堿激發高強泡沫輕質土的制備研究

王 丹，儲昭勝，羅 楓，姜峰林，黃紹龍

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420; 2.湖北交投智能檢測股份有限公司，武漢 430051;3.廣東首城建設科技有限公司，廣州511400;4.湖北大學材料科學與工程學院，武漢430062)

該文將堿激發粉煤灰和礦渣作為膠凝材料，開發出一種節能、減排、利廢、高強、輕質的新型保溫隔熱材料，對建設能源節約型、環境友好型社會具有極其重要的意義。通過研究粉煤灰摻量、水膠比、激發劑摻量對泡沫輕質土性能的影響，得到堿激發高強泡沫輕質土的配合比。

1 實 驗

1.1 原材料

1)堿激發膠凝材料：粉煤灰(FA)、礦渣(SL)：其中FA為Ⅰ級，密度 2 800 kg/m3；SL為S95級，密度2 840 kg/m3，主要成分見表1。

表1 堿激發膠凝材料主要成分 /%

2)發泡劑：自制堿激發泡沫輕質土專用泡沫劑。

3)減水劑：聚羧酸鹽減水劑。

4)堿激發劑：氫氧化鈉與水玻璃復合體系，模數為1.5。

1.2 方法

1)制備過程 首先制備堿激發粉煤灰和礦渣混合漿體，然后加入泡沫制備泡沫漿體、澆筑成型，1 d后脫模并進行標準養護，最后對抗壓抗折強度、導熱系數進行測定。具體制備流程圖見圖1。

德國政府關于提高德國人退休年齡的規定于2007年推出，明確表示了德國人退休年齡改革將緩慢地逐步由65周歲上調至67周歲，預計從2012年開始至2029結束，歷時17年。德國政府規劃將提升的2周歲退休年齡按照月份計數，共計24個月，前12個月將在2012年至2024年完成提升，剩余時間則解決剩下的12個月。德國針對不同出生年份的工作者也采取了分層次退休并領取養老金的政策[3]。

2)性能測試 參考標準 GB/T8077—2012《混凝土外加劑均質性實驗方法》中水泥凈漿流動度方法測定堿激發泡沫混凝土漿體的流動性。抗壓、抗折強度是參照標準 JG/T266—2011《泡沫混凝土》進行測試，模具尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，澆模后無需振動，保鮮膜密封；導熱系數實驗參照標準GB/T10294 的規定進行測試，試塊尺寸為 40 mm×40 mm×40 mm，在進行測試前應將試塊進行干燥處理。抗凍耐久性：試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，將試樣放入電熱鼓風干燥箱內，溫度設定(60±5)℃，保溫24 h，再(80±5)℃溫度下保溫24 h，最后在(105±5)℃溫度下烘干至恒重。烘干后試樣進行稱取質量，然后放入(20±5)℃恒溫水中，水面高出試樣大約30 mm，持續48 h。取出試樣后，抹去表面水分，放入凍融試驗臺。凍融試驗臺設定為(-20±2)℃凍6 h，然后放入(20±5)℃溫水融化5 h，此為1次凍融循環，設定循環次數15次，用質量損失率和抗壓強度損失率評價抗凍耐久性[7]。

1.3 實驗配比

設計濕容重為600 kg/m3。通過計算，其膠凝材料合計420 kg/m3，探究膠凝材料中粉煤灰與礦渣的比例、水膠比、激發劑摻量對堿激發泡沫混凝土的性能影響，其實驗配合比見表2。

2 結果與分析

2.1 粉煤灰摻量對堿激發泡沫混凝土性能的影響

配合比(1)～(3)區別在于膠凝材料中，粉煤灰和礦渣的摻量比例不同，這三種配比的泡沫混凝土性能如表3所示。

2.1.1 粉煤灰摻量對流動性的影響

從表3可以看出，混合膠凝材料中，隨著粉煤灰摻量提高，一開始變化不大，超過50%以后，流動性變差。這是因為制備堿激發泡沫混凝土時，漿體在攪拌及凝結過程中，由于堿性溶液對粉煤灰、礦渣顆粒的激發活性使得其顆粒表面電荷不平衡，在分子間作用力及熱運動的作用下使反應過程中產生一些非穩定性的可包裹水分的絮凝狀結構，其降低了新拌漿體的流動性[8]。因為礦渣顆粒表面“各向不同性”，所以在攪拌過程中傾向于某一個方向排列可減小漿體的粘度，提高流動性；粉煤灰顆粒表面具有“各向同性”及吸附作用等所構成的絮凝結構難以被破壞，隨著粉煤灰摻量的繼續增大，體系的流動性降低。

2.1.2 粉煤灰摻量對強度的影響

不同粉煤灰摻量下的堿激發泡沫混凝土7 d抗折、抗壓強度如圖2所示。從圖2可以發現，隨著粉煤灰摻量提高，抗折強度變化不大，在0.5MPa左右，但抗壓強度逐漸降低，礦渣的活性要比粉煤灰高并且礦渣里含有更多的鈣，在堿性條件下能迅速與體系中硅酸鈉發生反應，生成水化硅酸鈣類凝膠(C-A-S-H)為體系提供強度[9]。礦渣不但可以促進鈣產品的形成，而且能加速粉煤灰的反應進程。因此，在常溫條件下，堿激發泡沫混凝土中粉煤灰摻量越低，強度越高。當粉煤灰摻量在30%，礦渣摻量為70%時，7 d抗壓、抗折強度分別為3.95 MPa和0.49 MPa。

2.1.3 粉煤灰摻量對熱導率的影響

不同粉煤灰摻量下的堿激發泡沫混凝土熱導率如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增大，熱導率逐漸增大。粉煤灰摻量增加時，堿激發泡沫混凝土的抗壓強度降低，體系的支撐能力逐漸下降，泡沫在樣品中的分布不均勻，堿激發泡沫混凝土的熱導率增大。粉煤灰占比在30%時，熱導率為0.13 W/(m·K)。

綜合考慮堿激發膠凝材料中粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響，實驗得出，粉煤灰最佳摻量為30%。

2.2 水膠比對堿激發泡沫混凝土性能的影響

配合比(1)、(4)、(5)區別在于水膠比不同，這三種配比的下的泡沫混凝土性能如表4所示。

2.2.1 水膠比對流動性的影響

從表4中可以看出，隨著水膠比的增大，泡沫混凝土漿體的流動性逐漸增大。水膠比對流動性的影響較大，流動性小，漿體粘度大施工難度大并且容易出現泡沫破裂現象；流動性太大，泡沫與漿體的粘結力不足，容易出現浮漿現象，所以水膠比需要在一個適宜的范圍。

表4 不同水膠比下的堿激發泡沫混凝土性能

2.2.2 水膠比對強度的影響

不同水膠比下的堿激發泡沫混凝土7 d抗折、抗壓強度如圖4所示。從圖4發現，隨著水膠比增大，堿激發泡沫混凝土的抗壓強度和抗折強度都呈現增大先升高后降低的趨勢，水膠比為0.45時，抗壓、抗折強度分別為4.37 MPa、0.5 MPa。隨著水灰比的增大，漿體流動性變大，泡沫在漿體中所受阻力減小，更容易分散均勻形成封閉圓滑的孔結構，使堿激發泡沫混凝土抵抗荷載的能力增強，抗壓強度和抗折強度提高。水灰比超過 0.45 后，過多的水分使漿體的稠度降低，連通孔的數量增加，導致泡沫混凝土強度有所下降。

2.2.3 水膠比對熱導率的影響

不同水膠比下的堿激發泡沫混凝土熱導率如圖5所示。水膠比增大時，氣泡孔受到的阻力減小，更容易形成封閉的圓滑氣孔導致孔隙率變大，繼而連通孔增多，大孔含量增多，導致熱導率增大。水膠比為0.45時，熱導率為0.14 W/(m·K)。

綜合考慮水膠比對堿激發泡沫混凝土的影響，水膠比為0.45時，性能最佳。

2.3 激發劑(水玻璃)摻量對堿激發泡沫混凝土性能的影響

制備堿激發泡沫混凝土的過程中使用硅酸鈉、氫氧化鈉等堿性激發劑，激發粉煤灰和礦渣的活性，提高強度，同時可以提升漿體的粘度，能夠更好地將氣泡束縛在漿體內部，形成大量密閉均勻的氣孔，使泡沫混凝土具有良好的保溫隔熱性能。 該文激發劑采用水玻璃，模數為1.5，配合比(4)、(6)、(7)、(8)、(9)主要區別在于激發劑摻量不同，其混凝土性能見表5。

表5 不同激發劑摻量下的堿激發泡沫混凝土性能

從表5可以看出，配合比(6)因為沒有添加堿激發劑，粉煤灰和礦粉的活性在攪拌成型過程中沒有發生化學反應或者很低，導致流動性差，所以不成型試件。隨著激發劑水玻璃(Na2O)摻量從2%～3.5%提升時，流動性變化不大。7 d抗壓抗折、熱導率變化趨勢分別見圖6、圖7。

從圖6中可以看出，隨著激發劑摻量提高，抗壓、抗折強度均呈現先上升后下降趨勢，激發劑摻量在3%時，抗壓、抗折強度分別為4.37、0.5 MPa。這是因為一開始隨著堿性激發劑(Na2O)摻量提高，礦渣/粉煤灰反應產物的聚合度逐漸增大，硬化后的結構密實，強度得以提高。但Na2O 超量后，Na+在原材料的表面發生鈍化反應，阻礙后期形成致密網絡結構，同時，過量堿環境與空氣中的 CO2發生反應生成碳酸鹽，這將增大內部結構的不均勻性及缺陷度，導致試件強度降低。從圖7可以發現，隨著Na2O摻量提高，熱導率一開始變化不大，隨后呈上升趨勢，摻量3%時，熱導率為0.14 W/(m·K)。綜合分析，激發劑的最佳摻量為3%。

2.4 抗凍耐久性驗證

2.1～2.3節探討了不同因素對堿激發泡沫輕質土的性能影響，最終確定最佳配合比為(4)，本小節以此配合比制備試件，測試抗凍耐久性，其結果如表6所示。

表6 抗凍性能測試結果

由表6可知，堿激發泡沫混凝土經過抗凍性檢測，質量平均損失率為2.1%，小于3%；抗壓強度損失率為2.4%，小于4%，具有良好的抗凍能力。水玻璃作為激發劑可以提高粉煤灰和礦渣的活性，提升水化進度，提高抗壓強度和抗凍性能。

3 結 論

a.隨著粉煤灰摻量提高，流動性后期會變差，強度逐漸降低，熱導率逐漸增大，綜合考慮，粉煤灰最佳摻量為30%。

b.隨著水膠比增大，流動性逐漸變大，強度呈現先增加后降低趨勢，熱導率逐漸增大。綜合考慮，水膠比選擇0.45。

c.激發劑摻量增大，流動性變化不大，強度呈現先增加后降低趨勢，熱導率逐漸增大。綜合考慮，激發劑最佳摻量為3%。

d.堿激發高強泡沫輕質土的最佳配比：復合膠凝材料中粉煤灰和礦渣占比為30%和70%、水膠比選擇0.45、激發劑摻量是3%；此時的泡沫輕質土抗壓、抗折強度分別為4.37 MPa、0.5 MPa，熱導率為0.14 W/(m·K)，強度高，保溫效果好，并具有良好的抗凍融能力。