礦渣基輕質(zhì)多孔地質(zhì)聚合物的制備與孔結(jié)構(gòu)研究

朱澤天，葛雪祥，樊傳剛，張衛(wèi)鵬，牛茂祥，李圣軍，華 磊

(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，馬鞍山 243002)

0 引 言

地質(zhì)聚合物是一種由Si—O四面體和Al—O四面體組成的具有三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)聚合物[1]。其主要以粉煤灰、煤矸石、礦渣等富含硅鋁酸鹽的工業(yè)廢渣或偏高嶺土為原材料，通過(guò)與堿性激發(fā)劑發(fā)生溶解-聚合反應(yīng)，形成具有強(qiáng)度的硬化體。與硅酸鹽水泥相比，地質(zhì)聚合物不僅實(shí)現(xiàn)了工業(yè)廢渣的再利用，且制備工藝低碳、節(jié)能，符合綠色發(fā)展理念[2-4]。地質(zhì)聚合物作為一種低碳環(huán)保的新型膠凝材料，由于其早強(qiáng)快硬、耐腐蝕性、耐高溫及低滲透性等性能優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛研究與應(yīng)用[5-7]。例如，El-Naggar等[8]基于地質(zhì)聚合物材料良好的抗?jié)B性，將其作為固化重金屬和核廢料的膠凝材料。Wu等[9]基于地質(zhì)聚合物優(yōu)異的耐高溫性能，將粉煤灰-偏高嶺土基地質(zhì)聚合物作為保溫隔熱材料。

基于地質(zhì)聚合物優(yōu)異的力學(xué)性能，近年來(lái)有學(xué)者以地質(zhì)聚合物為基礎(chǔ)制備輕質(zhì)多孔材料[10]。這種材料不僅具備了多孔材料輕質(zhì)、保溫的性能特點(diǎn)，同時(shí)也具備了地質(zhì)聚合物低碳、節(jié)能的生產(chǎn)特性，是目前極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅苌鷳B(tài)節(jié)能建材[11]。目前，以H2O2為發(fā)泡劑實(shí)現(xiàn)漿體泡沫化，成為制備多孔地質(zhì)聚合物的主要方法。例如，曲陽(yáng)威等[12]和Ducman等[13]以粉煤灰為原料，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.23%和0.5%的H2O2為發(fā)泡劑制備出密度為0.46 g/cm3與0.61 g/cm3、強(qiáng)度為0.73 MPa與2.9 MPa的多孔地質(zhì)聚合物試樣。然而，H2O2的熱穩(wěn)定性較差，反應(yīng)過(guò)程迅速，導(dǎo)致泡孔穩(wěn)定性較低。目前，以Al粉為發(fā)泡劑制備加氣混凝土成為研究熱點(diǎn)。例如，Shen等[14]以粉煤灰、鋰渣等為主要原料，在Al粉作發(fā)泡劑的條件下可以獲得密度為0.406 g/cm3、強(qiáng)度為1.76 MPa的試樣。此外，研究[15]表明，氣孔率是影響多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)與力學(xué)性能的主要因素，調(diào)控多孔地質(zhì)聚合物的氣孔率和孔結(jié)構(gòu)，成為實(shí)現(xiàn)多孔地質(zhì)聚合物輕質(zhì)高強(qiáng)化的關(guān)鍵。王立寧等[16]研究發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)泡劑用量的增大，孔徑尺寸與吸水性都隨之提高。羅新春等[17]以高爐礦渣和偏高嶺土為原料，發(fā)現(xiàn)漿體的液固比將影響多孔地質(zhì)聚合物的密度，但過(guò)高的固液比將危害其力學(xué)性能。此外，Wang等[18]和Bai等[19]研究表明，在泡沫體系中添加十二烷基硫酸鈉等表面活性劑有利于泡孔的形成和穩(wěn)定，從而影響試樣的孔結(jié)構(gòu)和物理性能。萘系減水劑是目前水泥基材料常用的減水劑之一[20]，作為高效表面活性劑，其對(duì)漿體中泡孔形成與穩(wěn)定性的影響尚未見(jiàn)研究。

因此，本文以礦渣和粉煤灰為主要原料，采用Al粉為發(fā)泡劑制備礦渣基地質(zhì)聚合物多孔材料，系統(tǒng)研究發(fā)泡劑、水灰比對(duì)材料孔結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律，并分析萘系減水劑對(duì)孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，以期為礦渣基地質(zhì)聚合物多孔材料的設(shè)計(jì)制備及孔結(jié)構(gòu)調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

S95級(jí)礦渣(slag)微粉購(gòu)自馬鋼嘉華新型建材有限公司，其比表面積為430 m2/kg。粉煤灰(fly ash, FA)購(gòu)自河南恒源新材料有限公司，選用一級(jí)粉煤灰。通過(guò)X射線熒光光譜分析測(cè)定了原材料的主要化學(xué)組成，如表1所示。液體硅酸鈉購(gòu)自優(yōu)瑞耐火材料有限公司，模數(shù)為3.3、固含量為48.7%(全文含量、摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。片狀氫氧化鈉購(gòu)自麥克林生化科技有限公司，純度為96.0%，復(fù)配制備激發(fā)劑。水性金屬鋁粉膏作發(fā)泡劑，購(gòu)自山東華宜化工有限公司，活性鋁含量≥85%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。β-萘磺酸鹽甲醛縮合物(XF-V，萘系減水劑，Na2SO4含量為18%)以及硬脂酸鈉(SS，C18H35O2Na，相對(duì)分子質(zhì)量為306.46，Na2O含量為17.5%～20.5%)作為穩(wěn)泡劑。

表1 原材料的主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical composition of raw materials

1.2 多孔材料的制備

試驗(yàn)前，按照質(zhì)量比8 ∶2混合礦渣與粉煤灰，作為制備地質(zhì)聚合物的主要原料，氫氧化鈉與液體硅酸鈉復(fù)配，制備模數(shù)為1.0的硅酸鈉水溶液作為激發(fā)劑，并添加0.6%的硬脂酸鈉與原料預(yù)混合。試驗(yàn)中，首先按照堿當(dāng)量為6%向混合料中添加激發(fā)劑溶液，并按照設(shè)計(jì)比例(見(jiàn)表2)依次加入硬脂酸鈉與萘系減水劑，按照設(shè)計(jì)水灰比(W/C=0.30～0.50)補(bǔ)充蒸餾水。其次，采用膠砂攪拌機(jī)慢速攪拌混合料1 min后再快速攪拌1 min，制成均勻的漿料，并倒入40 mm×40 mm×40 mm的模具中。試樣經(jīng)20 ℃常溫養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，再置于溫度為60 ℃、相對(duì)濕度為95%的養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)至7 d，最終得到地質(zhì)聚合物多孔材料。試驗(yàn)工藝流程如圖1所示，試驗(yàn)所采用的原料比例以及發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑和水灰比等的使用情況如表2所示。

圖1 試樣制備流程圖Fig.1 Sample preparation flow chart

表2 多孔材料設(shè)計(jì)方案Table 2 Porous material design scheme

1.3 樣品表征

試驗(yàn)按照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》的規(guī)定，以維卡儀表征礦渣基地質(zhì)聚合物漿體的初凝與終凝時(shí)間。達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，首先以體積法計(jì)算干燥試樣的干密度，隨后，將養(yǎng)護(hù)后的試塊放在盛有蒸餾水的燒杯中，并在(-10±1) kPa的密閉真空容器中保持30 min，并靜置15 min后取出。將表面水擦干后稱重，再于60 ℃干燥箱內(nèi)烘至恒重，測(cè)量其干燥質(zhì)量。按照式(1)表征試樣的吸水率。

(1)

式中：Wv為體積吸水率，%；m2為吸水后的質(zhì)量，g；m1為干燥情況下的質(zhì)量，g；ρd為試塊的干密度，g/cm3。

試樣的抗壓強(qiáng)度采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(MTS E44)在2 mm/min恒定位移條件下表征，并采用體式顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FEI NANO SEM430)分別表征試樣的宏觀與微觀孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用Nano Measurer軟件分別對(duì)試樣切割后的截面進(jìn)行孔徑尺寸及分布分析。采用X射線熒光光譜分析(ARLAdvant’X IntellipowerTM3600)測(cè)定原材料的化學(xué)組成，并利用紅外光譜儀(Nicolet6700)表征地質(zhì)聚合物材料中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑摻量的影響

圖2顯示了Al粉摻量由0.20%增至0.50%時(shí)，試樣孔結(jié)構(gòu)的微觀形貌。使用光學(xué)顯微鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著Al粉摻量的增加，氣孔數(shù)逐漸減少，氣孔逐漸增大。當(dāng)摻量從0.20%增加到0.50%，每平方厘米氣孔數(shù)量由261個(gè)降低到58個(gè)。同時(shí)，根據(jù)二值化獲得的試樣孔結(jié)構(gòu)圖(BP)可以看出，氣孔的孔壁隨著Al粉摻量的增加逐漸變薄，當(dāng)摻量增至0.40%以上時(shí)，氣孔尺寸分布變寬。圖3顯示了不同Al粉摻量試樣的孔徑分布情況。由圖可見(jiàn)，隨著Al粉摻量增加，大孔徑氣孔隨之增多。當(dāng)Al粉摻量在0.30%時(shí)，平均孔徑尺寸主要分布在0～0.6 mm，占據(jù)65%以上。當(dāng)Al粉摻量分別在0.30%～0.40%和大于0.40%兩個(gè)范圍時(shí)，孔徑尺寸分布增加到0.3～0.9 mm和0.9～1.5 mm，均占據(jù)50%以上。此外，根據(jù)圖2中的試樣的SEM照片可以看出，當(dāng)Al粉摻量小于0.40%時(shí)，生成的氣孔較為圓潤(rùn)，孔壁骨架相對(duì)完整，厚度均一。當(dāng)Al粉摻量在0.40%及以上時(shí)，氣孔逐漸變得不規(guī)則，孔壁皺褶變形。

圖2 不同Al粉摻量時(shí)試樣的孔結(jié)構(gòu)圖像以及SEM照片F(xiàn)ig.2 Pore structure and SEM images of samples with different Al powder content

圖3 不同Al粉摻量時(shí)試樣的孔徑分布Fig.3 Pore size distribution of samples with different Al powder content

研究表明，Al粉與水接觸時(shí)可發(fā)生如式(2)所示的化學(xué)反應(yīng)，并從水中置換出H2。但由于Al在空氣中極易氧化，Al粉顆粒的表面附著有一層致密的Al2O3膜，阻礙了Al與水的反應(yīng)。然而，在添加了堿激發(fā)劑的地質(zhì)聚合物凈漿中，Al粉顆粒表層的Al2O3與強(qiáng)堿性溶液反應(yīng)，形成可溶性的鋁酸鹽，如式(3)所示，繼而促使Al粉顆粒在攪拌過(guò)程中不斷與H2O反應(yīng)產(chǎn)生氣體。當(dāng)氣體在漿液內(nèi)達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，氣泡壓力克服漿體的極限剪切應(yīng)力，推動(dòng)漿料向外膨脹，最終形成由大量氣孔構(gòu)成的泡沫體。因此，Al粉是用于制備地質(zhì)聚合物的優(yōu)異發(fā)泡劑。隨著Al粉摻量增加，漿體內(nèi)的氣泡逐漸增多，氣泡之間聚并形成如圖2所示的大尺寸泡孔，且液膜逐漸減薄。當(dāng)液膜破裂形成連通孔洞時(shí)，泡沫體內(nèi)部泄壓，導(dǎo)致已達(dá)初凝狀態(tài)的孔壁皺褶。

(2)

(3)

氣孔率的改變導(dǎo)致試樣密度和力學(xué)性能發(fā)生顯著變化。圖4顯示了Al粉摻量從0.20%增加到0.50%時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度與干密度的改變。隨著Al粉摻量的增加，試樣的干密度迅速降低，抗壓強(qiáng)度也隨之減小。當(dāng)Al粉摻量由0.20%增至0.35%時(shí)，試樣干密度由0.708 g/cm3迅速降至0.390 g/cm3，試樣的抗壓強(qiáng)度也隨之由4.06 MPa降至1.38 MPa。但繼續(xù)增加Al粉摻量，試樣干密度的降幅減小。當(dāng)Al粉摻量增至0.50%時(shí)，其干密度小幅降至0.339 g/cm3，但抗壓強(qiáng)度卻明顯降低至0.91 MPa。結(jié)合圖2中孔結(jié)構(gòu)的圖像可以分析得出，Al粉摻量增加不僅導(dǎo)致氣孔率降低，還導(dǎo)致孔徑增大，孔壁減薄，孔徑分布增寬。這可能是試樣強(qiáng)度在密度未明顯變化的條件下顯著降低的主要原因。綜合考慮，添加0.30%的Al粉制得的試樣，可以獲得相對(duì)優(yōu)異的孔結(jié)構(gòu)，其干密度為0.435 g/cm3，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到(1.93±0.06) MPa。

圖4 不同Al粉摻量對(duì)干密度與抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of different Al powder content on dry density and compressive strength

Al粉摻量增加導(dǎo)致試樣內(nèi)部形成大量氣孔，這是試樣密度降低的主要原因。然而，泡孔數(shù)的驟增也導(dǎo)致體系內(nèi)氣-液界面面積的迅速增長(zhǎng)。不同Al粉摻量對(duì)試樣結(jié)構(gòu)的影響如圖5所示。由于氣泡生長(zhǎng)在由激發(fā)劑溶液和未溶解顆粒組成的漿體體系中，水溶液成為氣-液界面的主要構(gòu)成部分。隨著氣-液界面面積的增大，大部分的拌合水用于構(gòu)建新的氣-液界面，而游離于顆粒間的自由水減少，導(dǎo)致孔壁內(nèi)漿料的體系黏度增大，限制了氣泡的膨脹生長(zhǎng)。因此，如圖4所示，當(dāng)試樣密度降至0.339 g/cm3后，隨著Al粉摻量繼續(xù)增加，試樣密度不再顯著降低。且Al粉摻量過(guò)高會(huì)使?jié){體中自由水含量降低，攪拌過(guò)程中漿料迅速稠化，甚至影響到拌和后漿料的澆筑。

圖5 Al粉摻量對(duì)試樣結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Effect of Al powder content on sample structure

2.2 水灰比的影響

由上述分析可知，漿體的含水率是限制低密度多孔地質(zhì)聚合物制備的重要因素。為此，進(jìn)一步分析了水灰比對(duì)試樣制備與性能的影響。圖6顯示了水灰比由0.30增加到0.50時(shí)，試樣孔結(jié)構(gòu)的微觀形貌變化。由圖可見(jiàn)，隨著水灰比的增加，氣孔逐漸增大，每平方厘米的氣泡數(shù)從179個(gè)降低到82個(gè)。同時(shí)，經(jīng)二值化的孔結(jié)構(gòu)形貌清晰地反映出，隨著水灰比增大，孔壁骨架更薄，但相對(duì)更加均勻。圖7為不同水灰比下試樣孔徑的分布情況。由圖可見(jiàn)，隨著水灰比增大，試樣中大尺寸氣孔的占比逐漸增加。當(dāng)水灰比從0.30增加到0.40時(shí)，平均孔徑由0.82 mm增加到1.04 mm，而水灰比進(jìn)一步增加到0.50時(shí)，平均孔徑尺寸僅增加0.09 mm，增長(zhǎng)幅度小于前者。由孔壁的SEM照片可見(jiàn)，當(dāng)水灰比大于0.40時(shí)，孔壁出現(xiàn)皺褶、變形，這是導(dǎo)致孔徑不再顯著增長(zhǎng)的重要原因。同時(shí)，孔壁上伴隨有許多貫穿小孔生成，這表明過(guò)高的水灰比導(dǎo)致發(fā)泡階段液膜穩(wěn)定性降低，液膜破損使孔內(nèi)壓迅速降低，孔內(nèi)壓降低后無(wú)法支撐孔壁而出現(xiàn)孔壁皺褶坍塌。此外，孔壁中貫穿孔的出現(xiàn)將顯著增加試樣的吸水率。表3為不同水灰比制得試樣的吸水率。由表3可見(jiàn)，當(dāng)水灰比由0.30增大至0.50時(shí)，試樣的體積吸水率由19.92%顯著增大至33.56%。吸水率的顯著增加將影響材料的防水抗凍性能，不利于地質(zhì)聚合物材料在保溫墻體材料中的應(yīng)用。

圖6 不同水灰比時(shí)試樣的孔結(jié)構(gòu)圖像以及SEM照片F(xiàn)ig.6 Pore structure and SEM images of samples with different water-cement ratios

圖7 不同水灰比時(shí)試樣的孔徑分布Fig.7 Pore size distribution of samples with different water-cement ratios

表3 不同水灰比制得試樣的吸水率Table 3 Water absorption of samples with different water-cement ratios

隨著水灰比增大，一方面地質(zhì)聚合物漿體黏度迅速降低，促使氣泡生長(zhǎng)阻力減小，氣泡在漿體內(nèi)快速膨脹增大，導(dǎo)致液膜減薄甚至破裂。另一方面，水灰比的增加稀釋了漿液中激發(fā)劑的濃度，促使?jié){體OH-濃度降低。因此，反應(yīng)初始階段，堿性激發(fā)劑溶液對(duì)礦渣玻璃體表面的[SiO4]基團(tuán)和[AlO4]基團(tuán)的溶解作用減弱，導(dǎo)致反應(yīng)誘導(dǎo)期延長(zhǎng)，表現(xiàn)為漿體凝結(jié)時(shí)間的增大。圖8為不同水灰比時(shí)地質(zhì)聚合物的凝結(jié)時(shí)間。如圖8所示，隨著水灰比增加，漿料的終凝時(shí)間不斷延長(zhǎng)。當(dāng)水灰比增至0.50時(shí)，凝結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)至110 min。由于凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，已完成發(fā)泡的泡沫漿體在重力和表面張力的作用下，孔結(jié)構(gòu)逐漸變形、破壞，這也是上述孔結(jié)構(gòu)改變的主要原因。

圖8 不同水灰比時(shí)地質(zhì)聚合物的凝結(jié)時(shí)間Fig.8 Setting time of geopolymer with different water-cement ratios

圖9顯示了水灰比從0.30增加到0.50時(shí)，熱養(yǎng)護(hù)7 d的試樣抗壓強(qiáng)度與干密度。從圖中可以看出，隨著水灰比增大，干密度逐漸降低，且當(dāng)水灰比增至0.40時(shí)，試樣的密度降至0.354 g/cm3。而此后，水灰比的增大并未導(dǎo)致試樣密度明顯降低。同時(shí)，隨著密度的降低，試樣的抗壓強(qiáng)度快速減小。然而，隨著水灰比的增大，抗壓強(qiáng)度降低的趨勢(shì)逐漸增大，當(dāng)水灰比為0.40時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度僅為0.95 MPa。結(jié)合圖6中的孔結(jié)構(gòu)分析可知，水灰比增大導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)劣化，嚴(yán)重危害了試樣的力學(xué)性能。由此可見(jiàn)，雖然提升水灰比降低了發(fā)泡階段漿體的黏度，促使氣孔大量形成，但僅提升水灰比不能有效降低試樣的密度，且過(guò)高的水灰比還將影響試樣的孔結(jié)構(gòu)，造成其力學(xué)性能及防水性能的顯著劣化。因此，優(yōu)化材料的孔結(jié)構(gòu)是制備輕質(zhì)、高強(qiáng)地質(zhì)聚合物多孔材料的關(guān)鍵。

圖9 不同水灰比對(duì)干密度與抗壓強(qiáng)度的影響Fig.9 Effects of different water-cement ratios on dry density and compressive strength

2.3 萘系減水劑的影響

β-萘磺酸鹽甲醛縮合物(又稱“萘系減水劑”)是一種陰離子表面活性劑，含有大量親水基團(tuán)磺酸基，能破壞水泥顆粒水化形成的絮凝結(jié)構(gòu)，將其中包含的自由水釋放出來(lái)，從而在不增加水灰比的條件下，提升漿體的流動(dòng)性[21]。圖10顯示了Al粉摻量為0.30%，水灰比為0.35時(shí)，萘系減水劑摻量對(duì)干密度與抗壓強(qiáng)度的影響。如圖所示，在水灰比不變的條件下，隨著萘系減水劑的加入，試樣的干密度逐漸降低，并在摻量>0.4%后趨于平穩(wěn)。這表明萘系減水劑促進(jìn)了漿體內(nèi)泡孔的形成與生長(zhǎng)，從而使硬化漿體形成更低的密度。這可能與萘系減水劑促使自由水釋放，提升漿體的流動(dòng)度有關(guān)。然而，試樣密度的降低并未導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度持續(xù)減小。如圖10所示，當(dāng)添加0.2%的萘系減水劑時(shí)，試樣干密度由0.503 g/cm3降至0.476 g/cm3，但抗壓強(qiáng)度卻由1.98 MPa增至2.05 MPa。隨后，因密度持續(xù)降低，抗壓強(qiáng)度隨著萘系減水劑的加入逐漸減小。分析認(rèn)為：一方面，萘系減水劑的引入促使礦渣顆粒從水化絮凝結(jié)構(gòu)中釋放出來(lái)，均勻分散于激發(fā)劑溶液中，增加了激發(fā)劑與礦渣顆粒的反應(yīng)面積，從而加快地質(zhì)聚合物的堿激發(fā)反應(yīng)，提高試樣的強(qiáng)度。另一方面，萘系減水劑的引入促使?jié){體內(nèi)部顆粒分布更加均勻，有利于泡孔的均勻生長(zhǎng)，從而改善材料的孔結(jié)構(gòu)，因而提升了試樣的強(qiáng)度。

圖10 不同萘系減水劑摻量對(duì)干密度與抗壓強(qiáng)度的影響Fig.10 Effect of different naphthalene water reducer content on dry density and compressive strength

圖11顯示了萘系減水劑加入前后試驗(yàn)的孔結(jié)構(gòu)形貌。從圖11中可以看出，在不摻入萘系減水劑時(shí)，氣孔的分布不均勻，孔壁的薄厚不一，孔結(jié)構(gòu)形狀各異。而在摻入一定量的萘系減水劑之后，氣孔的孔徑分布以及孔壁厚度更加均勻。根據(jù)圖12中統(tǒng)計(jì)得出的各試樣孔徑分布可以看出，不摻入萘系減水劑條件下試樣的平均孔徑為0.61 mm，其中以小于0.45 mm的小孔為主，孔徑分布較寬。然而，當(dāng)摻入0.8%萘系減水劑，試樣的孔徑分布更加集中(主要集中在0.60 mm)，呈近似正態(tài)分布，且孔徑超過(guò)1.50 mm的大孔徑氣孔數(shù)明顯減少，表明萘系減水劑有效阻止了小氣孔的聚并和異常長(zhǎng)大。由于萘系減水劑是一種易溶于水、物理化學(xué)性能穩(wěn)定的表面活性劑，當(dāng)其在水中的濃度低于臨界膠束濃度時(shí)，它能夠在原材料顆粒表面形成一層單分子膜。一方面萘系減水劑對(duì)凝聚的礦渣顆粒起到分散作用，使得顆粒間隙中包裹的水釋放出來(lái)，從而提高了漿體的流動(dòng)性，為氣泡穩(wěn)定成型創(chuàng)造了條件。另一方面，溶于水的萘系減水劑具有親水基團(tuán)，包裹在液膜表面，有效降低了氣-液界面張力，降低了泡沫體系的表面能，從而使泡沫體能在凝結(jié)硬化前保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。然而，在不摻入萘系減水劑的條件下，發(fā)泡過(guò)程中生成的氣泡液膜強(qiáng)度低，氣泡生長(zhǎng)過(guò)程中容易破裂，聚并形成連通孔或大氣孔，不僅危害試樣的強(qiáng)度，也不利于降低材料的吸水率。由此可見(jiàn)，萘系減水劑在礦渣基多孔地質(zhì)聚合物中不僅承擔(dān)了“減水”的作用，還可作為穩(wěn)泡劑改善材料的孔結(jié)構(gòu)與性能。

圖11 不同萘系減水劑摻量時(shí)試樣的孔結(jié)構(gòu)圖像以及SEM照片F(xiàn)ig.11 Pore structure and SEM images of samples with different naphthalene water reducer content

圖12 不同萘系減水劑摻量時(shí)試樣的孔徑分布Fig.12 Pore size distribution of samples with different naphthalene water reducer content

圖13是熱養(yǎng)護(hù)7 d多孔地質(zhì)聚合物試樣的紅外光譜,圖14為地質(zhì)聚合物多孔材料氣孔孔壁SEM照片。從圖13中可以看出在3 440 cm-1以及1 620 cm-1附近出現(xiàn)明顯的吸收峰，這歸因于H—O—H鍵的伸縮振動(dòng)與彎曲運(yùn)動(dòng)，表明礦渣與粉煤灰礦物顆粒已溶解-縮聚形成了大量C-S-H凝膠[22-23]。且結(jié)合圖14(a)中熱養(yǎng)護(hù)7 d后試樣孔壁的SEM發(fā)現(xiàn)，表面出現(xiàn)無(wú)定形的C-S-H凝膠。同時(shí)，在1 020 cm-1附近形成了由Si—O—T(T=Si或Al)鍵不對(duì)稱伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰，反映出試樣孔壁結(jié)構(gòu)也由含Si—O—Al鍵的聚合分子鏈構(gòu)成。由此可見(jiàn)，礦渣基地質(zhì)聚合物在模數(shù)為1.0的硅酸鈉溶液激發(fā)作用下，形成了Si—O—Si或Si—O—Al鏈，且產(chǎn)物中形成了部分C-S-H凝膠。根據(jù)圖14(b)可觀察到地質(zhì)聚合物水化完全，水化產(chǎn)物致密，這是試樣具有良好力學(xué)性能的主要原因。

圖13 地質(zhì)聚合物多孔材料紅外光譜Fig.13 Infrared spectrum of geopolymer porous material

圖14 地質(zhì)聚合物多孔材料氣孔孔壁SEM照片F(xiàn)ig.14 SEM images of pore wall of geopolymer porous material

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)?shù)V渣與粉煤灰質(zhì)量比為8 ∶2，Na2SiO3模數(shù)為1.0，堿當(dāng)量為6%，Al粉摻量為0.30%，水灰比為0.35時(shí)，在20 ℃養(yǎng)護(hù)24 h再60 ℃恒溫養(yǎng)護(hù)所得到的試樣的孔結(jié)構(gòu)優(yōu)異，干密度為0.435 g/cm3，抗壓強(qiáng)度達(dá)到(1.93±0.06) MPa。

(2)Al粉摻量是影響多孔地質(zhì)聚合物孔結(jié)構(gòu)和物理性能的主要因素。隨著Al粉摻量的增加，其干密度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低，且平均孔徑逐漸增大。其中，Al粉摻量為0.20%～0.35%時(shí)，試樣的氣孔圓潤(rùn)，孔壁相對(duì)完整，但當(dāng)Al粉摻量超過(guò)0.40%，試樣孔徑顯著增大，孔壁變薄，孔壁完整性降低，因而強(qiáng)度顯著降低。

(3)提升地質(zhì)聚合物漿體的水灰比可降低泡沫生長(zhǎng)阻力，促使試樣孔徑增大，密度降低。然而，當(dāng)水灰比增至0.40時(shí)，由于漿體黏度降低，且凝結(jié)時(shí)間顯著延長(zhǎng)，導(dǎo)致氣孔穩(wěn)定性減弱，孔壁皺褶變形，孔結(jié)構(gòu)劣化，其抗壓強(qiáng)度僅為0.95 MPa。因此，制備多孔地質(zhì)聚合物的最佳水灰比為0.35。

(4)萘系減水劑可有效調(diào)節(jié)多孔地質(zhì)聚合物的孔結(jié)構(gòu)，添加0.2%萘系減水劑不僅能降低試樣干密度，同時(shí)能適當(dāng)提高其強(qiáng)度。此外，萘系減水劑可以對(duì)漿體內(nèi)的泡沫起到良好的穩(wěn)定效果，摻入0.2%以上的萘系減水劑能夠優(yōu)化試樣的孔徑分布與孔壁完整性。綜合條件下，摻入0.4%萘系減水劑可以獲得最為優(yōu)異的試樣。