地質(zhì)聚合物的高溫特性研究

陶 鑫,張 力

(1.黑龍江工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，黑龍江 雞西 158100； 2.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

地質(zhì)聚合物的高溫特性研究

陶 鑫1,張 力2

(1.黑龍江工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，黑龍江 雞西 158100； 2.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

利用四因素三水平正交試驗(yàn)方法制備九組不同配合比的地質(zhì)聚合物試樣，通過測(cè)試試樣的正方體抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度找到地質(zhì)聚合物的最優(yōu)配合比，同時(shí)對(duì)九組試樣進(jìn)行300℃、600℃、900℃高溫處理，再通過測(cè)量質(zhì)量損失及強(qiáng)度損失找出二者的關(guān)系。結(jié)果表明對(duì)地質(zhì)聚合物強(qiáng)度的影響因素從強(qiáng)到弱依次是礦渣含量、水玻璃與NaOH的質(zhì)量比、養(yǎng)護(hù)溫度、砂摻量；質(zhì)量損失越大強(qiáng)度損失越高，而當(dāng)質(zhì)量損失較低時(shí)，強(qiáng)度損失與質(zhì)量損失之間的關(guān)系不明確。

地質(zhì)聚合物；強(qiáng)度；正交設(shè)計(jì)；高溫

隨著近年來的研究與發(fā)展，地質(zhì)聚合物對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)已初見成效。無論是在能耗方面或是保護(hù)環(huán)境方面都有了長足進(jìn)步。[1-2]地質(zhì)聚合物在土建方面的用途主要是取代原始的硅酸鹽水泥。但是目前為止地質(zhì)聚合物都沒有統(tǒng)一的配合比，[3-4]因此對(duì)地質(zhì)聚合物配合比的研究十分必要。

正交試驗(yàn)具有合理性、科學(xué)性等特點(diǎn)，因此獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高較全面。所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)正交法被廣泛采用。本文根據(jù)影響地質(zhì)聚合物強(qiáng)度的因素將采用四因素三水平正交試驗(yàn)，從而大大減小實(shí)驗(yàn)量，同時(shí)又不失真實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)性。

一種新的土建材料的大規(guī)模運(yùn)用之前都會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，[5]地質(zhì)聚合物在大規(guī)模運(yùn)用之前也需要系統(tǒng)的研究。地質(zhì)聚合物的高溫特性仍鮮有研究。本文利用正交實(shí)驗(yàn)法找出的最優(yōu)配合比以及地質(zhì)聚合物的高溫特性研究還是很有研究意義的。

1 地質(zhì)聚合物試樣的制作

地質(zhì)聚合物高溫特性受許多因素的影響，地質(zhì)聚合物拌合時(shí)的流動(dòng)性及試樣的抗折強(qiáng)度受試樣砂摻量的影響；養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)地質(zhì)聚合物試樣的整體強(qiáng)度具有一定的影響；激發(fā)劑的配合比將決定高溫后試樣的強(qiáng)度以及質(zhì)量的損失。因此本文所選用的四個(gè)不同因素為砂摻量、礦渣含量、水玻璃：NaOH溶液、養(yǎng)護(hù)溫度，本文所用的正交設(shè)計(jì)因素水平表如表1所示。

表1 因素水平表

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)試樣為地質(zhì)聚合物砂漿試樣，原材料為水、粉煤灰、激發(fā)劑、礦渣。

水采用清潔自來水，粉煤灰的主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO。激發(fā)劑為NaOH溶液與水玻璃的混合溶液，礦渣即為市售礦渣。

九組試樣的配合比如表2所示，每組地質(zhì)聚合物砂漿體積密度按2000kg/m3計(jì)。

三種不同激發(fā)劑的配合比如表3所示。

表2 各組試樣配合比 kg/m3

表3 三種激發(fā)劑中各原材料的質(zhì)量比

1.2 試樣的制備

同混凝土試樣的制備過程相同，都經(jīng)過攪拌、裝膜、振搗、養(yǎng)護(hù)的過程，其中養(yǎng)護(hù)過程是分別放到要求溫度即40℃、60℃、80℃的數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱中養(yǎng)護(hù)24h，而后再標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。

本次試驗(yàn)所用試模的尺寸為70.7mm立方體三聯(lián)模4組，四組試樣分別用于900℃、600℃、300℃高溫試驗(yàn)以及正方體抗壓；另外40*40*160的三聯(lián)鋼模一組，為試樣抗折強(qiáng)度之用。

2 試驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)具體操作步驟如下：

(1)將一組70.7mm的試樣進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)。

(2)將40*40*160的試樣用來獲取抗折強(qiáng)度。

(3)40mm抗壓強(qiáng)度利用折后試樣獲得。

(4)將其余3組70.7mm立方體試樣編號(hào)稱重。

(5)將試樣放入電窖中，溫度分別為900℃、600℃、300℃，達(dá)到預(yù)定溫度后保持1h，斷電，此時(shí)切勿打開電窖門以免燙傷，可令其溫度自然降到80℃。溫度變化曲線如圖1所示。

(6)取出試樣，稱重。

(7)分別測(cè)試高溫后各試樣的抗壓強(qiáng)度。

圖1 溫度變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

通過以上實(shí)驗(yàn)的測(cè)量，得到40mm立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、70.7mm立方體抗壓強(qiáng)度，各強(qiáng)度如表4所示。

表4 強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

表4可以直觀地得出各試樣的各種強(qiáng)度，但是不能得出各因素對(duì)每種強(qiáng)度的影響程度，本文將利用指標(biāo)求和與均值分析法來進(jìn)一步對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

通過對(duì)試樣的40mm的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分析、70.7mm抗壓強(qiáng)度分析可以得到最優(yōu)方案為A3B1C1D1，也就是水玻璃與NaOH片堿的質(zhì)量比為2:1，粉煤灰與礦渣的總量與砂摻量的比值為1:2，養(yǎng)護(hù)溫度為80℃,礦渣占總量的30%。

各高溫后的質(zhì)量損失如表5所示，觀察表5可知質(zhì)量損失隨著溫度的升高而逐漸增大。其原因?yàn)榈刭|(zhì)聚合物試樣內(nèi)部存在孔隙及自由水，在溫度未超過300℃時(shí)，孔隙中自由水的流失使其質(zhì)量下降，由于水分流失較快致使少量微裂紋出現(xiàn)于試樣表面；溫度介于300℃～600℃之間時(shí)，此時(shí)由于內(nèi)部成分的結(jié)合水流失導(dǎo)致其質(zhì)量下降，表面微裂紋較300℃時(shí)差別不大；而溫度介于600℃～900℃之間時(shí)，石灰質(zhì)骨料以及硅鋁酸鹽聚合物開始分解，而地質(zhì)聚合物的主要組成成分的分解勢(shì)必帶來質(zhì)量的損失以及表面的大面積開裂。高溫下試樣的開裂情況如圖2所示。

圖2 高溫下各試樣開裂情況示意圖

表6 高溫后強(qiáng)度損失表

注：其中“-”表示強(qiáng)度減小

9組試樣在經(jīng)過不同的溫度后強(qiáng)度改變情況如圖3所示，觀圖后可知，除了5、7、8組試樣外，其他5組試樣強(qiáng)度先增大后減小。這是因?yàn)樵跍囟鹊陀?00℃時(shí)試樣內(nèi)部的自由水流失，致使試樣內(nèi)部較為致密，因此強(qiáng)度有所上升。而溫度高于600℃之后試樣內(nèi)流失的水分主要為結(jié)合水以及硅鋁酸鹽聚合物及石灰質(zhì)骨料逐漸受熱分解，使試樣的主要成分發(fā)生質(zhì)變，因此使其強(qiáng)度降低。出現(xiàn)不同變化的5、7、8組試樣可能為之前的養(yǎng)護(hù)溫度過高，使試樣內(nèi)部的自由水大部分喪失，再經(jīng)高溫加熱后，質(zhì)量損失為結(jié)合水的流失等，因此其強(qiáng)度是始終下降的。

圖3 各組試件高溫后的強(qiáng)度變化圖

圖4 各組試件高溫后強(qiáng)度損失隨溫度變化圖

圖4為各組試樣強(qiáng)度損失與溫度之間的關(guān)系圖，圖中可以得出300℃下的試樣主要分布在左上角，900℃下的試樣主要分布在右下角，而600℃下的試樣主要分布在中部。這說明300℃時(shí)試樣隨著質(zhì)量的損失，強(qiáng)度是增大的，900℃時(shí)試樣隨著質(zhì)量的損失，強(qiáng)度是較小的，而600℃時(shí)試樣的強(qiáng)度的變化與質(zhì)量的變化之間的關(guān)系是不明顯的。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量損失高于一定值即9.5%時(shí)，強(qiáng)度必然減小，質(zhì)量損失未達(dá)到9.5%時(shí)，強(qiáng)度的變化沒有規(guī)律。

4 結(jié)論

本文利用正交法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定試樣三種強(qiáng)度，通過指標(biāo)求和及均值分析法來研究地質(zhì)聚合物在高溫下的特性，得出最優(yōu)配合比，即水玻璃與NaOH溶液的質(zhì)量比為2:1；砂摻量與膠凝材料的質(zhì)量比為1:2；養(yǎng)護(hù)溫度為80℃；礦渣含量占總膠凝材料的質(zhì)量比為30%。

除個(gè)別組外，大部分試樣隨著溫度的升高其強(qiáng)度是先增大后減小的，這間接地反映了地質(zhì)聚合物高溫受熱后強(qiáng)度的變化規(guī)律。

質(zhì)量損失高于一定值即9.5%時(shí)，強(qiáng)度必然減小，質(zhì)量損失未達(dá)到9.5%時(shí)，強(qiáng)度的變化沒有規(guī)律。

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Class No.:TU528.01 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：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，碩士，助教，黑龍江工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系。

1672-6758(2017)04-0061-5

TU528.01

A