碱矿渣泡沫混凝土的研究现状及展望

肖力光 齐凤梅

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院,长春 130118)

随着我国推广建筑节能和新型墙体材料步伐的加快,轻质混凝土日益受到了人们的关注.泡沫混凝土质轻、隔热隔音性能好、耐火性能优越,满足新型建筑材料的要求[1],受到人们的重视.同时,碱矿渣水泥是以碱金属化合物和磨细水淬高炉矿渣为主要组分的新型胶凝材料,也是国内外公认的21世纪最具开发潜力的水泥之一[2].因此，以碱矿渣水泥作为泡沫混凝土的胶凝材料,既可获得具有良好性能的碱矿渣泡沫混凝土的同时又符合国家利废、环保、绿色的可持续发展理念,成为近年来研究的热点.

1 泡沫混凝土性能

(1) 轻质性. 通常情况下,泡沫混凝土密度等级为200kg/m3～1 800kg/m3.近年来,密度为160kg/m3的超轻泡沫混凝土也在建筑工程中获得了应用[3].也因为密度小的特点,将其运用在建筑物的楼面、墙体、层面、立柱等建筑结构当中,可以降低建筑物自身的承重力,一般会降低25%左右,特殊结构会降低35%左右[4].使用这种混凝土能够实现建筑物的高层化,提高了建筑物的承载能力,增强了建筑结构的抗震能力.

(2) 保温隔热性. 通常在400kg/m3～700kg/m3密度等级范围的泡沫混凝土的导热系数为0.09W/(m·K)～0.17W/(m·K)[5].较低的导热系数主要取决于泡沫混凝土中含有大量的封闭、均匀、细小的圆形孔隙[6],多孔的内部结构使泡沫混凝土具有良好的热绝缘性.用在我国北方地区的保温外墙时,490mm厚的粘土砖墙的保温效果,用200mm厚的泡沫混凝土就可以达到,具有良好的保温性能.

(3) 隔音耐火性. 泡沫混凝土具有多孔的性质且其原材料多为无机材料,作为墙体材料具有良好的耐火吸声性能,而且在道路两侧以及军事工程等领域也常用泡沫混凝土来做隔音材料.

(4) 其它性能. 泡沫混凝土不仅可以做成砌块还可以进行现场浇筑,具有较好的整体性和流动性,并且充分利用固体废弃物具有良好的环保性能等.

2 碱矿渣水泥

2.1 碱矿渣水泥水化机理

矿渣与水混合后不能发生水化反应产生凝胶产物,通过碱金属化合物的激发才能产生水硬性胶凝材料[7].其水化机理[8-11]主要是:矿渣是硅氧四面体组成的玻璃体结构.当结构中的Ca-O键、Si-O-Si键、Si-O-Al键和Al-O-Al键遇到碱液时,由于OH-极化作用使玻璃体发生解体,产生大量的SiO44-,AlO45-,Ca2+,Mg2+等离子.溶液中的Ca2+等与低聚硅酸根阴离子通过缩聚作用生成凝胶产物.在碱矿渣水泥凝结硬化的最初阶段水泥石的结构已经基本形成,随后生成的水化产物在此结构上再进行缩聚.因此,在碱矿渣水泥水化早期生成的OH-离子的多少是影响水泥石硬化的关键因素.由此可见,碱金属化合物的种类、加入碱组份的方式、碱组份的含量等对碱矿渣水泥水化的影响也会不同[12].因此,国内外学者对其进行了制备和研究.张武龙等[13]用混合碱溶液对碱矿渣水泥水化性能影响进行研究发现:NaOH分别与水玻璃、磷酸钠组合时,随着NaOH掺量的增加早期强度明显增加.水玻璃与NaOH组合时,水泥的早期水化加快,后期强度也显著增加.水玻璃与磷酸钠组合时,水泥石的早期强度随着水玻璃掺量增加而增加.Wang[14]等研究发现:NaOH,NaSO4和Na2CO3经常用作活性剂,但是水玻璃的效果是最好的而且添加溶液形式的碱组份效果最好.Shi[15]等研究发现:Na2CO3适合于富含C2MS的矿渣,NaOH适用于富含C2AS的矿渣.Na2O·nSiO2以及组合碱组份也有很好的激发效果.Bakharev[16]等用硅酸钠、氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠和这些活化剂的组合对矿渣进行碱活化.最有效的是硅酸钠,并且硅酸钠的浓度和模数对抗压强度和凝结时间都有较大影响.Bilim[17]选用三种不同Na剂量的液态硅酸钠作为碱性活化剂对矿渣进行活化,其抗压强度和弯曲强度随着活化剂的增加而提高.

2.2 碱矿渣水泥性能

(1) 凝结硬化快,早期强度高. 在不掺加缓凝剂的情况下,碱矿渣水泥3d的抗压强度可以达到20MPa～90MPa,28d的抗压强度可以达到50MPa～120MPa[18].

(2) 优良的孔结构. 虽然碱矿渣水泥与硅酸盐水泥的孔隙率差异不大,但是其孔结构特征却有较大的差异.碱矿渣水泥石中的大孔很少,微孔占到大部分,对水泥和混凝土强度和抗渗性不利的孔占16.9%～20.5%,而普通水泥中的有害孔是碱矿渣水泥的3倍[19].

(3) 低水化热. 普通硅酸盐水泥的水化放热量是碱矿渣水泥的两倍,甚至更多.

(4) 其它性能. 碱矿渣水泥还具有良好的抗渗、抗冻、抗侵蚀性、优越的负温硬化性能、低需水量等.

3 发泡剂

目前,用于泡沫混凝土的发泡剂按照发泡工艺的不同分为物理发泡剂和化学发泡剂[20].物理发泡剂是通过物理方法(高速搅拌法、压缩空气法)产生气泡,而化学发泡剂是通过与水泥浆体搅拌混合后发生化学反应后生成气泡.两种发泡方式各有优缺点[21-23]:用物理发泡剂发泡其体积稳定性和泡沫稳定性好,但是表观密度、开孔率高,强度低,而且具有缓凝效果,脱模时间长.化学发泡方便、快捷并且易获得密度低、吸水率低的轻质泡沫混凝土,缺点是泡沫稳定性差,不易控制.

(1) 化学发泡剂. 适合做化学发泡剂的有碳化钙、双氧水、铵盐、铝粉等[24],但是最常用的是双氧水和铝粉.陈海彬[25]用化学发泡剂研究发现:随着双氧水掺量的增加促使孔径尺寸不断增大,但对混凝土的孔隙率影响不大.双氧水掺量为6%～7%时,孔隙率达到70%～85%.Middendorf[26]用化学发泡法和固定空气法制备轻质高强的承重性泡沫混凝土.硬化水泥浆体的微结构受中微孔和微孔结构的影响,并且可以通过铝粉和化学添加剂对泡沫混凝土进行优化.Aguilar[27]选用铝粉进行化学发泡,探究了导热系数随着泡沫混凝土密度的减小而变小.密度为600kg/m3时导热系数为0.15W.

(2) 物理发泡剂. 物理发泡剂的种类主要是松香类、合成表面活性剂、蛋白类和复合型4类[28].近年来,国内外一些学者也对新型的发泡剂进行了制备和研究.甘戈金[29]等以月桂酰基谷氨酸二钠、茶皂素等原料复配成一种新型发泡剂.发泡倍数达到35～37倍,1h沉陷距为5mm～7mm,1h泌水量为32.4mL～33.1mL.并采用压缩空气法生成泡沫制备A04-08级泡沫混凝土,其各项性能都优于标准要求.林雪志[30]等以糖基聚氧乙烯醚等原料复合新型发泡剂,起泡高度达到167.5mm,泡沫的半衰期达到65min.并采用高速搅拌法生成的泡沫制备泡沫混凝土,符合行业标准.Alois Sommer[31]等用藻酸盐与烷基硫酸盐进行混合复配制备了有机型发泡剂,主要用于地面涂层以及屋面装饰层.

4 碱矿渣泡沫混凝土国内外研究现状

4.1 国内研究现状

2013年张欣[32]等对碱矿渣泡沫混凝土进行了实验研究,发现水玻璃用量为矿渣的18%时激发效果最好,而且矿渣越细激发效果越好.密度等级为A07的碱矿渣泡沫混凝土,14d的抗压强度达到了7.68MPa.2015年丁庆军[33]等对碱激发环境下矿渣替代水泥用量制备泡沫混凝土性能进行研究,其抗压强度、导热系数和收缩值随着矿渣掺量的增加而增大,最大替代量可以达到为100%.密度等级为A06时,28d抗压强度达到6.5MPa,导热系数为0.178 W/(m·K),收缩值为0.87mm/m.2015年王洪飞[34]等对碱矿渣泡沫混凝土的材料力学性能研究发现:不同的水料比对碱矿渣泡沫混凝土的力学性能有不同的影响,矿渣替代水泥的量控制在45%时为最佳,同时对不同的碱激发剂进行实验发现,水玻璃对材料的力学性能影响最大,其次是氢氧化钠和碳酸钠.2016年田雨泽[35]等发现:在碱矿渣泡沫混凝土中掺加一定量的铁尾矿粉对其力学性能有一定的影响.铁尾矿粉掺量为30%左右,对碱矿渣泡沫混凝土的强度最为有利,而且随着铁尾矿粉细度的提高,碱矿渣泡沫混凝土的强度逐渐增大.2016年汪海风[36]等在复配碱矿渣泡沫混凝土中加入了建筑垃圾,并对其进行了性能测试发现:干密度为298kg/m3,抗压强度1.26MPa,导热系数0.075W/(m·K)为最佳,但是随着建筑垃圾掺量的增加导热系数、抗压强度都会有不同程度的降低.2017年宋学锋[37]等研究发现:不同的泡沫掺量对碱矿渣泡沫混凝土的影响程度不同,当泡沫掺量为4.45%～12.00%时,所制备碱激发矿渣聚合物泡沫材料的干密度389kg/m3～1 325kg/m3、抗压强度1.12MPa～17.81MPa、导热系数0.081 3W/(m·K)～0.221 1W/(m·K),其综合性能优于通用水泥泡沫混凝土制品.

4.2 国外研究现状

2010年Aguilar[38]等学者用混合矿渣(矿渣-粉煤灰)制备泡沫混凝土,并用铝粉进行原位发泡.在干密度为534kg/m3～1 030kg/m3时,强度为1.8MPa～5.1MPa.2012年Esmaily[39]用碱矿渣胶凝材料代替普通的水泥材料制备泡沫混凝土，发现决定泡沫混凝土强度最重要的因素是密度.同时对不同的发泡剂进行性能测试,SLS发泡剂具有较好的效果.2013年Yang[40]对用于地板采暖系统的碱矿渣泡沫混凝土进行研究,用Ca(OH)2,Mg(NO3)2和Na2SiO3进行碱活性激发.干密度为403kg/m3时,28d的抗压强度达到2.16MPa,并且保温隔热性能良好.2014年Yang[41]用碱矿渣胶凝材料对15种不同密度的泡沫混凝土进行性能测试,同时用Ca(OH)2和Mg(NO3)2,Na2SiO3、硅酸钠作为碱激发剂进行对比研究发现:在相同的密度下,碱矿渣泡沫混凝土比硅酸盐泡沫混凝土具有更高的抗压强度.2015年Zhang[42]等对掺有矿渣的泡沫混凝土进行了研制发现:与普通的波特兰水泥泡沫混凝土相比,具有更好的保温性能.在室温下,矿渣的加入能够提高抗压强度.但在高温下强度会有较大的损失.2016年荷兰Huiskes等[43]也从保温隔热和承重等方面着重研究了超轻碱矿渣泡沫混凝土,其中低钙粉煤灰、粒化高炉矿渣和NaOH溶液,结合高效减水剂预制备成碱活性粘结剂,通过使用废弃玻璃生产轻质材料作为集料而达到超轻特性.试验中应用的胶凝材料相对于硅酸盐水泥和其他胶凝材料具有更好的持续性,获得的超轻混凝土也具有良好的工作性,硬化混凝土在力学性能、导热性能和稳定性等方面均体现出优异的性能.2017年Tarameshloo[44]等用三种不同的发泡剂对碱矿渣泡沫混凝土的密度、抗压强度、孔结构的影响进行研究.另外,通过图像处理技术研究其与密度和抗压强度的关系,研究了宏观孔径分布.

5 存在的问题

(1) 与传统硅酸盐水泥不同,碱矿渣水泥水化产物中并不存在Ca(OH)2[45].主要水化产物是低Ca/Si的C-S-H凝胶[46],该凝胶体中缺乏结晶态物质对凝胶类物质收缩的限制作用[47],而且其比表面积大,硬化过程中可蒸发的水越多,造成收缩率越大.Shimomura等[48]学者通过研究发现碱矿渣浆体中小孔的比例占到大部分,小孔的毛细管力要大,因此产生的收缩开裂也会较大.增强碱矿泡沫混凝土的韧性,减少收缩引起的开裂,是应该注意的问题.

(2) 碱矿渣泡沫混凝土的碱性较大,选择合适的发泡剂对其性能也具有较大的影响,并且进一步的研究孔结构特征对其宏观性能的影响具有重要意义.

(3) 在结构体系的研究中,专门针对泡沫混凝土的力学性能进行系统研究的较少,在有限元分析中,基本上是参照普通混凝土的力学性能给出相应的数值.因此,建立碱矿渣泡沫混凝土单轴压力下的本构关系模型,总结出单向轴力下的应力-应变关系,为结构的非线性有限元分析提供科学依据也显得尤为重要.

6 结语

碱矿渣泡沫混凝土利用了碱矿渣水泥凝结硬化快,早期强度高的特点,具有质轻、高强、隔热隔音性能好、耐火性能高等优异性能,且利废环保、绿色节能,经济效益和社会效益显著,具有广阔的应用前景.

参 考 文 献

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