地質聚合物材料（Geopolymeric materials）是近年來國際上研究非?；钴S的材料之一。它是由活性硅鋁類物質（如偏高嶺土、粉煤灰等）在低溫下經堿激發反應生成的具有與陶瓷性能相似的一種新型膠凝材料[1].它具有強度高[2]、固化快[3],耐高溫[4]、耐久性強、隔熱效果好[5]等優良性能，且原料來源廣、價格低廉、能耗低[6],是低成本、高性能環保型材料。目前國內外對地質聚合物材料的研究主要集中在高強度復合材料[7],耐久耐用材料[8],防火耐高溫材料[9],固化材料[10-11]等方面，而利用其優異的性能研制成保溫建筑材料加以開發應用的研究甚少[12].

此外，因秸稈具有輕質、保溫隔熱的特點，加之我國秸稈資源非常豐富，將其用作建筑材料一直是秸稈的主要利用途徑之一。然而傳統秸稈建材存在抗壓能力弱、易潮、易腐蝕、防火性能差等缺陷，使其應用范圍受到限制。若能將地質聚合物和秸稈結合，制成一種新型輕質保溫建筑材料，既可以利用地質聚合物的優異性能，又可合理利用秸稈資源，同時又兼具良好保溫性能，突破傳統秸稈建材的應用局限，使之成為多功能型的保溫建筑材料。這對我國實現可持續發展和節能減排有著重要的意義。

近年來，隨著全球能源危機的日益加劇和我國建筑節能的大力推行，加之現有保溫系統火災事故頻發，使建筑保溫材料的安全與節能、防火與保溫越來越受到人們的重視，傳統保溫建筑材料亟待升級換代。本文將水稻秸稈摻入地質聚合物中，將其合成為一種新型復合節能保溫建筑材料。為了研究秸稈地質聚合物是否能夠滿足節能保溫和防火安全的要求，實驗對不同秸稈摻量的材料進行了密度、孔隙率、導熱系數、抗壓強度測試和熱穩定性測試。

同時利用掃描電鏡（SEM），熱重（TG）和 X 射線衍射（XRD）分析了材料的保溫機理以及耐高溫性能。

1 材料與方法

1.1 樣品與試劑

實驗所用高嶺土（工業級）在 800℃下煅燒 2h后得到偏高嶺土。經過X射線熒光光譜分析（XRF），得到高嶺土和偏高嶺土的主要成分如表 1.水稻秸稈取自浙江上虞，由粉碎機粉碎后，再經 0.63 mm方孔砂石篩過篩。堿激活劑由固體氫氧化鈉溶于水玻璃中制得，其中水玻璃為工業級，模數為 3.氫氧化鈉為分析純，純度大于 96%.

1.2 秸稈地質聚合物制備

秸稈地聚物復合材料配方為：SiO2與 Al2O3摩爾比為 3.9,Na2O 與 SiO2摩爾比為 0.3,水灰比為 0.2,秸稈摻入量分別為 0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%.配方中物質的組成見表 2.將偏高嶺土和堿激活劑按配方比例混合，然后再加入水和秸稈，攪拌均勻后倒入 2 cm×2 cm×2 cm 的模具中搗實成型，常溫養護 24 h 后拆模，再放入溫度為（20±2）℃，相對濕度為（70±5）%的恒溫恒濕箱中養護 28d.

1.3 實驗方法

1.3.1 密度與孔隙率測試

地質聚合物復合材料的密度和孔隙率值是用來考察其性能的關鍵性數據[13].秸稈地質聚合物的體積密度（Bulk density）通過下式（1）計算。樣品開孔孔隙率（Apparent porosity）的測定采用阿基米德排水法，計算式如式（2）。樣品測試前均經過干燥處理。為減小誤差，密度與孔隙率測定均挑選表面無缺陷，形態規整的試塊。測得的結果均取 5 個樣的平均值。

【公式1】

其中：Db為體積密度（g/cm3）；Pa為開孔孔隙率（%）；m0為干燥試塊的質量（g）；m1為飽和吸水后試塊在空氣中的質量（g）；m2為飽和吸水后試塊在水中的質量（g）。

【2】

1.3.2 導熱系數測試

導熱系數是反映材料保溫隔熱性能的物理量。秸稈地質聚合物以保溫建筑材料為其應用化方向，通過測定導熱系數對其保溫性能進行討論，是非常有必要的。實驗采用平板穩態法測定秸稈摻入量分別為 0%至 6%時的導熱系數。秸稈地質聚合物平板大小為120mm×160mm×10mm,實驗結果取 3 個樣的平均值。

1.3.3 耐高溫測試

耐高溫測試秸稈地質聚合物以 4%秸稈含量的配方制塊。試塊養護 28 d 后，取出置于 60 ℃烘箱內烘 12h 后，將試塊放置于電阻爐中，進行耐高溫測試。實驗設定煅燒溫度分別為 200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1000 ℃，煅燒時間分別為 0、30、60、90、120 min.升溫速率參照《建筑構件耐火試驗方法》（GB/T 9978.1-2008）中對升溫曲線的規定，設定升溫方式為：從起始溫度至預定溫度前100 ℃，升溫速度控制在 10 ℃/min,最后 100 ℃升溫控制在 2 ℃/min.煅燒完待試塊自然冷卻后，取出用游標卡尺測量其尺寸?？箟簭姸葴y試按《水泥膠砂強度檢測方法》（GB177-77）進行。

1.3.4 實驗主要儀器與設備

LHS-250SC 恒溫恒濕箱（上海藍豹實驗設備有限公司）；SX3-2-12 節能纖維電阻爐（杭州卓池儀器有限公司）；TYE-300B 型數顯式水泥抗壓砼抗折機（無錫建儀試驗器材有限司）；X'Pert Pro 型 X 射線衍射儀（XRD）（荷蘭帕納科公司）；S-4700 型掃描電鏡分析儀（SEM）（日本 HITACH 公司）；DTG-60H 型差熱-熱重分析儀（日本島津公司）。

2 結果與討論

2.1 密度、孔隙率、導熱系數與抗壓強度

試塊養護 28d 后，秸稈地質聚合物的密度、開孔孔隙率、導熱系數和抗壓強度值如圖 1 所示。隨著秸稈摻入量的增加，地質聚合物材料的密度逐漸從 1.46 g/cm3減小至 1.36 g/cm3,而開孔孔隙率從29.78%逐漸升高至 33.67%.由于秸稈質輕，內部含有中空結構，密度遠小于地質聚合物，所以秸稈地聚物的密度隨著秸稈含量的增加而減小。當秸稈摻入量從 0%增至 6%時，地聚物材料的開孔孔隙率增加了 3.89%,雖然秸稈的加入使得開孔孔隙率有所增加，但增幅不明顯。原因在于偏高嶺土基地質聚合物本身具有一定的孔隙率，由秸稈帶入的孔隙，部分充當了原本地質聚合物內部的孔隙。

秸稈地質聚合物的抗壓強度隨著秸稈摻量的增加而減小。純地質聚合物 28 d 抗壓強度可達 54.38MPa,秸稈均勻分散進入地質聚合物后，孔隙率增大，導致抗壓強度隨之減小。但由于地質聚合物本身結構的緊致，使得復合材料的抗壓強度依然較大。

當秸稈的摻入量為 4%時，得到的秸稈地質聚合物抗壓強度為 32.78 MPa,已滿足多數建筑所需的抗壓強度（30MPa），可作為建筑材料使用。隨著秸稈摻量的增加，秸稈地質聚合物的開孔孔隙率增大，導熱系數逐漸減小，材料的保溫性能越來越好。純地質聚合物的導熱系數為 0.127W/m·K,其本身就具有良好的保溫性能，可與膨脹珍珠巖（0.101~0.134W/m·K）相媲美[14].當加入 1%秸稈后材料的導熱系數有明顯下降，在 2%、3%、4%秸稈摻量下，材料導熱系數基本維持在 0.096W/m·K 左右。秸稈摻入量為 6%時，材料的導熱系數僅為 0.069 W/m·K,保溫性能優于泡沫混凝土（0.08~0.25W/m·K）[15].

2.2 微觀結構

圖 2 展示了秸稈地質聚合物的掃描電鏡微觀圖。從圖 2a 中清晰可見地質聚合物的結構為無定形層狀結構，層與層之間疊合緊密，層間距小于 1μm.這種結構使其具有較高抗壓強度的同時，使材料兼具有良好的保溫性能。秸稈的摻入雖然一定程度上影響了材料的致密性，使材料出現了許多孔隙，導致抗壓強度下降，但出現的孔隙以及秸稈的低密度、高孔隙特征，使得地質聚合物具有保溫性好的特點。

圖 2b 為秸稈在復合材料中的縱截面微觀結構圖。圖中條狀、排列清晰的組織帶為秸稈纖維，左上側為細胞組織，含有薄壁細胞、導管。秸稈的組織結構清晰，無腐蝕痕跡，粉碎的地質聚合物散落在秸稈表層，無明顯的結合界面，故推測秸稈與地質聚合物結合形態屬物理結合。

2.3 高溫對秸稈地質聚合物的影響

2.3.1 對抗壓強度的影響

圖 3 顯示了秸稈地質聚合物經歷不同煅燒溫度和不同煅燒時間后的抗壓強度值。從圖 3a 中可看出，秸稈地質聚合物的抗壓強度隨著煅燒溫度的升高而逐漸減小。溫度從 200 ℃升至 400 ℃，材料的抗壓強度發生了較快的下降。地質聚合物（硅氧鋁）的網絡結構由 SiO4和 AlO4四面體交替鏈接，Si 和Al 分享所有的氧原子，Al3+上的負電荷由框架腔上的陽離子（Na+,H3O+）來平衡[16].復合材料經過高溫處理后，內部的自由水和結合水一旦失去，這一平衡就會被破壞，地質聚合物的縮聚程度將隨之下降，這在宏觀上就表現為抗壓強度的下降。在400~600 ℃這一階段，抗壓強度值下降較平緩，地質聚合物的結構相對穩定?？箟簭姸茸钚≈党霈F在800 ℃煅燒 120 min 處，為 16.77 MPa.此后抗壓強度又有回升，該現象與林鐵松[17]的研究結果一致，初步推測可能是由于地質聚合物在這一階段開始有相變，微觀孔隙減少所致。圖 2b 顯示了秸稈地質聚合物在每一煅燒溫度下停留不同時間后的抗壓強度值變化。由 2b 圖可知，200℃條件下材料停留 60min后，試塊的抗壓強度增加，隨后又逐漸下降。這可能是由于結合水逐漸失去，秸稈在地聚物內部逐漸氧化而帶來的抗壓強度的波動。在大于 200 ℃條件下，隨著停留時間的延長，秸稈地質聚合物的抗壓強度值僅有較少的減小。說明復合材料能夠在某一高溫條件下保持較穩定的抗壓強度值，具有較好的耐高溫性能。

2.3.2 體積收縮

秸稈地質聚合物經高溫煅燒處理后的體積收縮率如圖 4 所示。200℃條件下體積收縮率為 9.60%,體積收縮率最大值出現在 800℃時，為 30.22%.當煅燒溫度小于 800 ℃時，材料的體積隨著溫度的升高而減小。在 600 ℃至 800 ℃階段材料收縮率顯著增大，可能是由于該階段秸稈已基本燃燒殆盡，失去了對內部孔洞的支撐作用而使體積減小較快。而當溫度繼續升至 1000℃，材料的體積收縮率反而減小，許多學者在研究地質聚合物耐高溫性能時都有相同的結果[18-20].與陶瓷類似[21],在高溫下地質聚合物的體積變化很大程度上與晶體含量有關，熱收縮的程度與晶體的含量呈相反關系。文獻[20]指出，偏高嶺土基地質聚合物在大于 800 ℃的條件下，會發生燒結現象，內部結構將會重組，生成一種致密體材料。因此秸稈地質聚合物在 1000℃時的收縮率減小，抗壓強度較 800℃有所回升。

2.3.3 熱重分析

通過熱重分析（TGA）可以考察秸稈地質聚合物的熱穩定性。圖 5 為秸稈地聚物、秸稈和地質聚合物三者熱重曲線圖。從圖中可知，秸稈地聚物最終重量損失率為 22.29%,純地質聚合物重量損失率為 20.02%,兩者相差部分與秸稈摻入相關。地質聚合物在高溫下質量減小，主要與其內部水分散失有關[22].研究表明，地質聚合物在 300 ℃以下主要為自由水和物理結合水的蒸發，而超過 300 ℃后主要為通過脫羥基作用脫去化學結合水使質量下降[23].

秸稈的質量損失主要分 3 個階段。25℃至 100℃，秸稈中約有 8%的自由水蒸發。100℃至 170℃，秸稈質量保持較平穩的狀態。170 ℃至 500 ℃秸稈中的纖維素、半纖維素等物質發生強烈氧化反應，重量損失率從 10%驟增至 99%.在 50 至 250℃這一階段，秸稈地質聚合物的熱重曲線與純地聚物相比較平緩。250 ℃時秸稈地質聚合物的質量損失為16.07%,與純地聚物的17.22%相比減少了 1.15%的質量損失，說明在一定溫度范圍內地質聚合物對秸稈具有保護作用。隨著溫度繼續升高，秸稈中各組分開始氧化，秸稈地聚物的質量損失也隨之加快，并在 400 ℃左右超過了純地聚物，但最終質量損失率之差僅為 2.27%.總體來說，秸稈的摻入對地質聚合物影響不大。

2.3.4 物相分析

圖 6 為秸稈地質聚合物煅燒之前與煅燒后的XRD 圖譜。秸稈地質聚合物在 400 ℃與 600 ℃煅燒后的 XRD 曲線與 200℃時幾乎相同，故圖中略去。由圖可知，秸稈地質聚合物主要由無定形相組成。在 2θ 為 28.5°和 22.3°附近可觀察到石英（Quartz）的衍射峰。此外，秸稈地質聚合物中還包含少量的銳鈦礦（Anatase）雜質，其來自偏高嶺土，且與石英一樣沒有參與地質聚合反應留在地質聚合物中。

秸稈地質聚合物在經過 200℃、400℃和 600℃高溫煅燒后，晶相幾乎沒有改變，說明秸稈地質聚合物在煅燒溫度上升過程中抗壓強度的下降主要與水分的蒸發和秸稈的熱氧化有關。秸稈地質聚合物經800 ℃ 煅燒后開始出現磷酸鋁 （ Aluminumphosphate）晶體。當溫度繼續升至 1000 ℃后，有大量霞石（Nepheline）的特征衍射峰出現，此外方石英相（Silicon oxide）和由銳鈦礦相（Anatase）轉變成的金紅石相（Rutile）也可觀察到。熱重分析顯示秸稈在 600 ℃時已經完全燒盡，但體積收縮率最大值出現在 800℃時，結合 XRD 圖發現 800℃后地聚合物發生燒結現象，所以體積發生了較大變化，而秸稈在內部氧化，沒有對材料結構產生大的影響。

材料耐高溫性能良好。經過 1000℃的煅燒后，秸稈地質聚合物已由大量晶體組成，此為秸稈地質聚合物在 1000℃抗壓強度提升的原因所在。

3 結 論

以水稻秸稈和偏高嶺土為原料制得的秸稈地質聚合物復合保溫建筑材料，具有良好的保溫和耐高溫性能，應用前景廣闊。實驗主要結論如下：

（1）秸稈地質聚合物保溫性能隨著秸稈摻量的增加而提高。秸稈摻量由 1%升至 6%時，材料的導熱系數由 0.098 W/m·K 降低至 0.069 W/m·K,均可滿足普通保溫材料對導熱系數的要求。

（2）秸稈地質聚合物的抗壓強度隨秸稈摻量的增加而逐漸減小。當秸稈摻量 4%時，秸稈地質聚合物抗壓強度為 32.78 MPa,可滿足多數建筑材料的使用要求。

（3）SEM 電鏡分析顯示地質聚合物具有密實的層狀結構，這種結構使其具有較高抗壓強度的同時，還可阻擋熱量的傳遞，使材料具有良好的保溫性能。秸稈的摻入增加了地質聚合物的孔隙率，導致抗壓強度降低，由秸稈帶入的孔隙和其自身所擁有保溫隔熱性能，降低了材料的導熱系數。

（4）秸稈地質聚合物熱穩定性測試結果表明，材料具有良好的耐高溫性能。經 600 ℃煅燒 120 min后，材料抗壓強度值仍有 35.94 MPa,過程中沒有出現抗壓強度急劇下降和垮塌現象。由 XRD 結果顯示，煅燒溫度在 800 ℃以下秸稈地質聚合物具有較穩定的礦物結構，超過 800 ℃后逐漸有霞石、銳鈦礦相產生。說明材料在 800 ℃以內具有熱穩定性能。熱重測試結果表明，在 250 ℃以內，地質聚合物對秸稈具有一定的保護作用。