第一章 绪论
1.1 研究背景
随着国民经济的迅速发展，大量基础设施建设呈井喷式增长，其中隧道、桥梁、地铁和公路等基础设施的增长最为明显，截至 2019 年底我国公路隧道累计已有 19067 座，总里程长达 18966.6km，与 2009 年底相比，其中长公路隧道有 4784座，总里程达 8263.1km，特长公路隧道共计 1175 座，总里程高达 5217.5km，且公路隧道的数量上的增长主要是高速公路隧道[1]。对比于世界上隧道的增长形势，我国隧道建设的起步虽然较晚但是发展最为迅速。隧道不仅是各类交通管道的保护通道，而且同样承担着非常重要的交通运输使命。近年来随着车辆的增多，交通运输量的增大，交通事故的发生概率也越来越大，而隧道火灾的发生次数同样逐年增长。车辆通过隧道时由于可燃物的燃烧使得隧道内温度瞬间升高，由于隧道处于狭长而又封闭的状态，使得热量散失缓慢而火灾强度加剧。据澳大利亚消防委员会的相关报道，隧道发生火灾时隧道的衬砌结构最高温度可高达 1000℃[2]，挪威与日本等国家也有相类似的报道。近几十年以来，世界上因为隧道火灾而发生的重大损失的报道从未间断，例如：1999 年，法国与意大利相连的公路隧道发生火灾，大火燃烧将近 4 个小时，30 余辆车烧毁并且造成了 39 人的重大伤亡[3]。2003 年，韩国大丘市中区地铁 1 号线中央路车站火灾造成 174 人受伤 196 人死亡的重大事故。由于隧道环境处于长期封闭状态且逃生救援的困难性十分的艰难，使得隧道发生火灾时往往伴随着重大的生命财产的损失。除此之外，其他高层混凝土建筑也面临着同样的火灾风险。我国现有高层建筑物数量高达 34 万幢，而近10 年以来高层火灾竟高达 3 万余起，其中较大火灾就有 24 起[4]。大量的火灾事故实例表明，火灾不仅使得人们的生命安全与财产受到重大损失，高温还使得混凝土结构力学性能劣化和爆裂率的增加。
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1.2 地聚合物与隔热材料的概述
1.2.1 地聚物
地质聚合物（Geopolymer）是指一种类似地壳中沸石结构的人工合成硅铝质材料。它是一种新型人工合成的无定型聚铝硅酸盐矿物。上世纪末 70 年代法国材料科学家 Davidovits 以偏高岭土为原料，再以碱激发偏高岭土得到的新型胶凝材料，并最早提出地质聚合物概念[10]。1971 年 Davidovits 教授申请了地聚合物历史上的第一篇关于用碱激发高岭土制备建筑板材的专利。地质聚合物是由硅氧四面体[SiO4]与铝氧四面体[AlO4]通过共价键（Si-O-Al）结合而成的三维网络状的凝胶体。可以用做地聚合物的原材料众多，比如硅铝酸盐材料中的高岭石和工业固废如粉煤灰、粒化高炉矿渣、采矿废弃物煤矸石等。这些原材料通过酸或者碱激发反应后制备得到地聚物[11]。经过各位材料科学家的不断探索。人们逐步发现，众多的物质可以激发上述原料得到地聚合物。例如碱金属氢氧化物（主要以 KOH 和NaOH 为主），以及各类酸式酸根盐、碱式酸根盐和氟化物等，这些物质就是反应所需的激活剂。随着地质聚合物的发现，上世纪 80 年代以后，各国科学家开始争相研究地聚合物。
由于地聚合物的性能较为独特，所以用途非常广泛，在建筑材料、高强材料以及耐高温材料等方面均显示出巨大的优势。由于它们具有类似陶瓷的特性，因此认为它们具有良好的耐火性。因此，与使用普通波特兰水泥（OPC）生产的常规混凝土相比，使用地质聚合物生产的混凝土可能具有更高的耐火性。地聚合物具有更出色的力学性能和环境友好性能，被认为是一种新型的胶凝材料，在建筑中具有广泛的潜在应用价值。减少了不可再生原料的消耗，同时增加对工业副产品（残渣）的使用。
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第二章 原材料及试验方案
2.1 原材料
2.1.1 偏高岭土
试验所用偏高岭土（MK）为河南省巩义市辰义耐材磨料有限公司生产，粒径为 10μm；偏高岭土的化学组成见表 2.1，由表 2.1 可知，偏高岭土的化学组成主要为 SiO2 和 Al2O3，分别占总量的 55%和 43%。偏高岭土及其微观形貌见图2.1（a）和（b），由图 2.1（b）可见，大量片状偏高岭土堆积分布。偏高岭土的XRD 谱见图 2.2，由图可知，偏高岭土的主要衍射峰在 2θ=20°~30°之间，该衍射峰相对较弱，主要为无定型态，结晶相较少；主要晶相有锐钛矿（TiO2）和石英（SiO2）。
表 2.1 偏高岭土和粉煤灰的化学组成（%）
2.2 试验配合比
本试验第一部分（碱浓度和模数对砂浆力学性能的影响）配合比设计 12 个配合比砂浆试件，每组配比设计 6 个试件的用量。碱浓度以 K2O 的当量计，占硅铝质原料（偏高岭土和粉煤灰质量和）的 40%，44%，48%；偏高岭土和粉煤灰按质量比 1:1 混合。用烧杯称量定量的 K2SiO3 溶液，然后将定量的 KOH 缓慢地溶于 K2SiO3 溶液中制得复合碱激发剂。碱激发剂的模数分别为 0.75、1.00、1.25、1.50。由于珍珠岩具有较高的吸水率，所以在试验前对其进行 120%的预吸水处理，经过多次试配确定水胶比为 0.5。钾水玻璃中固含量计入胶凝材料计算，含水量计入用水量计算。隔热填料中微珠：蛭石：珍珠岩按质量比 5:3:4 混合，详细配合比见表 2.2。
水玻璃模数的定义为二氧化硅和氧化钾的物质的量的比值。如需要调整水玻璃模数为 1.5，通过加入氢氧化钾来调整氧化钾的含量，降低水玻璃模数()公式(2-1)。水玻璃溶液中氧化钾百分比含量 9.57%，二氧化硅百分比含量 25.16%，如果加入水玻璃质量为 100g 时,水玻璃中已有氧化钾质量 9.57g，二氧化硅质量25.16g，通过计算得出调整水玻璃模数为 1.5 时，氧化钾含量应为 26.27g。
表 2.2 试验配合比 1(g)
第三章 碱激发剂的浓度与模数对地聚物砂浆性能的影响 ........................ 31
3.1 地聚物砂浆抗压强度 ....................................... 31
3.1.1 模数对地聚物砂浆抗压强度的影响 ................................... 32
3.1.2 碱浓度对地聚物砂浆抗压强度的影响 ................................ 33
第四章 高温后轻质低导热地聚物砂浆的性能研究 ................................... 39
4.1 高温后地聚物砂浆的抗压强度 ................................... 39
4.2 不同隔热填料下地聚物砂浆的导热系数 ........................... 43
4.3 隔热填料配比的优选 ............................... 44
第五章 混凝土板的温度场及有限元计算 ................................ 53
5.1 温度场的计算 .................................................... 53
5.1.1 计算基本原理 ......................................... 53
5.1.2 基本假定 ....................................... 53
第五章 混凝土板的温度场及有限元计算
5.1 温度场的计算
5.1.1 计算基本原理
“温度场”是指在某一时刻，结构空间各点温度分布的总体。温度场是由火灾产生的高温烟气流通过热辐射和热对流将火灾热量传递给结构表面、热量在结构内部传导这三类热传递过程[65]。同时由于混凝土结构-防火结构体系各材料的热工性质随温度呈现非线性变化，在进行温度场计算的时候，需要考虑材料的非线性性质。由于发生火灾时，环境温度和材料的热工参数会随着温度变化，结构内部和结构-防火结构体系内部热传导过程均为非线性瞬态问题。ABAQUS 作为国际上通用的最先进的非线性有限元分析软件, 可以非常方便地处理非线性场问题, 支持各类热传导问题分析。据能量守恒原理以及傅里叶导热定律得出公式 5-1 所示的热传导方程。
热传导方程
第六章 结论与展望
6.1 结论
（1）偏高岭土-粉煤灰基地聚物砂浆试件存在最佳碱浓度和模数，当模数为1 且碱浓度为 44%时抗压强度最高，为 22.24MPa，此外，该组配比在 1000℃后有55%的相对残余抗压强度，常温下试件微观结构较为致密，且有大量絮状的水化产物，过低或者过高的模数的试件都存在着未反应的偏高岭土和粉煤灰，而过高的碱浓度可能使得水化产物薄膜包裹粉煤灰，阻碍后续水化反应的进程。
（2）随着微珠、蛭石和珍珠岩等隔热填料掺量的增加，偏高岭土-粉煤灰基地聚物的砂浆的抗压强度普遍降低，而其耐火时间普遍提高，综合考虑 1000℃高温作用后的残余抗压强度及耐火时间，最后确定隔热填料的配比为微珠掺量 16%，蛭石掺量 10%，珍珠岩掺量 14%。
（3）不同隔热填料掺量下地聚物砂浆试件的抗压强度在 400℃之前几乎均维持稳定或略有提高，而在 400℃高温作用后，砂浆试件的抗压强度下降明显。在1000℃的高温作用后，各组均能维持 40%及以上的相对残余抗压强度。最佳配比下的试件在 1000℃高温作用后仍有 10.53MPa 残余抗压强度与 52%的相对残余抗压强度，该配比下 1000℃高温下的导热系数为 0.1907(W/mk)，耐火时间可达72min，在耐高温的同时仍有可观的隔热性能。
（4）最佳配合比下的地聚物净浆常温至 400℃的主要水化产物为无定型凝胶，此外还有少量钾长石和白云母；在 800℃的时候开始生成白榴石和钾霞石。1000℃高温作用后，白榴石和钾霞石的衍射峰更强。
（5）最佳配合比下的地聚物的砂浆在常温至 400℃时，水化产物数量一直增加，微观结构致密。而在 600℃的高温作用后，基体开始出现裂纹。水化产物数量开始明显下降，并且伴随着大量孔隙的产生。800℃高温作用后，其硬化体结构出现多孔空腔，但有少量零星规则的晶体出现。试件历经 1000℃高温作用后硬化体结构密实，空腔数量减少，硬化体结构中大量形状规则的晶状物质相互连接，相互堆叠。
参考文献（略）