粉煤灰-礦渣地聚合物泡沫混凝土的性能研究

賀馨瑤，田雨澤

（遼寧科技大學 土木工程學院，遼寧 鞍山 114051）

粉煤灰和礦渣都屬于固體廢棄物。礦渣為礦石選礦或經(jīng)過冶煉后的殘余物質(zhì)，是工業(yè)上的主要固體廢物。粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。地聚合物材料為堿性無機膠凝材料，是一種新型綠色建材［1］，具有良好的物理和化學性能，如耐化學腐蝕、界面結(jié)合力強、抗?jié)B性好、耐高溫性好等。地聚合物材料制備工藝簡單，與普通硅酸鹽水泥混凝土相比，制備過程中可以減少碳的排放量26%~45%［2］，有可能取代普通硅酸鹽水泥。目前研制出的堿激發(fā)膠凝材料產(chǎn)物聚合度高，結(jié)構(gòu)致密。礦渣與粉煤灰中玻璃添加量居多，玻璃體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，但反應活性較高，與堿激發(fā)劑結(jié)合，可形成性能優(yōu)良的地聚合物泡沫混凝土［3-4］。目前，地聚合物泡沫混凝土也受到國內(nèi)外廣泛關注，對制作工藝方面研究較多［5-6］，但對粉煤灰-礦渣材料制備的地聚合物泡沫混凝土方面研究較少。我國保護環(huán)境需求日益增加，到2025年，煤矸石、粉煤灰、尾礦、冶煉渣等大宗固廢的綜合利用能力將提升至60%，使存量大宗固廢有序減少［7］。這表明粉煤灰-礦渣地聚合物泡沫混凝土研究與應用十分迫切。本文采用粉煤灰、礦渣作為原材料，水玻璃作為堿激發(fā)劑制備地聚合物泡沫混凝土，并進行性能試驗研究。

1 試驗原材料

1.1 原材料

實驗采用Ⅰ級粉煤灰和S105級礦渣，粉煤灰和礦渣的化學組成詳見表1。粉煤灰和礦渣的主要成分都是SiO2、Al2O3和CaO，其性能符合《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）要求。

表1 粉煤灰和礦渣的化學組成，%Tab.1 Chemical compositions of coal ash and slag，%

使用水玻璃作為堿激發(fā)劑，水玻璃由山東德州晶火玻璃有限公司生產(chǎn)，呈透明的粘稠狀，模數(shù)m=3.3。

使用pH值為6~8的植物性復合發(fā)泡劑和pH值為6~8的動物性復合發(fā)泡劑，發(fā)泡倍數(shù)分別是40~60倍和30~60倍。試驗用水為自來水。

1.2 地聚合物基泡沫混凝土的制備

（1）地聚合物泡沫混凝土漿體的制備：在混合機中加入按比例配置好的粉煤灰、礦渣和發(fā)泡劑，攪拌30 s，而后加入堿激發(fā)劑，攪拌4 min。

（2）泡沫的制備：稀釋發(fā)泡劑至指定倍數(shù)，而后注水緩慢攪拌，直至出現(xiàn)細密泡沫。

（3）地聚合物泡沫混凝土的制備：在制備好的地聚合物泡沫混凝土漿體中緩慢注入泡沫，攪拌均勻后注入40 mm×40 mm×160 mm的標準模具，之后用保鮮膜遮蓋表面，防止水分揮發(fā)導致開裂。做好標記，靜置成型，24 h后脫模。

1.3 性能測試方法

測試泡沫混凝土的抗壓強度按照GB/T 11971-1997《加氣混凝土力學性能試驗方法》，測試泡沫混凝土的導熱系數(shù)按照GB/T 10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定防護熱板法》。采用強度試驗儀及Hot disk熱常數(shù)分析儀。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 粉礦比例對地聚合物泡沫混凝土抗壓強度的影響

為討論粉礦比對地聚合物泡沫混凝土性能的影響，使用C2.0等級的泡沫混凝土，分別制備粉礦比例為3：7、5：5、7：3的地聚合物泡沫混凝土。同時控制Na2O添加量為6%，干密度保持為400 kg/m3。實驗結(jié)果如表2。

表2 地聚合物泡沫混凝土配合比及性能Tab.2 Mixing ratios and performance of geopolymer foam concretes

隨著粉礦比例逐漸增加，抗壓強度明顯降低。粉礦比例為3：7，抗壓強度最高。3種比例的泡沫混凝土28d抗壓強度都高于2.5 MPa，符合規(guī)范要求。

礦渣主要成分為CaO，可與體系中硅酸鈉發(fā)生反應，鈣離子作為反應物更快地加入到脫水縮聚反應中，生成水合鋁硅酸鈣（C-A-S-H）［8］，提高體系強度。隨著粉礦比例的增加，礦渣量逐步減少，生成的水合鋁硅酸鈣量減少，使整個體系抗壓強度逐步降低。

地聚合物泡沫混凝土養(yǎng)護時間越長，抗壓強度越大。養(yǎng)護是水泥石形成過程，養(yǎng)護時間越長，水化反應越充分，使混凝土中水泥滴膠體積不斷增加，孔腔體積減少，混凝土的密度增大，抗壓強度也隨之增強。

2.2 粉礦比對地聚合物泡沫混凝土導熱的影響

隨著粉礦比增加，地聚合物泡沫混凝土的導熱率逐漸增大。養(yǎng)護時間越長，導熱率越小。實驗結(jié)果如表2所示。

增加粉礦比使粉煤灰的加入量逐步增加，礦渣含量相對減少，導致體系內(nèi)部分孔隙被破壞，泡沫孔分布不均；同時，粉煤灰不能夠完全參與反應，剩余的粉煤灰填充至孔隙中，都使地聚合物泡沫混凝土的導熱率增大。

在干密度為400 kg/m3情況下，泡沫混凝土導熱率普遍在0.1 W/（m·K）左右，地聚合物泡沫混凝土因自身性質(zhì)以及發(fā)泡的程度不同，導熱率較普通泡沫混凝土偏高，滿足實際應用要求。

2.3 Na2O添加量對地聚合物泡沫混凝土抗壓強度的影響

為了分析堿激發(fā)劑Na2O添加量對地聚合物泡沫混凝土性能的影響，使用C2.0等級的泡沫混凝土，控制粉礦比為5：5，干密度保持為400 kg/m3，分別制備Na2O添加量為4%、6%和8%的地聚合物泡沫混凝土。實驗結(jié)果如表3。

隨著Na2O的添加量增加，地聚合物泡沫混凝土抗壓強度先增大而后降低。且養(yǎng)護時間越長，抗壓強度越大。Na2O的添加量為6%時，3 d和28 d的抗壓強度最大，分別為3.51 MPa和4.15 MPa。適量添加Na2O有利于粉煤灰和礦渣的混合及融合，有利于發(fā)生聚合反應。過量添加Na2O，對抗壓強度不利。

2.4 Na2O對地聚合物泡沫混凝土導熱率的影響

隨著Na2O添加量增加，地聚合物泡沫混凝土導熱率明顯增大，養(yǎng)護28 d的導熱率低于養(yǎng)護3 d的導熱率，如表3所示。

表3 Na2O添加量對地聚合物泡沫混凝土性能的影響Tab.3 Effects of Na2O additions on performance of geopolymer foam concretes

Na2O的添加量為4%時，28 d的導熱率最小，為0.135 9 W/（m·K）；Na2O的添加量為8%時，3 d的導熱率最大，為0.193 7 W/（m·K）。

3 結(jié)論

采用粉煤灰和礦渣為原料制備地聚合物泡沫混凝土，考察粉礦比以及Na2O添加量對地聚合物泡沫混凝土抗壓強度和導熱率的影響。

（1）粉礦比增加，抗壓強度顯著減小，導熱率明顯增大。但28 d抗壓強度都高于2.5 MPa，符合規(guī)范要求。

（2）Na2O的添加量增加，地聚合物泡沫混凝土抗壓強度先增大后降低，導熱率明顯增大。當Na2O的添加量為6%，抗壓強度最大。

（3）當粉礦比為3：7，Na2O的添加量為6%，干密度為400 kg/m3時，粉煤灰-礦渣地聚合物泡沫混凝土的綜合性能最佳。