碱激发高强泡沫轻质土的制备研究

王 丹，储昭胜，罗 枫，姜峰林，黄绍龙

(1.广东华路交通科技有限公司，广州 510420; 2.湖北交投智能检测股份有限公司，武汉 430051;3.广东首城建设科技有限公司，广州511400;4.湖北大学材料科学与工程学院，武汉430062)

该文将碱激发粉煤灰和矿渣作为胶凝材料，开发出一种节能、减排、利废、高强、轻质的新型保温隔热材料，对建设能源节约型、环境友好型社会具有极其重要的意义。通过研究粉煤灰掺量、水胶比、激发剂掺量对泡沫轻质土性能的影响，得到碱激发高强泡沫轻质土的配合比。

1 实 验

1.1 原材料

1)碱激发胶凝材料：粉煤灰(FA)、矿渣(SL)：其中FA为Ⅰ级，密度 2 800 kg/m3；SL为S95级，密度2 840 kg/m3，主要成分见表1。

表1 碱激发胶凝材料主要成分 /%

2)发泡剂：自制碱激发泡沫轻质土专用泡沫剂。

3)减水剂：聚羧酸盐减水剂。

4)碱激发剂：氢氧化钠与水玻璃复合体系，模数为1.5。

1.2 方法

1)制备过程 首先制备碱激发粉煤灰和矿渣混合浆体，然后加入泡沫制备泡沫浆体、浇筑成型，1 d后脱模并进行标准养护，最后对抗压抗折强度、导热系数进行测定。具体制备流程图见图1。

德国政府关于提高德国人退休年龄的规定于2007年推出，明确表示了德国人退休年龄改革将缓慢地逐步由65周岁上调至67周岁，预计从2012年开始至2029结束，历时17年。德国政府规划将提升的2周岁退休年龄按照月份计数，共计24个月，前12个月将在2012年至2024年完成提升，剩余时间则解决剩下的12个月。德国针对不同出生年份的工作者也采取了分层次退休并领取养老金的政策[3]。

2)性能测试 参考标准 GB/T8077—2012《混凝土外加剂均质性实验方法》中水泥净浆流动度方法测定碱激发泡沫混凝土浆体的流动性。抗压、抗折强度是参照标准 JG/T266—2011《泡沫混凝土》进行测试，模具尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，浇模后无需振动，保鲜膜密封；导热系数实验参照标准GB/T10294 的规定进行测试，试块尺寸为 40 mm×40 mm×40 mm，在进行测试前应将试块进行干燥处理。抗冻耐久性：试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，将试样放入电热鼓风干燥箱内，温度设定(60±5)℃，保温24 h，再(80±5)℃温度下保温24 h，最后在(105±5)℃温度下烘干至恒重。烘干后试样进行称取质量，然后放入(20±5)℃恒温水中，水面高出试样大约30 mm，持续48 h。取出试样后，抹去表面水分，放入冻融试验台。冻融试验台设定为(-20±2)℃冻6 h，然后放入(20±5)℃温水融化5 h，此为1次冻融循环，设定循环次数15次，用质量损失率和抗压强度损失率评价抗冻耐久性[7]。

1.3 实验配比

设计湿容重为600 kg/m3。通过计算，其胶凝材料合计420 kg/m3，探究胶凝材料中粉煤灰与矿渣的比例、水胶比、激发剂掺量对碱激发泡沫混凝土的性能影响，其实验配合比见表2。

2 结果与分析

2.1 粉煤灰掺量对碱激发泡沫混凝土性能的影响

配合比(1)～(3)区别在于胶凝材料中，粉煤灰和矿渣的掺量比例不同，这三种配比的泡沫混凝土性能如表3所示。

2.1.1 粉煤灰掺量对流动性的影响

从表3可以看出，混合胶凝材料中，随着粉煤灰掺量提高，一开始变化不大，超过50%以后，流动性变差。这是因为制备碱激发泡沫混凝土时，浆体在搅拌及凝结过程中，由于碱性溶液对粉煤灰、矿渣颗粒的激发活性使得其颗粒表面电荷不平衡，在分子间作用力及热运动的作用下使反应过程中产生一些非稳定性的可包裹水分的絮凝状结构，其降低了新拌浆体的流动性[8]。因为矿渣颗粒表面“各向不同性”，所以在搅拌过程中倾向于某一个方向排列可减小浆体的粘度，提高流动性；粉煤灰颗粒表面具有“各向同性”及吸附作用等所构成的絮凝结构难以被破坏，随着粉煤灰掺量的继续增大，体系的流动性降低。

2.1.2 粉煤灰掺量对强度的影响

不同粉煤灰掺量下的碱激发泡沫混凝土7 d抗折、抗压强度如图2所示。从图2可以发现，随着粉煤灰掺量提高，抗折强度变化不大，在0.5MPa左右，但抗压强度逐渐降低，矿渣的活性要比粉煤灰高并且矿渣里含有更多的钙，在碱性条件下能迅速与体系中硅酸钠发生反应，生成水化硅酸钙类凝胶(C-A-S-H)为体系提供强度[9]。矿渣不但可以促进钙产品的形成，而且能加速粉煤灰的反应进程。因此，在常温条件下，碱激发泡沫混凝土中粉煤灰掺量越低，强度越高。当粉煤灰掺量在30%，矿渣掺量为70%时，7 d抗压、抗折强度分别为3.95 MPa和0.49 MPa。

2.1.3 粉煤灰掺量对热导率的影响

不同粉煤灰掺量下的碱激发泡沫混凝土热导率如图3所示。从图3中可以看出，随着粉煤灰掺量的增大，热导率逐渐增大。粉煤灰掺量增加时，碱激发泡沫混凝土的抗压强度降低，体系的支撑能力逐渐下降，泡沫在样品中的分布不均匀，碱激发泡沫混凝土的热导率增大。粉煤灰占比在30%时，热导率为0.13 W/(m·K)。

综合考虑碱激发胶凝材料中粉煤灰掺量对泡沫混凝土性能的影响，实验得出，粉煤灰最佳掺量为30%。

2.2 水胶比对碱激发泡沫混凝土性能的影响

配合比(1)、(4)、(5)区别在于水胶比不同，这三种配比的下的泡沫混凝土性能如表4所示。

2.2.1 水胶比对流动性的影响

从表4中可以看出，随着水胶比的增大，泡沫混凝土浆体的流动性逐渐增大。水胶比对流动性的影响较大，流动性小，浆体粘度大施工难度大并且容易出现泡沫破裂现象；流动性太大，泡沫与浆体的粘结力不足，容易出现浮浆现象，所以水胶比需要在一个适宜的范围。

表4 不同水胶比下的碱激发泡沫混凝土性能

2.2.2 水胶比对强度的影响

不同水胶比下的碱激发泡沫混凝土7 d抗折、抗压强度如图4所示。从图4发现，随着水胶比增大，碱激发泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度都呈现增大先升高后降低的趋势，水胶比为0.45时，抗压、抗折强度分别为4.37 MPa、0.5 MPa。随着水灰比的增大，浆体流动性变大，泡沫在浆体中所受阻力减小，更容易分散均匀形成封闭圆滑的孔结构，使碱激发泡沫混凝土抵抗荷载的能力增强，抗压强度和抗折强度提高。水灰比超过 0.45 后，过多的水分使浆体的稠度降低，连通孔的数量增加，导致泡沫混凝土强度有所下降。

2.2.3 水胶比对热导率的影响

不同水胶比下的碱激发泡沫混凝土热导率如图5所示。水胶比增大时，气泡孔受到的阻力减小，更容易形成封闭的圆滑气孔导致孔隙率变大，继而连通孔增多，大孔含量增多，导致热导率增大。水胶比为0.45时，热导率为0.14 W/(m·K)。

综合考虑水胶比对碱激发泡沫混凝土的影响，水胶比为0.45时，性能最佳。

2.3 激发剂(水玻璃)掺量对碱激发泡沫混凝土性能的影响

制备碱激发泡沫混凝土的过程中使用硅酸钠、氢氧化钠等碱性激发剂，激发粉煤灰和矿渣的活性，提高强度，同时可以提升浆体的粘度，能够更好地将气泡束缚在浆体内部，形成大量密闭均匀的气孔，使泡沫混凝土具有良好的保温隔热性能。 该文激发剂采用水玻璃，模数为1.5，配合比(4)、(6)、(7)、(8)、(9)主要区别在于激发剂掺量不同，其混凝土性能见表5。

表5 不同激发剂掺量下的碱激发泡沫混凝土性能

从表5可以看出，配合比(6)因为没有添加碱激发剂，粉煤灰和矿粉的活性在搅拌成型过程中没有发生化学反应或者很低，导致流动性差，所以不成型试件。随着激发剂水玻璃(Na2O)掺量从2%～3.5%提升时，流动性变化不大。7 d抗压抗折、热导率变化趋势分别见图6、图7。

从图6中可以看出，随着激发剂掺量提高，抗压、抗折强度均呈现先上升后下降趋势，激发剂掺量在3%时，抗压、抗折强度分别为4.37、0.5 MPa。这是因为一开始随着碱性激发剂(Na2O)掺量提高，矿渣/粉煤灰反应产物的聚合度逐渐增大，硬化后的结构密实，强度得以提高。但Na2O 超量后，Na+在原材料的表面发生钝化反应，阻碍后期形成致密网络结构，同时，过量碱环境与空气中的 CO2发生反应生成碳酸盐，这将增大内部结构的不均匀性及缺陷度，导致试件强度降低。从图7可以发现，随着Na2O掺量提高，热导率一开始变化不大，随后呈上升趋势，掺量3%时，热导率为0.14 W/(m·K)。综合分析，激发剂的最佳掺量为3%。

2.4 抗冻耐久性验证

2.1～2.3节探讨了不同因素对碱激发泡沫轻质土的性能影响，最终确定最佳配合比为(4)，本小节以此配合比制备试件，测试抗冻耐久性，其结果如表6所示。

表6 抗冻性能测试结果

由表6可知，碱激发泡沫混凝土经过抗冻性检测，质量平均损失率为2.1%，小于3%；抗压强度损失率为2.4%，小于4%，具有良好的抗冻能力。水玻璃作为激发剂可以提高粉煤灰和矿渣的活性，提升水化进度，提高抗压强度和抗冻性能。

3 结 论

a.随着粉煤灰掺量提高，流动性后期会变差，强度逐渐降低，热导率逐渐增大，综合考虑，粉煤灰最佳掺量为30%。

b.随着水胶比增大，流动性逐渐变大，强度呈现先增加后降低趋势，热导率逐渐增大。综合考虑，水胶比选择0.45。

c.激发剂掺量增大，流动性变化不大，强度呈现先增加后降低趋势，热导率逐渐增大。综合考虑，激发剂最佳掺量为3%。

d.碱激发高强泡沫轻质土的最佳配比：复合胶凝材料中粉煤灰和矿渣占比为30%和70%、水胶比选择0.45、激发剂掺量是3%；此时的泡沫轻质土抗压、抗折强度分别为4.37 MPa、0.5 MPa，热导率为0.14 W/(m·K)，强度高，保温效果好，并具有良好的抗冻融能力。