堿激發(fā)再生微粉泡沫混凝土綜述

虞 犇王 露朱 優(yōu)楊榮臻

（1.江蘇華泰路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002；2.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速發(fā)展，中國年均將產(chǎn)生約15億t建筑廢棄物，目前中國建筑廢棄物資源化利用率不到10%，而歐美國家的建筑廢棄物資源化利用率已達(dá)75%。為高效處置這些建筑廢棄物，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，建筑垃圾加工生產(chǎn)新骨料已逐漸成為建筑固體廢棄物資源化利用的主要方法之一[1]。近年來國家對(duì)建筑垃圾的處置和利用予以財(cái)政、政策和技術(shù)上的支持，相關(guān)部門相繼頒布了《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 240-2011）、《道路用建筑垃圾再生骨料無機(jī)混合料》（JC/T 2281-2014）和《建筑垃圾再生骨料實(shí)心磚》（JG/T 505-2016）等技術(shù)規(guī)程，逐漸做到了有序消納、合理使用、規(guī)范管理，并獲得了較明顯的效果。不過，在制造再生骨料的過程中，經(jīng)過粉碎、篩分后會(huì)形成大量的建筑垃圾微粉，而這種粉狀物材料按照要求進(jìn)行粉磨至相應(yīng)的細(xì)度后，可以作為再生微粉使用。盡管《混凝土和砂漿用再生微粉》（JG/T 573-2020）明確了再生微粉在水泥基材料中應(yīng)用時(shí)細(xì)度、需水量比、MB值、活性指數(shù)等性能指標(biāo)，但是由于其活性低、吸水率大、細(xì)度不均勻、成分較為復(fù)雜，除少量用于路基路面處理外，再生微粉仍未得到有效利用[2-5]。

現(xiàn)有研究表明，使用硅酸鈉、氫氧化鈉等堿性激發(fā)劑激發(fā)粉煤灰和礦粉可以制備出干密度600～1800kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)0.47～1.65W/(m·K)、28d抗壓強(qiáng)度在1.3～14.5MPa的堿激發(fā)礦粉/粉煤灰泡沫混凝土，基本符合《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）中關(guān)于A06以上的等級(jí)要求。而且，新拌漿體具有更大的黏度，能更好地將氣泡與漿體結(jié)合，形成大量氣密均勻的孔隙，使泡沫混凝土具有更好的保溫性能。因此，利用建筑垃圾破碎過程中產(chǎn)生的再生微粉替代粉煤灰或礦粉，制備出堿激發(fā)膠凝材料，作為堿激發(fā)泡沫混凝土的主要原材料，可以制備出節(jié)能、環(huán)保、輕質(zhì)、保溫、隔熱等性能優(yōu)良的泡沫混凝土，是綠色膠凝材料發(fā)展的一個(gè)新方向。

1 堿激發(fā)再生微粉影響因素

通過堿性激發(fā)劑對(duì)再生微粉進(jìn)行增溶活化，可以提高再生微粉中大量SiO2和Al2O3的潛在活性，水泥基材料的系統(tǒng)組成也可以通過粉末復(fù)合進(jìn)行優(yōu)化，最大限度地發(fā)揮再生微粉的潛在活性[6-8]。堿性激發(fā)劑Na2SO4、NaOH、Ca（OH）2和NaHCO3對(duì)再生微粉有一定的活性激發(fā)作用，且各自最佳激發(fā)劑量分別為3%、3%、2.5%、2.5%。礦物摻合料（粉煤灰和礦粉）可以改善再生微粉料漿的工作性，礦渣粉對(duì)再生微粉膠凝材料料漿的強(qiáng)度有顯著影響。

1.1 激發(fā)劑

研究表明再生微粉的活性較低，當(dāng)激發(fā)劑摻量＞25%時(shí)，隨著其摻量的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度顯著降低；不同種類的激發(fā)劑對(duì)再生微粉激發(fā)效果不同，Na2CO3激發(fā)效果最好，CaSO4次之，三乙醇胺最差，三乙醇胺能較好地增加砂漿3d抗壓強(qiáng)度；復(fù)合激發(fā)劑（Na2CO3+CaSO4）對(duì)于激發(fā)再生微粉活性有顯著的作用，當(dāng)Na2CO3、CaSO4復(fù)合比例為3∶1，摻量為5%時(shí)激發(fā)效果最佳，當(dāng)再生微粉摻量小于50%時(shí)，砂漿28d抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到32MPa。

用最佳劑量堿激發(fā)處理過的再生微粉作為摻合料以10%～30%的比例取代水泥，與未激發(fā)再生微粉的水泥膠砂強(qiáng)度的對(duì)比可知，Na2SO4作為堿激發(fā)劑時(shí)再生微粉摻量在10%以內(nèi)強(qiáng)度比未激發(fā)再生微粉的強(qiáng)度增加1%，Ca（OH）2作為堿激發(fā)劑時(shí)的再生微粉摻量在15%以內(nèi)強(qiáng)度比未激發(fā)再生微粉的強(qiáng)度高，強(qiáng)度增長率達(dá)6%。表明通過摻入Ca（OH）2和Na2SO4堿性激發(fā)劑能夠有效激發(fā)再生微粉的活性，提升其利用價(jià)值，是一種直接且有效的手段?？梢园l(fā)現(xiàn)合適的激發(fā)劑和摻量可以大大提高再生微粉活性，使再生微粉膠凝材料的強(qiáng)度顯著提高。

1.2 養(yǎng)護(hù)制度

溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的速率有一定的影響，當(dāng)反應(yīng)溫度越高時(shí)，反應(yīng)的速率就越快，對(duì)于再生微粉反應(yīng)來說也是如此，再生微粉膠凝材料性能的影響因素除了原材料的組成、激發(fā)劑的種類和摻量外，養(yǎng)護(hù)制度也是影響其性能的重要因素。目前，國內(nèi)外學(xué)者開始廣泛研究制備再生微粉膠凝材料，由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程可知，反應(yīng)活化能隨著溫度的升高而降低，提高溫度能有效地促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，對(duì)縮聚反應(yīng)有較大的影響，不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間和溫度對(duì)于其力學(xué)性能有一定的影響，通過適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間和提高溫度可以提高再生微粉膠凝材料的早期強(qiáng)度[9、10]。

研究發(fā)現(xiàn)蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)再生微粉膠凝材料的性能及微觀結(jié)構(gòu)有很大的影響。一般情況下，反應(yīng)溫度升高，可使再生微粉膠凝材料的水化速率顯著提升，對(duì)再生微粉膠凝材料的強(qiáng)度提高有非常有利的作用。而且再生微粉的活性受養(yǎng)護(hù)溫度影響很大，在20℃下激發(fā)再生微粉活性發(fā)揮最好，生成膠凝性物質(zhì)多，其砂漿體系孔隙率最低，強(qiáng)度最高。養(yǎng)護(hù)溫度在40℃、60℃、80℃下，生成膠凝性物質(zhì)速度太快，膠凝性物質(zhì)膠結(jié)再生微粉砂漿不均勻，砂漿內(nèi)部孔隙率升高，抗壓強(qiáng)度降低。激發(fā)再生微粉制品的適宜養(yǎng)護(hù)溫度為20℃。養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)于再生微粉活性影響很大，因此，研究合適的養(yǎng)護(hù)制度對(duì)于提高再生微粉膠凝材料的性能及節(jié)能減排具有重要的意義。

2 堿激發(fā)泡沫混凝土研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)研究概況

湖南科技大學(xué)、中山大學(xué)、廣州大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)利用粉煤灰、礦粉等固體廢棄物制備了堿激發(fā)泡沫混凝土，現(xiàn)有固廢基泡沫混凝土主要包括：（1）堿激發(fā)再生紅磚粉泡沫混凝土；（2）堿激發(fā)粉煤灰泡沫混凝土；（3）堿激發(fā)礦渣粉泡沫混凝土；（4）堿激發(fā)偏高嶺土泡沫混凝土等[11-14]，如表1所示。

表1 固廢基泡沫混凝土性能

2.1.1 堿激發(fā)再生紅磚粉泡沫混凝土

國內(nèi)學(xué)者將石灰、二水石膏等激發(fā)劑作為活化材料，制備再生紅磚粉制備泡沫混凝土，摻25%CaO的泡沫混凝土能顯著降低泡沫混凝土的表觀密度，增加孔隙率，提高抗壓強(qiáng)度。摻加20%的二水石膏可以穩(wěn)定泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和干表觀密度。當(dāng)添加NaOH時(shí)，會(huì)導(dǎo)致泡沫混凝土快速凝結(jié)。

2.1.2 堿激發(fā)粉煤灰泡沫混凝土

以粉煤灰為原料，在常溫下通過物理發(fā)泡法可以制備得到干表觀密度在850～950kg/m3的低鈣粉煤灰基堿激發(fā)泡沫混凝土，并測得其28d抗壓強(qiáng)度在4～9MPa。已有學(xué)者研究了堿激發(fā)劑和用水量、溫度、表面活性劑等對(duì)材料的影響，結(jié)果表明，表面活性劑對(duì)堿激發(fā)粉煤灰泡沫混凝土的影響最大。

2.1.3 堿激發(fā)礦渣粉泡沫混凝土

以礦渣為主要原料，在60℃高溫下養(yǎng)護(hù)6h，可制備 干 表 觀 密 度600～650kg/m3、28d齡 期 抗 壓 強(qiáng) 度＞3.5MPa的堿激發(fā)泡沫混凝土。以礦渣為原料，不摻水泥，制備堿激發(fā)泡沫混凝土。當(dāng)密度為600kg/m3時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)6.5MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.178W/（m·K），收縮值為0.87mm/m。

2.1.4 堿激發(fā)偏高嶺土泡沫混凝土

當(dāng)使用鋁粉作為發(fā)泡劑時(shí)，當(dāng)密度＜1200kg/m3時(shí)，堿激發(fā)偏高嶺土泡沫混凝土的28d抗壓強(qiáng)度保持在1.3～14.5MPa。與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥相比，堿激發(fā)偏高嶺土制備的泡沫混凝土具有強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 國外研究概況

堿激發(fā)泡沫混凝土是一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域。國外對(duì)堿激發(fā)泡沫混凝土的研究相對(duì)較少。從2010年開始，來自美國、墨西哥、馬來西亞和意大利的學(xué)者[15-18]用混合礦渣（礦渣粉煤灰）和鋁粉原位發(fā)泡制備了泡沫混凝土。干密度為534～1030kg/m3，強(qiáng)度為1.8～5.1MPa。認(rèn)為決定泡沫混凝土強(qiáng)度的最重要因素是密度。發(fā)現(xiàn)十二烷基硫酸鈉（SLS）發(fā)泡劑具有良好的發(fā)泡效果。與普通硅酸鹽水泥泡沫混凝土相比，堿激發(fā)泡沫混凝土具有更好的保溫性能。礦渣的加入可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，硬化后的混凝土具有優(yōu)良的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性。此外，密度和抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系可以通過圖像處理技術(shù)確定。宏觀孔徑分布對(duì)泡沫混凝土的完整性和流動(dòng)性起著重要作用，充分利用固體廢棄物具有良好的環(huán)保性能。

3 結(jié)束語

堿激發(fā)泡沫混凝土作為城市改造中拆舊時(shí)處置建筑垃圾微粉的新興技術(shù)手段，與傳統(tǒng)的挖掘、破除、清運(yùn)、回填等方法相比，具有工作量小、操作簡便、附加值較高等優(yōu)勢。因此使用建筑垃圾微粉碎生產(chǎn)發(fā)泡混凝土，不失為一種經(jīng)濟(jì)、高效和科學(xué)的好方法。不過，目前已有大量科學(xué)研究與工程應(yīng)用證實(shí)，在節(jié)能領(lǐng)域發(fā)泡水泥制品的最大干密度一般在300～800kg/m3左右，而28d抗壓強(qiáng)度一般在0.5～3MPa左右。在堿激發(fā)泡沫混凝土的生產(chǎn)中，抗壓能力和干密度之間的問題十分明顯，已成為約束可再生微粉生產(chǎn)泡沫混凝土的主要問題之一。因此，解決堿激發(fā)再生微粉泡沫混凝土強(qiáng)度與干密度之間矛盾，是實(shí)現(xiàn)堿激發(fā)再生微粉泡沫混凝土廣泛應(yīng)用的重要途徑。激發(fā)再生微粉制品的適宜養(yǎng)護(hù)溫度為20℃，合適的激發(fā)劑和摻量可以大大提高再生微粉活性，使再生微粉膠凝材料的強(qiáng)度顯著提高，養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)于再生微粉活性影響很大。