分級粉煤灰對地質聚合物發泡材料性能的影響

王 霞，卓錦德，季宏偉，董 陽，李 俏，王 珂

(北京低碳清潔能源研究所，北京 102211)

0 引 言

當今國內外使用的墻體保溫材料主要分為傳統的無機保溫材料(巖棉、玻璃棉等)和有機合成保溫材料(聚氨酯、聚苯乙烯)。生產加工的復雜程度、能源消耗、價格、長期穩定性等方面限制了傳統無機保溫材料的廣泛使用;與無機保溫材料相比，有機合成保溫材料的保溫效果優異，如聚苯板和聚氨酯泡沫等材料占據了中國的墻體保溫材料體系的較大份額，但其火災隱患和接連的重大事故造成了人身傷亡和經濟損失。因此現代建筑要求研發更加安全節能、綠色環保、施工方便、經濟可行的新型墻體自保溫材料[1]。

地質聚合物(簡稱“地聚物”)作為一種新型膠凝材料，與普通水泥相比，具有更好的耐酸、耐堿、耐高溫性能和更高的抗壓強度，低導熱性，且制備成本低，所以可以制備性能優越、價格低廉的保溫材料。目前以偏高嶺土、礦渣或與粉煤灰復摻為原料制備地聚物材料的報道較多，而采用100%粉煤灰作為原料制備地聚物的研究較少，粉煤灰基泡沫礦物聚合物具有節能、環保、利廢、降低建筑成本等優點。以粉煤灰為原料，利用堿性激發劑對其進行激發，并通過化學或物理方法發泡，可制備不同容重的發泡地聚物，既可節約成本，又可制備強度高、密度可控的無機多孔材料[2-4]。原材料配方影響粉煤灰基地聚物發泡材料性能的因素包括:① 粉煤灰粒徑分布、化學組分及礦物相;② 水玻璃模數、固含量和固液比;③ 發泡劑種類與用量;④ 其他外加劑。制備工藝影響粉煤灰基地聚物發泡材料性能的因素[5-9]包括:① 樣品制備方式;② 養護條件。由于每個電廠粉煤灰的粒徑分布差異大，需要了解在相同的制備工藝和配方下，不同粒徑分布的粉煤灰對地聚物發泡材料性能的影響。本文采用分選出的不同粒徑分級粉煤灰及其復配與原粉煤灰進行對比，制備地聚物發泡材料，討論不同粒徑分布對地聚物發泡材料性能的影響，用于取代高耗能的傳統工藝生產的蒸壓加氣混凝土砌塊及保溫材料。

1 試 驗

1.1 原材料

試驗所用粉煤灰來自神華集團下屬某電廠;30%雙氧水，分析純，國藥集團化學試劑有限公司;水玻璃，模數1.6，固含量37%，由工業液體硅酸鈉(模數2.4，固含量46%)與分析純NaOH試劑和水調制而成，北京紅星廣夏化工有限公司;NaOH，分析純>96%，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 原材料性能表征

電廠粉煤灰的主要化學成分見表1。可以看出，其平均粒徑為31.6 μm，而由北京低碳清潔能源研究所(簡稱“低碳所”)專利分選技術分選出2種分級灰(FA-1和FA-2)的平均粒徑分別為29、2.8 μm。因此，分級灰的化學成分與原灰相似。

表1 電廠粉煤灰主要化學成分分析Table 1 Main chemical composition analysis of fly ash %

1.3 試驗設備

試驗所用試驗設備包括:攪拌機，無錫建儀儀器機械有限公司;保溫材料強度測試儀，天津英貝爾科技發展有限公司;水泥混凝土標準養護箱，無錫建儀儀器機械有限公司。

粉煤灰性能測試(化學成分、微觀形貌、礦物相)所用分析儀器主要包括:Nova Nano SEM 450掃描電子顯微鏡，美國FEI;Scanner Micro CT(SkyScan 1272)，BRUKER;Mastersizer 2000激光粒度分析儀，英國Malvern。

1.4 地聚物發泡的制作流程

采用化學發泡法制備泡沫地聚物，制備步驟[10-13]為:① 原料的預混合。將粉煤灰、外加劑等混合均勻，得到混合料。② 料漿的制備。將混合料加入到攪拌鍋中，低速攪拌30 s;加入適量水玻璃，高速攪拌3 min制得均勻料漿，料漿的黏度為12 000～20 000 mPa·s。③ 發泡劑與料漿的拌合。取一定量的雙氧水，低速攪拌狀態下，緩慢加入至均勻料漿中，然后高速攪拌30 s制得發泡料漿。④ 注模成型和靜停發泡。將料漿倒入模具，靜停發泡，約15 min發泡完成，放置實驗室中養護24 h后脫模。

1.5 樣品的養護及烘干

樣品成型脫模后，放入烘箱，在50 ℃養護5 d，然后放入常溫養護箱，到相應的齡期后，烘干24 h達到恒重。

1.6 性能測試

依據GB/T 10295—2008，使用EKO-HC-074-200導熱測試儀，采用穩態法測定導熱系數;依據 GB/T 11971—1997測試抗壓強度;依據 GB/T 11970—1997測試干密度。

1.7 測試標準

依據GB 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》進行測試，標準中規定的性能見表2。

2 試驗結果與討論

2.1 原灰對地聚物發泡材料的性能影響

以100% 原灰、一定量水玻璃、不同發泡劑用量制備不同等級密度地聚物發泡材料，測試其干密度及抗壓強度，結果見表3。

表2 蒸壓加氣混凝土砌塊性能要求Table 2 Performance requirements for autoclavedaerated concrete blocks

表3 原灰制備的不同等級密度地聚物發泡材料性能(28 d)Table 3 Properties of geopolymer foam materialsprepared by raw ash(28 d)

從表3可以看出，通過控制發泡劑用量，采用100%原灰制備不同等級密度的粉煤灰基地聚物發泡材料，樣品的28 d抗壓強度值均低于GB 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標準中不同等級密度板規定值(B06抗壓強度平均值≥3.5 MPa;B05抗壓強度平均值≥2.5 MPa;B04抗壓強度平均值≥2.0 MPa;B03抗壓強度平均值≥1.0 MPa)。這是因為煤的來源、煤粉粉磨后顆粒粗細、燃燒爐類型及燃燒溫度等因素的影響，導致煤粉在燃燒過程中生成的粉煤灰粒徑大小不均，粒徑分布范圍較寬，性能不穩定;堿激發時，火山灰效應不能充分發揮，從而使得28 d抗壓強度值較低。

2.2 分級粉煤灰對地聚物發泡材料的性能影響

低碳所自主開發的顆粒分選專利技術，分離出4種分級灰中的2種分級灰(FA-1和FA-2)。雖然FA-1與原灰的平均粒徑接近，但其粒徑范圍較窄，品質穩定，FA-2的平均粒徑比原灰小，在相同的堿激發條件下，2者的活性比原灰高。在相同的發泡劑用量(0.85%)下，本文研究了分級灰及復配對地聚物發泡材料的密度與28 d抗壓強度的影響，并與原灰進行了對比，結果見表4。

表4 原灰、分級灰及其復配對地聚物發泡材料性能影響(28 d)Table 4 Influence of raw ash,grade ash and itscomposite on the properties of geopolymer foammaterials(28 d)

從表4可知，FA-1和FA-2的強度都比原灰高，但FA-1與原灰一樣都無法滿足標準B04的強度要求，但FA-2可以。以FA-2部分取代FA-1，可提高地聚物發泡材料的抗壓強度。采用0.85%發泡劑，當FA-2取代FA-1的量為30%時，干密度值滿足B04等級合格品的要求(≤425 kg/m3)，但28 d抗壓強度值仍然無法滿足B04強度等級要求。相同發泡劑用量條件下，當FA-2取代FA-1的量≥50%時，干密度和28 d抗壓強度值均滿足B04強度等級優等品的要求(干密度≤400 kg/m3，抗壓強度單值≥1.5 MPa，平均≥2.0 MPa)，隨著超細灰添加量繼續增加，性能差別不大。因此，在使用0.85%發泡劑時，滿足B04優等品密度與強度要求的FA-2與FA-1最小配比為1∶1。

2.3 不同等級發泡材料的制備

以50%FA-1+50%FA-2為原料，加入一定量水玻璃、不同發泡劑用量可制備不同等級密度的發泡材料，均滿足GB 11968—2006，結果見表5。

由表5可知，采用FA-1與FA-2分級灰，在1∶1的配比下，成功制備了密度可控的B03、B04、B05和B06等級的發泡材料，產品干密度和抗壓強度均滿足GB 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》合格品或優等品的標準要求，為制備粉煤灰基地聚物發泡材料取代高耗能傳統工藝生產的蒸壓加氣混凝土砌塊及其保溫材料提供高強度原材料的途徑。

2.4 粉煤灰基地聚物發泡材料的微觀分析

以分級灰制備的粉煤灰基地聚物發泡材料，其干密度、強度與導熱系數見表6。

表5 不同粒徑分級灰與發泡劑用量對地聚物發泡性能影響對比(28 d)Table 5 Influence of different particle size separated fly ash and dosage of foaming agent on geopolymerfoam materials(28 d)

表6 分級灰制備地聚物發泡材料性能對比(28 d)Table 6 Comparison of performance on geopolymer foam materials prepared by separated fly ash(28 d)

圖1 粉煤灰基地聚物發泡材料(0.85%發泡劑)SEM和等效孔徑分布Fig.1 Scanning electron micrograph and the equivalent pore size distribution of fly ash based geopolymer foam materials with 0.85% foaming agent

圖2 粉煤灰基地聚物發泡材料(0.65%H2O2)SEM和等效孔徑分布Fig.2 Scanning electron micrograph and the equivalent pore size distribution of fly ash based geopolymer foam materials with 0.65% foaming agent

取不同發泡程度的發泡材料(0.85%與0.65%發泡劑)，利用掃描電鏡，對粉煤灰基地聚物發泡材料進行微觀分析，觀察其孔徑分布及大小;采用Micro CT對粉煤灰基地聚物發泡材料進行孔隙率、開孔率及閉孔率分析，結果如圖1、2、表7所示。

從圖1可以得出，粉煤灰基地聚物發泡材料(0.85%發泡劑)孔徑分布均勻，平均孔徑為491.50 μm，孔徑較大，孔的數量相對較少，孔壁較厚;采用Micro CT測試得其閉孔率為0.98%，開孔率為72.25%，總孔隙率為73.23%。

從圖2可以得出，粉煤灰基地聚物發泡材料(0.65%發泡劑)孔徑分布均勻，平均孔徑為404.45 μm，孔的數量明顯增加;其閉孔率為0.69%，開孔率為67.37%，總孔隙率為68.06%。

表7 FA-1與FA-2配比1∶1下的不同發泡劑用量的發泡材料干密度與孔隙數據對比Table 7 Comparison of dry density and void data ofgeopolymer foam materials with different dosageof foaming agent in FA-1 and FA-2 with ratio 1∶1

Micro CT測試數據顯示，粉煤灰基地聚物發泡材料，隨著發泡劑用量的提高，總孔隙率增大，孔徑變大，孔隙主要以開孔為主;其導熱系數均滿足標準要求，是非常好的保溫材料。

3 結 論

1)原灰的粒徑分布范圍較寬，在堿激發時，火山灰效應不能充分發揮，從而使得28 d抗壓強度值較低，無法滿足要求。

2)分級灰FA-2或FA-1制備的地聚物發泡材料的抗壓強度比原灰高，而其復配的強度隨FA-2取代FA-1量的增加而增加。

3)采用分級灰FA-1與FA-2復配，成功制備了密度可控的B03、B04、B05和B06等級發泡材料，其復配比率不小于1∶1才能滿足強度的要求。

4)在相同條件下，發泡劑用量越多，粉煤灰基地聚物發泡材料的干密度越低;Micro CT孔徑數據表明，粉煤灰基發泡材料的平均孔徑越大，總孔隙率、開孔率與閉孔率越高，且以開孔為主，導熱系數均比較低，是非常好的保溫材料。