玻璃粉-礦渣地聚合物基泡沫混凝土研究

汪海風(fēng)，劉杰，盧建磊，林州，盛建松，楊輝，2

（1.浙江大學(xué)浙江加州國(guó)際納米技術(shù)研究院，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

玻璃粉-礦渣地聚合物基泡沫混凝土研究

汪海風(fēng)1，劉杰1，盧建磊1，林州1，盛建松1，楊輝1，2

（1.浙江大學(xué)浙江加州國(guó)際納米技術(shù)研究院，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

以H2O2為發(fā)泡劑，以玻璃粉、礦渣、堿激發(fā)劑等為原料制備地聚合物基泡沫混凝土?？疾靿A激發(fā)劑模數(shù)、玻璃粉/礦渣質(zhì)量比、堿激發(fā)劑用量、H2O2用量等因素對(duì)泡沫混凝土干密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)等性能影響。結(jié)果表明：當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1.2，玻璃粉/礦渣質(zhì)量比為10%，堿激發(fā)劑用量為15%，H2O2用量為5%時(shí)，泡沫混凝土的綜合性能最佳，干密度為409.3 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為1.64 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.088 W/（m·K）。

地聚合物；泡沫混凝土；玻璃粉；礦渣

0 引言

地聚合物是以硅鋁質(zhì)材料為原料，在堿激發(fā)劑作用下，常溫或低于150℃下合成的一種新型膠凝材料，具有原料來(lái)源廣、工藝簡(jiǎn)單、能耗少、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前，以地聚合物為膠凝材料，開(kāi)發(fā)輕質(zhì)保溫材料的研究越來(lái)越多。如Huiskes D M A等[3]在粉煤灰-礦渣基地聚合物中摻加多孔膨脹玻璃為輕質(zhì)骨料。Posi P等[4]在粉煤灰基地聚合物中摻加回收輕質(zhì)骨料。Kupaei R H等[5]在粉煤灰基地聚合中摻加油椰子殼。Wu和Sun[6]通過(guò)在粉煤灰-偏高嶺土基地聚合物中添加煤胞和EPS，開(kāi)發(fā)出地聚合物基輕質(zhì)保溫材料。另外，除了在地聚合物中摻加輕質(zhì)骨料，Hlavácek P[7]和Sanjayan J G[8]等在粉煤灰基地聚合物中添加鋁粉，通過(guò)鋁粉發(fā)泡，開(kāi)發(fā)出輕質(zhì)保溫材料。而Liu Z等[9]在粉煤灰基地聚合物中添加H2O2，通過(guò)其發(fā)泡，也開(kāi)發(fā)出輕質(zhì)保溫材料。在地聚合物中摻加輕質(zhì)骨料，工藝簡(jiǎn)單，保溫材料抗壓強(qiáng)度較高，但導(dǎo)熱系數(shù)和干密度也偏高[3-6]，不能完全滿(mǎn)足在現(xiàn)代節(jié)能建筑中應(yīng)用[10]。而在地聚合物中添加鋁粉、H2O2化學(xué)發(fā)泡劑，能制備低干密度、低導(dǎo)熱系數(shù)的保溫材料，但地聚物主要原料為粉煤灰，其存在污染大，產(chǎn)地分布不均等弊端[7-9]。

《中國(guó)建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2014年度）》指出，在今后10年，我國(guó)平均每年將產(chǎn)生15億t以上建筑垃圾。建筑垃圾侵占土地資源，污染土壤、大氣和水源，影響城市美觀，對(duì)建筑垃圾進(jìn)行綜合利用日益迫切[11-13]。建筑垃圾包括廢棄紅磚、混凝土塊、陶瓷塊、廢棄玻璃等。其中玻璃為無(wú)定型相，成分以SiO2為主，在堿作用下能參與生成地聚合物。因此，本文以廢棄玻璃為原料，復(fù)配礦渣制備地聚合物膠凝材料，并通過(guò)H2O2發(fā)泡和蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝，開(kāi)發(fā)新型地聚合物基泡沫混凝土保溫材料。

1 原材料及方法

1.1 原材料

玻璃粉：由廢棄玻璃先后經(jīng)顎式破碎和球磨所得，0.08 mm方孔篩篩余小于3%，化學(xué)成分見(jiàn)表1。礦渣：S95級(jí)，浙江合力新型建材有限公司，化學(xué)成分見(jiàn)表1。堿激發(fā)劑：由硅酸鈉（工業(yè)級(jí)，模數(shù)m=3.3，桐鄉(xiāng)市向陽(yáng)刨花堿廠）和NaOH（工業(yè)級(jí)，購(gòu)自南京米兆化工有限公司）溶于水配制，固含量為35%，模數(shù)分別為1.2、1.8和2.5。雙氧水：30%，工業(yè)級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)。硬脂酸鈣：工業(yè)級(jí)，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。

表1 玻璃粉及礦渣的化學(xué)成分%

1.2 地聚合物基泡沫混凝土的制備

①往混合機(jī)中加入玻璃粉、礦渣、硬脂酸鈣等固體粉料，高速攪拌20 min，得均勻粉體；②往混凝土攪拌機(jī)中加入堿激發(fā)劑和水，攪拌5 min后，加入步驟①得到的混合粉體，高速攪拌5 min，加入雙氧水，繼續(xù)攪拌20 s，得混合漿體；③將混合漿體注入模具中，靜置成型，模具表面覆上遮蓋物，防止水分揮發(fā)太快，導(dǎo)致材料開(kāi)裂，24 h后脫模，進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)（溫度150℃，壓力0.5 MPa，時(shí)間5 h）。

1.3 地聚合物泡沫混凝土的性能測(cè)試方法

泡沫混凝土干密度按GB/T 11970—1997《加氣混凝土體積密度含水率和吸水率試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試；抗壓強(qiáng)度按GB/T 11971—1997《加氣混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試；導(dǎo)熱系數(shù)按GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿激發(fā)劑模數(shù)對(duì)泡沫混凝土性能的影響

實(shí)驗(yàn)中堿激發(fā)劑模數(shù)分別為1.2、1.8和2.5。發(fā)現(xiàn)當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1.8時(shí)，混凝土在發(fā)泡過(guò)程中容易隆起，導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)空腔，而當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為2.5時(shí)，泡沫混凝土一直不硬化，導(dǎo)致不能脫模，不能進(jìn)行下一步操作。當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1.2時(shí)，能穩(wěn)定制備出地聚物基泡沫混凝土，因此實(shí)驗(yàn)中堿激發(fā)劑模數(shù)優(yōu)選為1.2。

2.2 玻璃粉/礦渣質(zhì)量比對(duì)泡沫混凝土性能的影響

固定堿激發(fā)劑用量為15%（堿激發(fā)劑中固體質(zhì)量與玻璃細(xì)粉和礦渣質(zhì)量的和之比，下同），H2O2用量為5%（與玻璃細(xì)粉和礦渣質(zhì)量和之比，下同），考察玻璃粉/礦渣質(zhì)量比對(duì)泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 玻璃粉/礦渣質(zhì)量比對(duì)泡沫混凝土漿體膨脹倍數(shù)和干密度的影響

圖2 玻璃粉/礦渣質(zhì)量比對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖1可見(jiàn)，隨玻璃粉/礦渣質(zhì)量比增大，泡沫混凝土漿體的膨脹倍數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，從未摻玻璃粉時(shí)的5.0倍降到15%時(shí)的3.1倍；而當(dāng)玻璃粉/礦渣質(zhì)量比為20%，漿體膨脹倍數(shù)有所回升，為4.0倍。泡沫混凝土漿體膨脹倍數(shù)與粉體密度和漿料黏度有關(guān)，玻璃粉密度比礦渣大，增加其用量，氣泡上升阻力增加，漿體膨脹倍數(shù)降低，但玻璃粉加入能降低漿體黏度，又有利于氣泡膨脹，因此，當(dāng)其用量為20%時(shí)，漿體膨脹倍數(shù)又有所回升。泡沫混凝土干密度變化規(guī)律與漿體膨脹倍數(shù)相對(duì)應(yīng)，即當(dāng)玻璃粉/礦渣質(zhì)量比從0增加到15%時(shí)，泡沫混凝土的干密度增大，而當(dāng)玻璃粉/礦渣質(zhì)量比為20%時(shí)，由于漿體膨脹倍數(shù)的回升，泡沫混凝土干密度又稍有下降。

由圖2可見(jiàn)，隨玻璃粉/礦渣質(zhì)量比的增大，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度先逐漸增強(qiáng)后又開(kāi)始下降，當(dāng)玻璃粉/礦渣質(zhì)量比為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，為1.64 MPa，較未摻加玻璃粉泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度提高30%。玻璃粉為無(wú)定型相，易在堿激發(fā)劑作用下發(fā)生溶解、聚合，生成地聚合物膠凝材料，提高混凝土強(qiáng)度。但隨著玻璃粉用量不斷增加，由于其不能完全參與反應(yīng)，剩余物只能起到一般填充物作用，又導(dǎo)致泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)生下降。隨玻璃粉/礦渣質(zhì)量比的增加，泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)也呈先增大后降低，當(dāng)玻璃粉/礦渣質(zhì)量比為15%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)最大。

2.3 堿激發(fā)劑用量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

固定玻璃粉/礦渣質(zhì)量比為10%，H2O2用量為5%，考察堿激發(fā)劑用量對(duì)泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 堿激發(fā)劑用量對(duì)泡沫混凝土漿體膨脹倍數(shù)及干密度的影響

圖4 堿激發(fā)劑用量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖3、圖4可見(jiàn)，隨堿激發(fā)劑用量增加，泡沫混凝土漿體膨脹倍數(shù)逐漸增大，干密度、導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，而抗壓強(qiáng)度先升高后降低。H2O2在堿性環(huán)境中發(fā)生反應(yīng)，生成O2和H2O，O2使地聚合物漿體發(fā)生膨脹，并形成氣孔結(jié)構(gòu)[14]。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)堿激發(fā)劑用量增多時(shí)，H2O2分解速率加快，產(chǎn)生的氣體使?jié){體很快膨脹起來(lái)，并且由于地聚合物漿體硬化快[15]，不發(fā)生塌模，所以氣孔結(jié)構(gòu)能被保留下來(lái)，使得泡沫混凝土的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。另外，隨堿激發(fā)劑用量增加，產(chǎn)生膠凝材料量增多，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度提高，但后期由于隨泡沫混凝土膨脹倍數(shù)增大，體系中氣孔結(jié)構(gòu)增多，又使得混凝土的抗壓強(qiáng)度下降。

2.4 H2O2用量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

實(shí)驗(yàn)固定堿激發(fā)劑模數(shù)為1.2、用量為15%，玻璃粉/礦渣質(zhì)量比為10%，考察H2O2用量對(duì)泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 H2O2用量對(duì)泡沫混凝土漿體膨脹倍數(shù)及干密度的影響

圖6 H2O2用量對(duì)泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5、圖6可知，當(dāng)H2O2用量從3%增加到5%時(shí)，泡沫混凝土漿體膨脹倍數(shù)增幅較快，但繼續(xù)增加H2O2用量，漿體膨脹倍數(shù)變化不大；而當(dāng)H2O2用量為9%時(shí)，由于氣泡產(chǎn)生速率快、量多，導(dǎo)致漿體發(fā)生塌模，膨脹倍數(shù)反而降低。泡沫混凝土的干密度、導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與漿體的膨脹倍數(shù)變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，即隨著H2O2用量的增加，泡沫混凝土的干密度、導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強(qiáng)度呈先降低后增加。

當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1.2、用量為15%，玻璃粉/礦渣質(zhì)量比為10%，H2O2用量為5%時(shí)，泡沫混凝土的綜合性能最佳，干密度為409.3 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為1.64 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.088 W/（m·K）。

3 結(jié)語(yǔ)

以廢棄玻璃粉為原料，復(fù)配礦渣制備地聚物材料，并通過(guò)H2O2發(fā)泡和蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝，開(kāi)發(fā)地聚合物基泡沫混凝土?？疾靿A激發(fā)劑模數(shù)、玻璃粉/礦渣質(zhì)量比、堿激發(fā)劑用量和H2O2用量等因素對(duì)泡沫混凝土干密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)影響。

（1）堿激發(fā)劑模數(shù)優(yōu)選為1.2，能穩(wěn)定制備的地聚物基泡沫混凝土。

（2）隨玻璃粉/礦渣質(zhì)量比的增加，泡沫混凝土的干密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)先升高后降低。

（3）隨堿激發(fā)劑用量的增加，泡沫混凝土的干密度、導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，抗壓強(qiáng)度先升高后降低。

（4）隨H2O2用量增加，泡沫混凝土的干密度、導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強(qiáng)度先降低后升高。

（5）當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1.2、用量為15%，玻璃粉/礦渣質(zhì)量比為10%，H2O2用量為5%時(shí)，泡沫混凝土的綜合性能最佳，干密度為409.3 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為1.64 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.088 W/（m·K）。

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Study on geopolymer foamed concrete based on glass powder-slag

WANG Haifeng1，LIU Jie1，LU Jianlei1，LIN Zhou1，SHENG Jiansong1，YANG Hui1，2
（1.Zhejiang California International Nano Systems Institute，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China；2.College of Material Science and Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Using H2O2as foam agent，geopolymer foamed concrete were prepared with glass powder，slag and alkali activator as starting materials.The experimental parameters，which affected the dry apparent density，compressive strength and thermal conductivity of foamed concrete were discussed，such as modulus of alkali activator，glass powder to slag weight ratio，alkali activator contents and H2O2contents.The result exhibits the best properties with dry apparent density of 409.3 kg/m3，compressive strength of 1.64 MPa and thermal conductivity of 0.088 W/（m·K）when modulus of alkali activator is 1.2，glass powder to slag weight ratio is 10%，alkali activator content is 15%，and H2O2content is 5%.

geopolymer，foamed concrete，glass powder，slag

TU528.2

A

1001-702X（2016）12-0076-04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAL03B01）

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2015AA034701）

2016-07-14

汪海風(fēng)，男，1984年生，安徽安慶人，副研究員，從事固廢處理研究。