高溫對碳纖維增強粉煤灰-偏高嶺土基地聚合物砂漿性能影響研究

陳娟，胡現(xiàn)岳，胡鵬兵，鄧曦

1.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023 2.防災(zāi)科技學(xué)院，中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室，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)的無機聚合物復(fù)合材料[1]，其生產(chǎn)工藝簡單，污染小，具有強度高、耐高溫、低收縮率等特性[2-6]，各國學(xué)者對地聚合物的性能進行了大量研究。近年來，關(guān)于地聚合物纖維強化技術(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化材料[7,8]，繼而纖維增強地聚合物的熱穩(wěn)定性成為研究熱點，這一研究為地聚合物在石油勘探、賽車隔熱等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能[9]。

建筑物發(fā)生火災(zāi)時溫度會迅速升高，對于采用普通硅酸鹽水泥混凝土的建筑物，裂縫的發(fā)展和強度損失會導(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度可達到其初始強度的90%[15]；地聚合物混凝土在經(jīng)歷超過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粉煤灰-偏高嶺土(FA-MK)基地聚合物砂漿，并對其進行200～600℃的高溫處理，通過高溫后的外觀變化、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

1.1 原材料

碳纖維增強FA-MK基地聚合物砂漿采用河南博潤耐火材料工業(yè)公司生產(chǎn)的F級粉煤灰(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、廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂、中國吉林碳工業(yè)有限公司生產(chǎn)的碳纖維以及自來水制成，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)《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)[17]，成型160mm×40mm×40mm碳纖維增強FA-MK基地聚合物砂漿并進行抗壓強度和抗折強度測試。

采用箱式電阻爐進行高溫處理，由于本設(shè)備升溫過程較慢，在升至較高溫度(1000℃)的過程中試件會承受各溫度階段的高溫作用，導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)不精確，且經(jīng)預(yù)實驗得知200℃為溫度轉(zhuǎn)折點，到600℃時，試件的承載力已大幅降低，強度損失規(guī)律已較為明顯，故本次試驗選用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，隨著高溫持時的增加，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展以及紅色區(qū)域向內(nèi)部發(fā)展，這對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的抗壓強度和抗折強度變化。由圖4可知，隨溫度從20℃升至600℃，試件的抗壓強度先上升后下降，在 200℃時試件的抗壓強度達到峰值。碳纖維的摻入可提高試件的抗壓強度，提高幅度在3.3%～21%，在不同溫度時，隨碳纖維體積摻量的增加，試件的抗壓強度呈先上升后下降的趨勢。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)的抗壓強度提高了13.9%，經(jīng)200、400、600℃處理后其抗壓強度分別提升了19%、21%、18.1%。

地聚合物砂漿的抗折強度變化趨勢與抗壓強度變化趨勢相似，都是隨著溫度的升高呈先上升后下降的趨勢，且在200℃時抗折強度達到最大；碳纖維的摻入對試件抗折強度提高了2.6%～88.9%，當(dāng)溫度為200℃時，試件的抗折強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)的抗折強度在環(huán)境溫度下和200℃時分別提高了13.7%和14.2%；當(dāng)溫度高于200℃時，砂漿的抗折強度隨碳纖維體積摻量的增加呈上升趨勢，碳纖維體積摻量為0.75%試件(CF-0.75)的抗折強度經(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度Fig.4 Strength of geopolymer mortar at different temperatures

200℃時力學(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)點間作用力增強；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FA-MK基地聚合物砂漿在受熱應(yīng)力時，由于碳纖維的橋聯(lián)作用，可有效阻止裂紋的萌生和擴展[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使試件強度劣化，這是因為當(dāng)碳纖維取代砂漿基體中的團聚體時，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 高溫持時對砂漿力學(xué)性能的影響

為進一步探究高溫對碳纖維增強FA-MK基地聚合物砂漿力學(xué)性能的影響，展開了高溫持時對地聚合物砂漿力學(xué)性能的影響探究。圖5為試件CF-0.5在不同高溫持時下的抗壓強度和抗折強度的變化，由圖5可知，200℃時，試件的抗壓強度和抗折強度均隨高溫持時的延長先上升后下降；當(dāng)溫度高于200℃，試件的抗壓強度和抗折強度隨高溫持時的延長呈下降趨勢，試件強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 不同高溫持時下地聚合物砂漿強度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，碳纖維相互交錯的嵌置于地聚合物砂漿基體中，200℃時試件內(nèi)部更致密，這也是溫度不太高時試件強度提高的原因，400℃時有裂紋增大，這是由于升溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力對砂漿基體施加了更大的壓力[22]，裂隙的產(chǎn)生降低了試件的強度；600℃時，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展，試件的強度顯著下降。

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；隨著高溫持時延長，試件橫截面處淺紅色區(qū)域由外向內(nèi)擴展；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)域的擴展，從而提高試件的整體熱穩(wěn)定性。

2)200℃時，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，試件的抗壓強度隨碳纖維體積摻量增加呈先上升后下降趨勢；溫度高于200℃，試件的抗折強度隨碳纖維體積摻量增加呈上升趨勢；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，試件的強度隨高溫持時的延長先上升后下降，溫度高于200℃，試件強度損失隨高溫持時的增加而逐漸加劇。