汪海風(fēng)，盧建磊，徐意，盛建松，丁新更，2

（1.浙江大學(xué)浙江加州國際納米技術(shù)研究院，浙江杭州 310058；2.浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州 310027）

建筑垃圾制備地聚合物基泡沫混凝土研究

汪海風(fēng)1，盧建磊1，徐意1，盛建松1，丁新更1，2

（1.浙江大學(xué)浙江加州國際納米技術(shù)研究院，浙江杭州 310058；2.浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州 310027）

以H2O2為發(fā)泡劑，以建筑垃圾、礦渣等為原料制備地聚合物基泡沫混凝土?？疾旖ㄖ?礦渣質(zhì)量比、堿激發(fā)劑用量、H2O2用量等因素對泡沫混凝土干密度、抗壓強度和導(dǎo)熱系數(shù)等性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)建筑垃圾和礦渣質(zhì)量比為5∶7，堿激發(fā)劑用量為15%，H2O2用量為5%時，泡沫混凝土的綜合性能最佳，干密度為298 kg/m3，抗壓強度為1.26 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.075 W/（m·K）。

建筑垃圾；泡沫混凝土；地聚合物；礦渣

0　引言

隨著我國經(jīng)濟水平不斷提高和城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷推進，建筑垃圾產(chǎn)量日益增多?！吨袊ㄖY源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2014年度）》指出，在今后10年，我國平均每年將產(chǎn)生15億t以上建筑垃圾。建筑垃圾侵占土地資源，污染土壤、大氣和水源，影響城市美觀，對建筑垃圾進行綜合利用日益迫切[1-3]。

地聚合物是以硅鋁質(zhì)材料為原料，在堿激發(fā)劑作用下，常溫或低于150℃下合成的一種新型膠凝材料，具有原料來源廣、工藝簡單、能耗少、環(huán)境污染小等優(yōu)點[4-5]。目前，以地聚合物為膠凝材料，開發(fā)輕質(zhì)保溫材料的研究越來越多。如Huiskes等[6]在粉煤灰-礦渣基地聚合物中摻加泡沫玻璃為輕質(zhì)骨料；Posi等[7]在粉煤灰基地聚合物中摻加回收輕質(zhì)骨料；Kupaei等[8]在粉煤灰基地聚合中摻加油椰子殼；Wu和Sum[9]在粉煤灰-偏高嶺土基地聚合物中添加EPS，開發(fā)地聚合物基輕質(zhì)保溫材料。另外，除了在地聚合物中摻加輕質(zhì)骨料，Hlavácek等[10]和Sanjayan[11]等在粉煤灰基地聚合物中添加鋁粉，通過鋁粉發(fā)泡，開發(fā)出輕質(zhì)保溫材料；而Liu等[12]在粉煤灰基地聚合物中添加H2O2，通過其發(fā)泡，也開發(fā)出輕質(zhì)保溫材料。

在地聚合物中摻加輕質(zhì)骨料，工藝簡單，保溫材料抗壓強度較高，但導(dǎo)熱系數(shù)和干密度偏高[6-9]，不能完全滿足在現(xiàn)代節(jié)能建筑中應(yīng)用[13]。而在地聚合物中添加鋁粉、H2O2化學(xué)發(fā)泡劑，能制備低干密度、低導(dǎo)熱系數(shù)的保溫材料，但地聚物主要原料為粉煤灰，其存在產(chǎn)地分布不均等弊端[10-12]。鑒于此，本文以建筑垃圾為原料，復(fù)配礦渣制備地聚合物膠凝材料，并通過H2O2發(fā)泡和蒸壓養(yǎng)護工藝，開發(fā)新型地聚合物基泡沫混凝土保溫材料。

1　原材料及方法

1.1原材料

（1）建筑垃圾：取自杭州周邊農(nóng)村拆遷房，以燒結(jié)黏土磚為主，含有少量廢水泥和陶瓷碎片，經(jīng)顎式破碎機和球磨機破碎，細度為0.08 mm方孔篩篩余小于3%，化學(xué)成分見表1。

（2）礦渣：S95級，浙江合力新型建材有限公司，化學(xué)成分見表1。

表1　建筑垃圾及礦渣的化學(xué)成分%

（3）激發(fā)劑：由硅酸鈉（工業(yè)級，模數(shù)m=2.85，購自長興縣耐火陶瓷原料公司）和NaOH（工業(yè)級，南京米兆化工有限公司）溶于水配制成，固含量38%，模數(shù)m=1.0。

（4）雙氧水，工業(yè)級，國藥集團。

（5）硬脂酸鈣：工業(yè)級，天津凱通化學(xué)試劑有限公司。

1.2地聚合物泡沫混凝土的制備

（1）往混合機中加入建筑垃圾細粉、礦渣、硬質(zhì)酸鈣等固體粉料，高速攪拌20 min，得均勻粉體；（2）往混凝土攪拌機中加入堿激發(fā)劑和水，攪拌5 min后，加入步驟（1）得到的混合粉體，高速攪拌5 min，加入雙氧水，繼續(xù)攪拌20 s，得混合漿體；（3）將混合漿體注入模具中，靜置成型，模具表面覆上遮蓋物，防止水分揮發(fā)太快導(dǎo)致材料開裂，24 h后脫模，在溫度150℃、壓力0.5 MPa蒸壓養(yǎng)護5 h。

1.3地聚合物泡沫混凝土的性能測試方法

雖然國內(nèi)外對普通組合箱梁的溫度場和溫度效應(yīng)的研究取得了一定進展[1-3]，但關(guān)于鋼-混凝土雙面組合梁[4-5] 溫度場和溫度效應(yīng)的研究文獻卻甚為罕見[6-7]。

泡沫混凝土干密度按GB/T 11970—1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率試驗方法》進行測試，抗壓強度按GB/T 11971—1997《加氣混凝土力學(xué)性能試驗方法》進行測試，導(dǎo)熱系數(shù)按GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護熱板法》進行測試。

2　結(jié)果與討論

2.1建筑垃圾與礦渣質(zhì)量比對泡沫混凝土性能的

影響

固定激發(fā)劑用量為15%，H2O2用量為5%，考察建筑垃圾與礦渣質(zhì)量比對泡沫混凝土性能影響，試驗結(jié)果見圖1、圖2。

圖1　建筑垃圾與礦渣質(zhì)量比對泡沫混凝土漿體膨脹倍數(shù)及干密度的影響

圖2　建筑垃圾與礦渣質(zhì)量比對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強度的影響

由圖1、圖2可知，隨著建筑垃圾與礦渣質(zhì)量比從4∶8依次增大到7∶5，泡沫混凝土漿體的膨脹倍數(shù)逐漸增大，干密度、抗壓強度逐漸降低，而導(dǎo)熱系數(shù)則先降低后略有上升。建筑垃圾的主要成分為燒結(jié)黏土磚，其密度較礦渣低，增加其用量能降低泡沫混凝土的干密度，但由于其與激發(fā)劑反應(yīng)活性低，在體系中主要起填料作用，因此，其用量增加會降低泡沫混凝土的抗壓強度。隨建筑垃圾與礦渣質(zhì)量比增大，混凝土漿體膨脹倍數(shù)逐漸增大，體系中氣孔體積比增大，導(dǎo)熱系數(shù)下降，但當(dāng)建筑垃圾與礦渣質(zhì)量比增大到7∶5時，由于氣孔體積比偏大，氣孔中裂縫、針眼等缺陷增多，破壞了氣孔的密閉性，反而使混凝土導(dǎo)熱系數(shù)略有升高。

固定建筑垃圾與礦渣質(zhì)量比為5∶7，H2O2用量為5%，考察激發(fā)劑用量對泡沫混凝土性能影響，結(jié)果見圖3、圖4。

圖3　激發(fā)劑用量對泡沫混凝土漿體膨脹倍數(shù)及干密度的影響

圖4　激發(fā)劑用量對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強度的影響

由圖3、圖4可知，隨激發(fā)劑用量增加，泡沫混凝土漿體膨脹倍數(shù)逐漸增大，干密度、導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，而抗壓強度先升高后降低。H2O2在堿性環(huán)境中發(fā)生反應(yīng)，生成O2和H2O，O2使地聚合物漿體發(fā)生膨脹，并形成氣孔結(jié)構(gòu)[14]。當(dāng)激發(fā)劑用量增多時，H2O2分解速率加快，產(chǎn)生的氣體使?jié){體很快膨脹，并且由于地聚合物漿體硬化快[15]，不發(fā)生塌模，所以氣孔結(jié)構(gòu)能被保留下來，使得泡沫混凝土有低的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)。另外，隨激發(fā)劑用量增加，產(chǎn)生膠凝材料量增多，泡沫混凝土強度提高，但后期由于隨泡沫混凝土膨脹倍數(shù)增大，體系中氣孔結(jié)構(gòu)增多，導(dǎo)致混凝土的抗壓強度發(fā)生下降。

2.3雙氧水用量對泡沫混凝土性能的影響

固定建筑垃圾與礦渣質(zhì)量比為5∶7，激發(fā)劑用量為15%，考察H2O2用量對泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果見圖5、圖6。

圖5　H2O2用量對泡沫混凝土漿體膨脹倍數(shù)及干密度的影響

圖6　H2O2用量對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度的影響

由圖5、圖6可知，當(dāng)H2O2用量從3%增加到5%時，泡沫混凝土漿體的膨脹倍數(shù)增幅較快，但繼續(xù)增加H2O2用量，漿體膨脹倍數(shù)變化不大，反而當(dāng)H2O2用量為9%時，由于氣泡產(chǎn)生速率快、量多，導(dǎo)致漿體發(fā)生塌模，使膨脹倍數(shù)反而縮小。泡沫混凝土的干密度、導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強度變化趨勢與漿體膨脹倍數(shù)變化趨勢相對應(yīng)，即隨著H2O2用量增加，泡沫混凝土的干密度、導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強度先降低后發(fā)生增加。

綜合考慮，當(dāng)建筑垃圾與礦渣質(zhì)量比為5∶7，激發(fā)劑用量為15%，H2O2用量為5%時，泡沫混凝土綜合性能最佳，干密度為298 kg/m3，抗壓強度為1.26 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.075 W/（m·K）。

3　結(jié)論

（1）隨著建筑垃圾與礦渣質(zhì)量比增大，泡沫混凝土的干密度、抗壓強度逐漸降低，導(dǎo)熱系數(shù)則先下降后略有上升。

（2）隨激發(fā)劑用量增加，泡沫混凝土的干密度、導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，抗壓強度先升高后降低。

（3）隨H2O2用量增加，泡沫混凝土的干密度、導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強度先降低后增大。

[1]于艷萍.村鎮(zhèn)建筑垃圾再生混凝土磚的物理力學(xué)性能研究[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2011.

[2]梁樹力.基于建筑垃圾的保溫節(jié)能材料的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[3]王雪.廢磚制備新型輕質(zhì)墻體材料的實驗研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2009.

[4]Rashad A M.A comprehensive overview about the influence of different additives on the properties of alkali-activated slag-a guide for civil engineer[J].Constr.Build.Mater.，2013，47：29-55.

[5]Nazari A，Sanjayan J G.Synthesis of geopolymer from industrial wastes[J].J.Clean.Prod.，2015，99：297-304.

[6]HuiskesDMA，KeulenA，YuQL，etal.Designand performance evaluation of ultra-lightweight geopolymer concrete [J].Mater.Design，2016，89：516-526.

[7]Posi P，Teerachanwit C，Tanutong C，et al.Lightweight geopolymer concrete containing aggregate from recycle lightweight block[J]. Mater.Design，2013，52：580-586.

[8]Kupaei R H，Alengaram U J，Jumaat M Z B，et al.Mix design for fly ash based oil palm geopolymer lightweight concrete[J]. Constr.Build.Mater.，2013，43：490-496.

[9]Wu H C.，Sum P.New building materials from fly ash-based lightweight inorganic polymer[J].Constr.Build.Mater.，2007，21：211-217.

[10]Hlavácek P，Smilauer V，Skvára F，et al.Inorganic foams made from alkali-activated fly ash：Mechanical，chemical and physical properties[J].J.Eur.Ceram.Soc.，2015，35：703-709.

[11]Sanjayan J G，Nazari A，Chen L，et al.Physical and mechanical properties of lightweight aerated geopolymer[J].Constr.Build. Mater.，2015，79：236-244.

[12]Liu Z，Shao N-n，Qin J-f，et al.Strength and thermal behavior of low weight foam geopolymer using circulating fluidized bedcombustion fly ash[J].J.Cent.South Univ.，2015，22：3633-3640.

[13]蔡安蘭，張長森，劉學(xué)軍，等.建筑垃圾制備泡沫混凝土的研究[J].新型建筑材料，2010，37（9）：30-32.

[14]崔玉理，賀鴻珠.發(fā)泡劑利用率對泡沫混凝土性能研究[J].建筑材料學(xué)報，2015，18（1）：12-16.

[15]Ken P W，Ramli M，Ban C C.An overview on the influence of various factors on the properties of geopolymer concrete de rivedfromindustrialby-products[J].Constr.Build.Mater.，2015，77：370-395.

Study of geopolymer-based foamed concrete prepared from construction waste

WANG Haifeng1，LU Jianlei1，XU Yi1，SHENG Jiansong1，DING Xingeng1，2
（1.Zhejiang California International Nano Systems Institute，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China；2.College of Material Science and Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Using H2O2as foam agent，geopolymer-based foamed concrete were prepared with construction waste and slag as starting materials.The experimental parameters，which affected the dry apparent density，compressive strength and thermal conductivity of foamed concrete were discussed，such as construction waste/slag weight ratio，alkali activator contents and H2O2contents.The foamed concrete exhibits the best properties with dry apparent density of 298 kg/m3，compressive strength of 1.26 MPa and thermal conductivity of 0.075 W/（m·K）when construction waste to slag weight ratio is 5∶7，alkali activator content is 15%，and H2O2content is 5%.

construction waste，foamed concrete，geopolymer，slag

TU528.2

A

1001-702X（2016）10-0073-03

國家科技支撐計劃項目（2014BAL03B01，2014BAL07B02）

2016-03-04

汪海風(fēng)，男，1984年生，安徽安慶人，副研究員，從事固廢處理研究。