堿礦渣泡沫混凝土性能研究

楊長輝，王　磊，田　義，楊　凱，江　星

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶　400045)

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堿礦渣泡沫混凝土性能研究

楊長輝，王磊，田義，楊凱，江星

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶400045)

以堿礦渣水泥為膠凝材料、采用壓縮空氣發泡方式制備出一種新型泡沫混凝土，并對該泡沫混凝土基本性能進行了研究。結果表明：當密度在250～600 kg/m3，堿礦渣水泥泡沫混凝土導熱系數在0.070～0.139 W/(m·K)，齡期為28 d時抗壓強度在0.6～3.5 MPa。與普通水泥制備的泡沫混凝土相比，堿礦渣泡沫混凝土具有導熱系數相近、抗壓強度更高的特點。

堿礦渣水泥；泡沫混凝土；干密度；抗壓強度；導熱系數

1　引　言

泡沫混凝土是一種高流動、免振搗、輕質、阻燃、保溫隔熱建筑功能材料，廣泛應用于各種土木工程建設之中。現有研究和工程應用表明，用于節能領域的泡沫混凝土產品干密度在300～800 kg/m3，28 d抗壓強度在0.5～3 MPa之間[1-4]，其中，抗壓強度與干密度是一對矛盾。在制備低密度泡沫混凝土時，這一矛盾尤為突出，已成為限制泡沫混凝土進一步應用的主要障礙之一。

為解決這一問題，學者提出了不同技術措施。依據所使用膠凝材料的種類，這些技術措施可分為：(1)以普通硅酸鹽水泥作為原料，通過摻入早強劑來提高泡沫混凝土的強度；(2)采用其它膠凝材料替代普通硅酸鹽水泥制備泡沫混凝土。前一種方案可提高泡沫混凝土早期強度，但對材料最終強度影響較小。因而，更多學者采用凝結時間短、基體強度高的膠凝材料制備低密度泡沫混凝土。例如，黃政宇等[5]使用硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥，通過優化二者比例，混摻制備了保溫隔熱性能良好的超輕泡沫混凝土(濕密度400 kg/m3)；Li等[6]采用磷酸鎂水泥，通過摻入粉煤灰制備了密度在210～380 kg/m3的鎂質泡沫混凝土；Aguilar等[7,8]使用偏高嶺土和粉煤灰為膠結材成功制備了密度在600～1200 kg/m3的地聚合物水泥泡沫混凝土，但與普通水泥相比，地聚物水泥泡沫混凝土中孔徑尺寸較大且氣孔分布不均[9]，因而其強度與保溫性能并不理想。

堿礦渣膠結材以堿金屬化合物和磨細水淬高爐礦渣為主要組分，與其它水硬性膠凝材料相比，具有節能、利廢、環保、快硬、高強等特性[10-12]，本文選取堿礦渣水泥為膠凝體系研究制備堿礦渣泡沫混凝土，通過充分利用其特點來解決泡沫混凝土密度與強度和保溫隔熱性能的矛盾。

2　試　驗

2.1原材料

(1)礦渣：來自重慶鋼鐵集團有限責任公司水淬高爐礦渣，比表面積為452 m2/kg，密度為2.91 g/cm3，堿度系數M0=1.00，活性系數Ma=0.45，質量系數Mk=1.76，化學成分見表1。

表1　礦渣的化學成分

(2)水泥：拉法基公司產強度等級為425的普通硅酸鹽水泥。

(3)堿組分：NaOH，四川省德陽片堿，純度99%；水玻璃(WG)，重慶井口化工廠生產的鈉水玻璃，其主要性能見表2。

表2　水玻璃化學成分和物理性能

注：試驗時通過向水玻璃中摻入NaOH，將其模數調整至1.4。

(4)發泡劑：重慶賽地節能保溫有限公司生產，pH值7.1，比重1.06 kg/L，試驗稀釋倍數1∶30。

(5)早強劑：重慶利全化工有限公司產氯化鈣粉末。

2.2堿礦渣泡沫混凝土的制備

采用堿礦渣水泥為膠凝體系制備泡沫混凝土，使用水玻璃和NaOH為堿組分，堿當量均為7%，水膠比為0.40；采用普通硅酸鹽水泥為膠凝體系制備泡沫混凝土，外摻1%的早強劑，水膠比為0.50。通過壓縮空氣發泡機將設定比例的發泡劑水溶液制成泡沫分別輸入漿體攪拌均勻，攪拌時間為160 s。需要注意的是，堿礦渣泡沫混凝土配合比設計依據固定原材料重量法和固定混合料體積法進行，通過檢測泡沫混凝土的濕密度，控制泡沫混凝土的絕干密度。成型后的試件在室內放置2 d后脫模，并在標準養護條件下養護至試驗齡期。

2.3性能測試方法

試件28 d抗壓強度、絕干密度、導熱系數、干燥收縮的測試，參照如下方法依次進行。

(1)抗壓強度：試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，參照JC/T1062-2007《泡沫混凝土砌塊》進行；

(2)絕干密度：試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，參照JC/T1062-2007《泡沫混凝土砌塊》進行；

(3)導熱系數：每組導熱系數試件由三塊試件組成，1塊試件尺寸為200 mm×200 mm×20 mm薄板和其余2塊試件尺寸均為200 mm×200 mm×60 mm薄板，參照GB/T10294-2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》的規定方法進行；

(4)干縮試驗：試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，參照JGJ70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》進行;

(5)孔結構試驗：使用尼康D800相機(像素3630萬)，直接拍攝泡沫混凝土斷面，然后應用計算機圖像處理軟件(Image-Pro Plus)，測量孔結構參數[13]。

3　結果與討論

3.1堿礦渣泡沫混凝土強度試驗結果

圖1　激發劑對堿礦渣泡沫混凝土28 d抗壓強度影響Fig.1　Effect of alkali-activator on 28 d compressive strength of alkali activated slag foam concrete

圖1給出了激發劑對堿礦渣泡沫混凝土28 d抗壓強度的影響。在同等密度等級條件下，由水玻璃激發的泡沫混凝土(Water glass activated)強度要遠高于NaOH激發的泡沫混凝土(NaOH activated)和普通硅酸鹽水泥基的泡沫混凝土(PC)。這一特點在干密度小于400 kg/m3時尤為明顯，當干密度降至350 kg/m3時，NaOH作為激發劑的泡沫混凝土和普通硅酸鹽水泥基泡沫混凝土抗壓強度分別為0.64 MPa和0.52 MPa，而水玻璃激發的堿礦渣泡沫混凝土則達到了1.22 MPa，分別高出了90%和135%。

由圖1可知，泡沫混凝土的抗壓強度隨干密度的增強呈上升趨勢，但泡沫混凝土抗壓強度與干密度間的關系受到激發劑種類的影響。回歸分析表明，由水玻璃激發的泡沫混凝土和普通硅酸鹽水泥基泡沫混凝土的抗壓強度與干密度成線性關系(相關系數R2分別為0.99和0.98)，且斜率相近；在密度等級相同時，水玻璃激發的堿礦渣泡沫混凝土抗壓強度比普通硅酸鹽水泥基泡沫混凝土高0.8 MPa左右，在干密度較低時，這一提升就顯得十分必要。如，當密度為300 kg/m3時，普通水泥基泡沫混凝土的強度僅為0.26 MPa，密度繼續下降時會出現嚴重蹋模甚至無法成型的狀況，而堿礦渣水泥則能成型更低密度的泡沫混凝土。

當激發劑為NaOH時，泡沫混凝土干密度與抗壓強度則成非線性關系，當干密度低于500 kg/m3時，抗壓強度隨干密度增幅較小，當干密度高于500 kg/m3時，抗壓強度隨干密度的增幅明顯加大。當干密度小于350 kg/m3或高于600 kg/m3時，NaOH激發的泡沫混凝土抗壓強度要高于普通硅酸鹽水泥基泡沫混凝土，而當干密度介于350～600 kg/m3時，普通硅酸鹽水泥基泡沫混凝土的抗壓強度則略高。

泡沫混凝土的強度取決于膠凝材料的組成、發泡劑種類、泡沫混凝土中孔徑尺寸、分布以及孔隙率。本研究使用的發泡劑相同，因此在同一密度下三種混凝土的強度差別主要歸因于膠凝材料組成和孔特性差異。為研究孔徑分布的差異，分別對300 kg/m3、600 kg/m3的試塊斷面進行了拍攝，利用Image Pro Plus軟件分析斷面孔隙結構，其結果見圖2、圖3和表3。

圖2　密度為300 kg/m3的泡沫混凝土斷面圖(a)硅酸鹽水泥PC;(b)NaOH 激發堿礦渣混凝土;(c)水玻璃激發堿礦渣混凝土Fig.2　Cross-section of foam concrete in the density of 300 kg/m3

數據表明，三種混凝土試件具有相似的孔徑分布。其中，密度為300 kg/m3的試件斷面，孔多于600 kg/m3試件的斷面，尺寸較大的孔明顯多于密度為600 kg/m3的試件。以水玻璃組為例，干密度從600 kg/m3降到300 kg/m3時，平均孔徑由232 μm增加到278 μm，平均圓度值由1.96增加到2.02。這主要是由于泡沫混凝土漿體的密度越低，需要引入的泡沫就越多，而這些泡沫會在漿體內部聚集、合并，使氣孔變形，將小孔融合成大孔，因此泡沫混凝土的孔徑和圓度值都呈現增大趨勢[14]。

圖3　密度為600 kg/m3的泡沫混凝土斷面圖(a)硅酸鹽水泥PC;(b)NaOH 激發堿礦渣混凝土;(c)水玻璃激發堿礦渣混凝土Fig.3　Cross-section of foam concrete in the density of 600 kg/m3

編號平均孔徑(μm)平均圓度值氣孔平均面積(μm2)試件孔隙率(%)P3002892.0417656884.7N3002942.0518324985.6S3002782.0215162285.1P6002331.988135465.2N6002392.049709866.4S6002321.967763866.8

注：(1)P、N、S分別代表硅酸鹽水泥、NaOH激發堿礦渣水泥、水玻璃激發堿礦渣水泥；300和600代表設計密度等級；(2)圓度值可用來描述孔與圓的接近程度，能夠表征孔結構的形貌特征。若空隙結構接近于規則的圓，則孔圓度值接近于1。圓度值越接近于1，孔結構就越圓滑，受力均勻、變形小，對抗壓強度越有利；圓度值大于1，孔隙結構不規則，受力不均勻、變形大，對抗壓強度不利。

如表3所示，在干密度相同時，堿組分為水玻璃的泡沫混凝土平均孔徑和圓度值要小于堿組分為NaOH制備的泡沫混凝土或普通硅酸鹽水泥基的泡沫混凝土。這是因為當激發劑為水玻璃時，堿礦渣漿體的硬化速率快、強度發展快[15]，泡沫變形小、融合的幾率低，因而氣泡分別更均勻，不易產生應力集中；當激發劑為NaOH時，漿體強度發展較慢[16]，泡沫變形大，硬化后形成的氣孔變形大，受力不均勻，因而強度下降。另外，當水玻璃為激發劑時，混凝土試件自身含有硅氧根離子，有利于生成強度高的低堿性堿土金屬化合物[17]，進而使得氣孔壁強度增加，提高了泡沫混凝土的強度；而激發劑為NaOH時，由于缺少硅氧根離子不利于高強度水化產物的生成，因而抗壓強度較低[18]。對于普通硅酸鹽水泥基泡沫混凝土，盡管加入了早強劑，其強度發展速度仍然慢于水玻璃激發的堿礦渣泡沫混凝土。因此，普通水泥基泡沫混凝土的強度遠低于堿礦渣泡沫混凝土。

3.2堿礦渣泡沫混凝土干燥收縮試驗結果

圖4為400密度等級的三種泡沫混凝土干燥收縮測試結果。如圖所示，由水玻璃激發的堿礦渣泡沫混凝土的干縮最大，普通硅酸鹽水泥基泡沫混凝土的干縮值相對較小。Collins[19]與Mendes[20]的研究發現堿礦渣漿體干燥所失的水是小孔中的水分，而普通水泥漿體所失的水主要是大孔中的水分，由于小孔中的水分所產生的收縮應力大，因而干縮值大。此外，堿組分對干縮值影響較大。研究表明[21-23]，堿當量相同時，水玻璃激發的漿體水化過程較快，在系統內產生較大收縮應力，且水化早期形成的C-S-H凝膠較多，該凝膠的鈣硅比較低，纖維化程度高，比表面積增大。這些變化都導致水玻璃激發的堿礦渣泡沫混凝土干縮高于NaOH激發的堿礦渣泡沫混凝土。

圖5給出了三種泡沫混凝土的28 d干燥收縮結果。由圖可知，隨著干密度的上升，三者收縮值均表現出下降趨勢。與普通水泥基泡沫混凝土相比，同密度下堿礦渣泡沫混凝土的收縮更大。

圖4　泡沫混凝土干縮隨時間關系(密度等級：400 kg/m3)Fig.4　Relationship between drying shrinkage and curing age of foam concrete(density:400 kg/m3)

圖5　激發劑對堿礦渣泡沫混凝土28 d干縮的影響Fig.5　Effect of alkali-activator on 28 d drying shrinkage of alkali activated slag foam concrete

3.3堿礦渣泡沫混凝土導熱系數試驗結果

圖6　泡沫混凝土干密度與導熱系數關系Fig.6　Relationship between density and thermal conductivity

研究結果表明，在密度較低(<400 kg/m3)時，由水玻璃激發的堿礦渣泡沫混凝土，其強度明顯高于由NaOH激發的堿礦渣泡沫混凝土，但是兩者干縮值相差不大，因此，本研究僅對水玻璃激發的堿礦渣泡沫混凝土和普通水泥基泡沫混凝土的導熱系數進行比較。圖6給出了泡沫混凝土密度與導熱系數之間關系。數據表明，在相同密度下，堿礦渣泡沫混凝土與普通水泥基泡沫混凝土的導熱系數相近，均滿足JG/T266-2011對于相應密度等級保溫隔熱性能的要求[24]。此外，兩者導熱系數隨著干密度的下降呈指數降低趨勢，學者朱明等[25]與李翔宇等[26]在研究泡沫混凝土導熱性能時也得到相似結論。泡沫混凝土作為一種多相、復合的無機非金屬材料，其導熱系數主要跟基體材料的組成和性質、孔的尺寸和形狀、連通性、孔隙率以及內部缺陷等因素有關，其中孔隙率是影響導熱系數的主導因素[27,28]。同一密度下，兩種泡沫混凝土有著極為接近的孔隙率與孔徑分布(如表3所示)，因此二者的導熱系數相差不大。

4　結　論

本研究使用堿礦渣水泥，采用壓縮空氣發泡制備出密度250～600 kg/m3，導熱系數在0.070～0.139 W/(m·K)、抗壓強度0.6～3.5 MPa的泡沫混凝土。與普通水泥相比，水玻璃激發的堿礦渣水泥制備出的泡沫混凝土具有和普通水泥基泡沫混凝土有著相近的導熱系數，但其抗壓強度更高，這一特性在低密度時尤為明顯，因而使用堿礦渣水泥有利于制備出密度小于300 kg/m3的泡沫混凝土。

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Fundamental Characteristics of Alkali Activated Slag Cement Foam Concrete

YANG Chang-hui,WANG Lei,TIAN Yi,YANG Kai,JIANG Xing

(College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)

With compressed air foaming process,alkali activated slag cement was used to prepare a novel type of foam concrete. The foam concrete with density varying from 250 kg/m3to 600 kg/m3was successfully manufactured. The corresponding compressive strength at the age of 28 d was 0.6 MPa and 3.5 MPa,while the thermal conductivity varied from 0.070 W/(m·K) to 0.139 W/(m·K). In comparison to Portland cement foam concrete,alkali activated slag foam concrete presented a similar thermal conductivity and a higher compressive strength.

alkali activated slag cement;foam concrete;dry density;compressive strength;thermal conductivity

重慶市建委，堿礦渣泡沫混凝土制備與性能研究(城科字2012第6-6號)

楊長輝(1965-)，男，博士，教授，博導.主要從事新型建材方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0555-06