秸秆地质聚合物的保温机理以及耐高温性能分析
秸秆地质聚合物的保温机理以及耐高温性能分
析
地质聚合物材料（Geopolymeric materials）是近年来国际上研究非
常活跃的材料之一。它是由活性硅铝类物质（如偏高岭土、粉煤灰
等）在低温下经碱激发反应生成的具有与陶瓷性能相似的一种新型胶
凝材料[1].它具有强度高[2]、固化快[3],耐高温[4]、耐久性强、隔热效
果好[5]等优良性能，且原料来源广、价格低廉、能耗低[6],是低成本、
高性能环保型材料。目前国内外对地质聚合物材料的研究主要集中在
高强度复合材料[7],耐久耐用材料[8],防火耐高温材料[9],固化材料[10-
11]等方面，而利用其优异的性能研制成保温建筑材料加以开发应用的
研究甚少[12].
此外，因秸秆具有轻质、保温隔热的特点，加之我国秸秆资源非常丰富，将其用作建筑材料一
直是秸秆的主要利用途径之一。然而传统秸秆建材存在抗压能力弱、易潮、易腐蚀、防火性能
差等缺陷，使其应用范围受到限制。若能将地质聚合物和秸秆结合，制成一种新型轻质保温建
筑材料，既可以利用地质聚合物的优异性能，又可合理利用秸秆资源，同时又兼具良好保温性
能，突破传统秸秆建材的应用局限，使之成为多功能型的保温建筑材料。这对我国实现可持续
发展和节能减排有着重要的意义。
近年来，随着全球能源危机的日益加剧和我国建筑节能的大力推行，加之现有保温系统火灾事
故频发，使建筑保温材料的安全与节能、防火与保温越来越受到人们的重视，传统保温建筑材
料亟待升级换代。本文将水稻秸秆掺入地质聚合物中，将其合成为一种新型复合节能保温建筑
材料。为了研究秸秆地质聚合物是否能够满足节能保温和防火安全的要求，实验对不同秸秆掺
量的材料进行了密度、孔隙率、导热系数、抗压强度测试和热稳定性测试。
同时利用扫描电镜（SEM），热重（TG ）和 X 射线衍射（XRD）分析了材料的保温机理以及
耐高温性能。
1 材料与方法
1.1 样品与试剂
实验所用高岭土（工业级）在 800℃ 下煅烧 2h 后得到偏高岭土。经过 X射线荧光光谱分析
（XRF ），得到高岭土和偏高岭土的主要成分如表 1.水稻秸秆取自浙江上虞，由粉碎机粉碎
后，再经 0.63 mm 方孔砂石筛过筛。碱激活剂由固体氢氧化钠溶于水玻璃中制得，其中水玻璃
为工业级，模数为 3. 氢氧化钠为分析纯，纯度大于 96%.
1.2 秸秆地质聚合物制备
秸秆地聚物复合材料配方为：SiO2 与Al2O3 摩尔比为 3.9,Na2O 与SiO2 摩尔比为 0.3,水灰比为
0.2, 秸秆掺入量分别为 0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%. 配方中物质的组成见表2.将偏高岭
土和碱激活剂按配方比例混合，然后再加入水和秸秆，搅拌均匀后倒入2 cm×2 cm×2 cm 的模
具中捣实成型，常温养护 24 h 后拆模，再放入温度为（20±2 ℃） ，相对湿度为（70±5）%的恒
温恒湿箱中养护 28d.
1.3 实验方法
1.3.1 密度与孔隙率测试
地质聚合物复合材料的密度和孔隙率值是用来考察其性能的关键性数据[13].秸秆地质聚合物的
体积密度（Bulk density）通过下式（1）计算。样品开孔孔隙率（Apparent porosity）的测定采
用阿基米德排水法，计算式如式（2）。样品测试前均经过干燥处理。为减小误差，密度与孔
隙率测定均挑选表面无缺陷，形态规整的试块。测得的结果均取5 个样的平均值。
【公式 1】
其中：Db 为体积密度（g/cm3）；Pa 为开孔孔隙率（%）；m0 为干燥试块的质量（g）；m1
为饱和吸水后试块在空气中的质量（g）；m2 为饱和吸水后试块在水中的质量（g）。
【2】
1.3.2 导热系数测试
导热系数是反映材料保温隔热性能的物理量。秸秆地质聚合物以保温建筑材料为其应用化方
向，通过测定导热系数对其保温性能进行讨论，是非常有必要的。实验采用平板稳态法测定秸
秆掺入量分别为 0% 至6%时的导热系数。秸秆地质聚合物平板大小为120mm×160mm×10mm,
实验结果取3 个样的平均值。
1.3.3 耐高温测试
耐高温测试秸秆地质聚合物以 4% 秸秆含量的配方制块。试块养护 28 d 后，取出置于60 ℃烘
箱内烘 12h 后，将试块放置于电阻炉中，进行耐高温测试。实验设定煅烧温度分别为 200
℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1000 ℃ ，煅烧时间分别为 0、30、60、90、120 min.升温速率参
照《建筑构件耐火试验方法》（GB/T 9978.1-2008）中对升温曲线的规定，设定升温方式为：
从起始温度至预定温度前100 ℃ ，升温速度控制在 10 ℃/min, 最后100 ℃ 升温控制在 2 ℃/min.
煅烧完待试块自然冷却后，取出用游标卡尺测量其尺寸。抗压强度测试按《水泥胶砂强度检测
方法》（GB177-77）进行。
1.3.4 实验主要仪器与设备
LHS-250SC 恒温恒湿箱（上海蓝豹实验设备有限公司）；SX3-2-12 节能纤维电阻炉（杭州卓
池仪器有限公司）；TYE-300B 型数显式水泥抗压砼抗折机（无锡建仪试验器材有限司）；
X'Pert Pro 型X 射线衍射仪（XRD）（荷兰帕纳科公司）；S-4700 型扫描电镜分析仪（SEM）
（日本 HITACH 公司）；DTG-60H 型差热-热重分析仪（日本岛津公司）。
2 结果与讨论
2.1 密度、孔隙率、导热系数与抗压强度
试块养护 28d 后，秸秆地质聚合物的密度、开孔孔隙率、导热系数和抗压强度值如图1 所示。
随着秸秆掺入量的增加，地质聚合物材料的密度逐渐从 1.46 g/cm3 减小至 1.36 g/cm3,而开孔孔
隙率从29.78% 逐渐升高至33.67%.由于秸秆质轻，内部含有中空结构，密度远小于地质聚合
物，所以秸秆地聚物的密度随着秸秆含量的增加而减小。当秸秆掺入量从0% 增至 6%时，地聚
物材料的开孔孔隙率增加了 3.89%,虽然秸秆的加入使得开孔孔隙率有所增加，但增幅不明显。
原因在于偏高岭土基地质聚合物本身具有一定的孔隙率，由秸秆带入的孔隙，部分充当了原本
地质聚合物内部的孔隙。
秸秆地质聚合物的抗压强度随着秸秆掺量的增加而减小。纯地质聚合物 28 d 抗压强度可达
54.38MPa,秸秆均匀分散进入地质聚合物后，孔隙率增大，导致抗压强度随之减小。但由于地
质聚合物本身结构的紧致，使得复合材料的抗压强度依然较大。
当秸秆的掺入量为 4% 时，得到的秸秆地质聚合物抗压强度为 32.78 MPa,已满足多数建筑所需
的抗压强度（30MPa），可作为建筑材料使用。随着秸秆掺量的增加，秸秆地质聚合物的开孔
孔隙率增大，导热系数逐渐减小，材料的保温性能越来越好。纯地质聚合物的导热系数为
0.127W/m·K,其本身就具有良好的保温性能，可与膨胀珍珠岩（0.101~0.134W/m·K）相媲美
[14]. 当加入 1% 秸秆后材料的导热系数有明显下降，在 2%、3%、4%秸秆掺量下，材料导热系
摘要：
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秸秆地质聚合物的保温机理以及耐高温性能分析地质聚合物材料（Geopolymericmaterials）是近年来国际上研究非常活跃的材料之一。它是由活性硅铝类物质（如偏高岭土、粉煤灰等）在低温下经碱激发反应生成的具有与陶瓷性能相似的一种新型胶凝材料[1].它具有强度高[2]、固化快[3],耐高温[4]、耐久性强、隔热效果好[5]等优良性能，且原料来源广、价格低廉、能耗低[6],是低成本、高性能环保型材料。目前国内外对地质聚合物材料的研究主要集中在高强度复合材料[7],耐久耐用材料[8],防火耐高温材料[9],固化材料[10-11]等方面，而利用其优异的性能研制成保温建筑材料加以开发应用的研究甚少...
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作者：闻远设计
分类：土木建筑化工水利
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时间：2023-05-09
