合物砂浆试件CF-0.25，CF-0.5和CF-0.75，并与碳纤维体积掺量为0的试件CF-0作对比研究，地聚合物砂浆配合比如表3所示。

表3 地聚合物砂浆配合比

根据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)[17]，成型160mm×40mm×40mm碳纤维增强FA-MK基地聚合物砂浆并进行抗压强度和抗折强度测试。

采用箱式电阻炉进行高温处理，由于本设备升温过程较慢，在升至较高温度(1000℃)的过程中试件会承受各温度阶段的高温作用，导致试验数据不精确，且经预实验得知200℃为温度转折点，到600℃时，试件的承载力已大幅降低，强度损失规律已较为明显，故本次试验选用200、400、600℃作为温度梯度，经高温处理的地聚合物砂浆试件分为两部分：一部分是编号为CF-0，CF-0.25，CF-0.5和CF-0.75的试件以5℃/s的速率分别升温至200、400、600℃并恒温保持1h；另一部分是编号为CF-0.5的试件以5℃/s的速率分别升温至200、400、600℃并分别恒温保持0.5、1、1.5h，高温处理结束后，关闭箱式电阻炉，自然冷却至室温。

2 结果与讨论

2.1 高温后砂浆的外观变化

图2 不同温度下地聚合物砂浆表面形貌Fig.2 Surface morphology of geopolymer mortar at different temperatures

图2为试件CF-0和CF-0.75经200、400、600℃高温处理1h后的外观。由图2可知：由于高温下氧化铁含量增多，随着温度的升高，试件外观由暗灰色变为浅红色[18]，试件CF-0表面裂纹逐渐增多，而碳纤维体积掺量为0.75%的试件CF-0.75在经受600℃的高温后试样表面仅有少量裂纹，由此可知，掺入碳纤维可以有效抑制地聚合物砂浆在高温下由于热应力而引起的裂纹的扩展，从而提高其耐高温性能。

图3(a)为试件CF-0.5经200、400、600℃高温处理1h后和CF-0.5经600℃高温处理0.5、1、1.5h后横截面的照片，由图3(a)可知， CF-0.5横截面处浅红色区域面积随温度的升高而逐渐增大。当温度为600℃时，随着高温持时的增加，横截面的红色区域面积逐渐增大。图3(b)为试件CF-0和CF-0.75经600℃处理1h后横截面的照片，由图3(b)可知，CF-0.75截面的浅红色区域面积明显小于试件CF-0。

上述现象说明，碳纤维的掺入可以有效阻止高温下地聚合物砂浆表面裂纹的扩展以及红色区域向内部发展，这对保持地聚合物砂浆的热稳定性具有积极作用。

图3 不同温度下地聚合物砂浆截面形貌Fig.3 Cross-sectional morphology of geopolymer mortar at different temperatures

2.2 碳纤维掺量对高温后砂浆力学性能的影响

图4为不同碳纤维体积掺量的FA-MK基地聚合物砂浆在不同温度下处理1h的抗压强度和抗折强度变化。由图4可知，随温度从20℃升至600℃，试件的抗压强度先上升后下降，在 200℃时试件的抗压强度达到峰值。碳纤维的掺入可提高试件的抗压强度，提高幅度在3.3%～21%，在不同温度时，随碳纤维体积掺量的增加，试件的抗压强度呈先上升后下降的趋势。经不同温度处理后，碳纤维体积掺量为0.50%的试件抗压强度均比其他碳纤维掺量的砂浆高。与未掺入纤维试件(CF-0)相比，环境温度下碳纤维体积掺量为0.50%试件(CF-0.5)的抗压强度提高了13.9%，经200、400、600℃处理后其抗压强度分别提升了19%、21%、18.1%。

地聚合物砂浆的抗折强度变化趋势与抗压强度变化趋势相似，都是随着温度的升高呈先上升后下降的趋势，且在200℃时抗折强度达到最大；碳纤维的掺入对试件抗折强度提高了2.6%～88.9%，当温度为200℃时，试件的抗折强度随碳纤维体积掺量的增加而先上升后下降，与未掺入纤维试件(CF-0)相比，碳纤维体积掺量为0.50%试件(CF-0.5)的抗折强度在环境温度下和200℃时分别提高了13.7%和14.2%；当温度高于200℃时，砂浆的抗折强度随碳纤维体积掺量的增加呈上升趋势，碳纤维体积掺量为0.75%试件(CF-0.75)的抗折强度经400℃和600℃处理后分别提高了54.1%和88.9%。

图4 不同温度下地聚合物砂浆强度Fig.4 Strength of geopolymer mortar at different temperatures

200℃时力学性能的提高一方面是自由水的蒸发导致试件内部质点间作用力增强；另一方面，水热条件下粉煤灰中SiO2，Al2O3与OH-等离子随温度升高反应速率加快，这在一定程度上降低了试件的孔隙率，提高了试件基体结构致密度[19]；经高温处理后的碳纤维增强FA-MK基地聚合物砂浆在受热应力时，由于碳纤维的桥联作用，可有效阻止裂纹的萌生和扩展[20]；就高温后力学性能而言，碳纤维的最佳体积掺量为0.50%，掺入太多或太少的碳纤维通常会使试件强度劣化，这是因为当碳纤维取代砂浆基体中的团聚体时，由于基体内部孔隙率的增加，最终导致试件力学性能的下降。

2.3 高温持时对砂浆力学性能的影响

为进一步探究高温对碳纤维增强FA-MK基地聚合物砂浆力学性能的影响，展开了高温持时对地聚合物砂浆力学性能的影响探究。图5为试件CF-0.5在不同高温持时下的抗压强度和抗折强度的变化，由图5可知，200℃时，试件的抗压强度和抗折强度均随高温持时的延长先上升后下降；当温度高于200℃，试件的抗压强度和抗折强度随高温持时的延长呈下降趋势，试件强度的下降是高温下热应力的积累及地聚合物砂浆中N-A-S-H/C-A-S-H凝胶受热分解导致[21]。

图5 不同高温持时下地聚合物砂浆强度Fig.5 Strength of geopolymer mortar at different high temperature duration

图6 地聚合物砂浆的微观形貌Fig.6 Microscopic morphology of geopolymer mortar

2.4 微观结构分析

图6为试件CF-0.5经200、400、600℃处理1h后的微观形貌图，由图6可知，碳纤维相互交错的嵌置于地聚合物砂浆基体中，200℃时试件内部更致密，这也是温度不太高时试件强度提高的原因，400℃时有裂纹增大，这是由于升温产生的热应力对砂浆基体施加了更大的压力[22]，裂隙的产生降低了试件的强度；600℃时，碳纤维熔断，桥联作用弱化，碳纤维不能有效阻止裂纹的扩展，试件的强度显著下降。

3 结论

1)随着温度升高，水分蒸发速率加快，试件由暗灰色变为浅红色，且表面裂纹增多；随着高温持时延长，试件横截面处浅红色区域由外向内扩展；碳纤维的掺入可以有效地阻止地聚合物砂浆在高温下裂纹的发展和横截面处浅红色区域的扩展，从而提高试件的整体热稳定性。

2)200℃时，地聚合物反应速率加快，形成致密的基体，有利于改善试件的力学性能；温度高于200℃，地聚合物反应生成的N-A -S-H/C-A-S-H凝胶受热分解、砂浆基体内部裂缝增多以及碳纤维熔断导致试件整体力学性能下降。

3)在不同温度下，试件的抗压强度随碳纤维体积掺量增加呈先上升后下降趋势；温度高于200℃，试件的抗折强度随碳纤维体积掺量增加呈上升趋势；就高温后力学性能而言，碳纤维的最佳体积掺量为0.50%；200℃时，试件的强度随高温持时的延长先上升后下降，温度高于200℃，试件强度损失随高温持时的增加而逐渐加剧。