稻殼灰/ 玻璃粉改性偏高嶺土地聚物耐高溫性能研究

李婉淋 李茂森 劉浩然 江金萍 劉珺涵 莫良羽

中國地質大學（430074）

耐高溫性能是衡量建筑材料好壞的一個重要標準。根據統計顯示，目前世界上每年因火災而造成的經濟損失可達到GDP 的2‰，同時造成的死亡人數更是多達數十萬人[1]。目前人們使用最多的建筑材料依舊是傳統硅酸鹽水泥混凝土材料，在傳統硅酸鹽水泥中生成了多種分解溫度較低，體積變化較大的水化產物[2]。這些水化產物一定程度的限制了其耐高溫性能的提升。高溫條件下傳統硅酸鹽水泥的爆裂主要分為整體爆裂、表層爆裂、局部爆裂和坑式爆裂等四種[3-4]。由于這種爆裂現象對于水泥材料的性能和結構都有著巨大的危害，因此水泥的高溫下爆裂性也受到國內外學者的重視[5-6]。地聚合物膠凝材料由于其具有特殊的網絡結構使其具有比普通混凝土材料更好的耐火性能[7]。因此，地聚物材料成為人們研究的主要方向。同時高嶺土是我國一種儲量豐富的礦物資源。高嶺土常用于制備輕質耐火材料，高嶺土基地聚物在常溫下也有著優異的力學性能，常溫下其抗壓強度遠高于傳統硅酸鹽水泥。但在高溫下其力學性能卻會受到嚴重影響[8]，耐高溫性能也有待提升[9-10]。因此，本試驗中通過采用硅質材料摻雜在偏高嶺土基地聚物中，改變原料中的Si/Al 比，從而改性地聚物，并以研究其耐高溫性能。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料的制備

一般試驗中采用水玻璃作為堿性激發劑材料。表達式為K2O·nSiO2或Na2O·nSiO2。本試驗中采用的水玻璃是佛山中發水玻璃廠生產的鈉水玻璃，該水玻璃模數為n=3.2。而用于激發地聚物的堿性激發劑的模數要求n=1.5，M水玻璃∶MNaOH≈8∶1。當固體NaOH 溶于水時將放出大量的熱，將配置好的溶液靜置冷卻至室溫后，即可以得到試驗所需的堿性激發劑。

1.2 改性地聚物試樣的制備

改性地聚物試樣中各原料用量見表1。

將一定配比的稻殼灰或玻璃粉與基體偏高嶺土混合均勻后，將配置好的堿性激發劑與混合好的粉料以激∶固=1∶1 的質量比混合攪拌，得到改性地聚物漿料。再將漿料注入提前準備的模具中靜置固化得到所需的地聚物試樣。硬化后的地聚物試樣脫模后放入高溫馬弗爐內煅燒，進行高溫試驗，煅燒后測試其表征并與煅燒前進行對比分析

表1 改性地聚物試樣各原料配比

1.3 改性地聚物試樣高溫試驗處理

將制備好的1-9 組地聚物試樣分別放入馬弗爐中在300 ℃、500 ℃、700 ℃和900 ℃的進行煅燒。煅燒過程中，升溫速度為5 ℃/min，保溫階段控制在煅燒溫度下保溫1 h，然后停止加熱使地聚物試樣隨爐冷卻至室溫。對煅燒后的地聚物試樣進行各項表征性能分析并與煅燒前的地聚物試樣進行分析比對，以探究其耐高溫性能。高溫試驗中目標溫度設定在300 ℃~900 ℃是因為根據文獻表在高溫條件下地聚物體積變化主要是由于在100 ℃~300 ℃時地聚物內部脫水及在500 ℃~900 ℃階段地聚物內部的黏性燒結反應所引起[10]。

2 試驗結果分析

2.1 質量損失

通過上述試驗得到了煅燒后地聚物試樣損失柱狀圖1。

從圖中可以直觀地看到在同一溫度煅燒條件下不同改性摻量的地聚物試樣NO.1~NO.9 的質量損失率大致在同一水平上；而在300 ℃~900 ℃的不同煅燒條件下，同一改性摻量的地聚物試樣的質量損失率的趨勢大致相同。在300 ℃~700 ℃的溫度煅燒條件下，地聚物試樣的質量損失率均隨著溫度的增加而增加，而當煅燒溫度達到900 ℃的條件時，地聚物試樣的質量損失率反而略有下降，但依舊高于500 ℃煅燒條件下的試樣的質量損失率。

圖1 煅燒后地聚物試樣質量損失

2.2 抗壓強度試驗結果及分析

本試驗中對NO.1~NO.9 組地聚物試樣在300℃~900 ℃溫度煅燒后測量其抗壓強度的變化其結果見表2。

表2 煅燒后地聚物試樣抗壓強度

從表中可以發現，在玻璃粉改性的試樣中NO.3 組試樣的抗壓強度在各個溫度下均為最高，同時在稻殼灰改性的試樣中NO.7 組試樣的抗壓強度在各個溫度下也均為最高。從中可以看出在玻璃粉摻量10%和稻殼灰摻量10%的條件下，對地聚物試樣在高溫煅燒后的力學性能改善較明顯。

2.3 掃描電鏡微觀形貌分析

2.3.1 室溫下試樣掃描電鏡分析

從圖2 中可以看出在NO.1、NO.3 和NO.7 組的地聚物試樣中，室溫下均存在著較多的氣孔。在未經煅燒的試樣中，也有少量的裂縫出現。同時對比（a）、（b）和（c）三張圖可以發現玻璃粉摻量10%的改性地聚物試樣的微觀表面相較于純偏高嶺土地聚物試樣和稻殼灰摻量10%的改性地聚物試樣更為致密。

圖2 室溫下地聚物試樣的SEM 圖像

2.3.2 煅燒后NO.1 組試樣掃描電鏡分析

從圖3 中可以看出，相比于圖2 在室溫下的試樣而言，在煅燒后的試樣內部各個小氣孔有趨于相連接的趨勢，試樣內部的裂紋相比室溫下也有所則增大。

2.3.3 煅燒后NO.3 組試樣掃描電鏡分析

圖3 NO.1 組試樣在不同溫度煅燒后的微觀結構圖

通過掃描電子顯微鏡觀察到經過不同溫度高溫煅燒后的NO.3 組地聚物試樣的微觀結果如圖4所示。

從圖中可以看到300 ℃煅燒后的試樣中，氣孔尺寸還普遍較小，較為均勻地分布在試樣內部。同時也有部分的氣孔呈現規律性排列，有小氣孔相連形成斷層的趨勢，并且伴有少量未反應完全的原料存在。當在500 ℃煅燒后，NO.3 組試樣的內部結構顯現處的裂縫有所增多，有大孔徑的缺陷出現。在700 ℃煅燒后的試樣內出現明顯的裂紋與體積膨脹現象。當煅燒溫度為900 ℃時，從圖4（d）中可以看到NO.3 組試樣也因出現的黏性燒結而使得裂紋有愈合的趨勢，表面紋理更為光滑。

圖4 NO.3 組試樣在不同溫度煅燒后的微觀結構圖

2.3.4 煅燒后NO.7 組試樣掃描電鏡分析

圖5 NO.7 組試樣在不同溫度煅燒后的微觀結構圖

經過不同溫度高溫煅燒后的NO.7 組地聚物試樣的微觀結果如圖5 所示。從圖中可以看出，在300 ℃煅燒后與NO.1 組和NO.3 組試樣不同的是，NO.7 組試樣內部呈現出小而密的氣孔分布。在500 ℃煅燒后試樣內部的氣孔的深度較為縮短，同時小氣孔吞并為大氣孔。當煅燒溫度為700 ℃后，NO.7 組試樣內發生體積的膨脹，出現多個斷裂分層面，裂紋加深。同時也出現片層狀的晶體。最后當煅燒溫度達到900 ℃時，NO.7 組試樣內部同樣出現裂紋愈合成小孔，形成光滑狀紋理的現象。

3 結論

隨著玻璃粉和稻殼灰的摻入，試樣在各溫度下煅燒后形貌開裂均有所改善，相比于稻殼灰改性地聚物而言，玻璃粉10%的摻入試樣抗壓強度高于稻殼灰10%的摻入試樣，表現出更佳的耐高溫性能。采用掃描電鏡對試樣進行微觀形貌結構的表征，結果顯示，各個溫度煅燒后試樣內部的氣孔和裂紋與抗壓強度和質量損失呈明顯的相關性。