王 霞，卓錦德，季宏偉，董 陽，李 俏，王 珂

(北京低碳清潔能源研究所，北京 102211)

0 引 言

當(dāng)今國內(nèi)外使用的墻體保溫材料主要分為傳統(tǒng)的無機(jī)保溫材料(巖棉、玻璃棉等)和有機(jī)合成保溫材料(聚氨酯、聚苯乙烯)。生產(chǎn)加工的復(fù)雜程度、能源消耗、價(jià)格、長期穩(wěn)定性等方面限制了傳統(tǒng)無機(jī)保溫材料的廣泛使用;與無機(jī)保溫材料相比，有機(jī)合成保溫材料的保溫效果優(yōu)異，如聚苯板和聚氨酯泡沫等材料占據(jù)了中國的墻體保溫材料體系的較大份額，但其火災(zāi)隱患和接連的重大事故造成了人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此現(xiàn)代建筑要求研發(fā)更加安全節(jié)能、綠色環(huán)保、施工方便、經(jīng)濟(jì)可行的新型墻體自保溫材料[1]。

地質(zhì)聚合物(簡稱“地聚物”)作為一種新型膠凝材料，與普通水泥相比，具有更好的耐酸、耐堿、耐高溫性能和更高的抗壓強(qiáng)度，低導(dǎo)熱性，且制備成本低，所以可以制備性能優(yōu)越、價(jià)格低廉的保溫材料。目前以偏高嶺土、礦渣或與粉煤灰復(fù)摻為原料制備地聚物材料的報(bào)道較多，而采用100%粉煤灰作為原料制備地聚物的研究較少，粉煤灰基泡沫礦物聚合物具有節(jié)能、環(huán)保、利廢、降低建筑成本等優(yōu)點(diǎn)。以粉煤灰為原料，利用堿性激發(fā)劑對(duì)其進(jìn)行激發(fā)，并通過化學(xué)或物理方法發(fā)泡，可制備不同容重的發(fā)泡地聚物，既可節(jié)約成本，又可制備強(qiáng)度高、密度可控的無機(jī)多孔材料[2-4]。原材料配方影響粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料性能的因素包括:① 粉煤灰粒徑分布、化學(xué)組分及礦物相;② 水玻璃模數(shù)、固含量和固液比;③ 發(fā)泡劑種類與用量;④ 其他外加劑。制備工藝影響粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料性能的因素[5-9]包括:① 樣品制備方式;② 養(yǎng)護(hù)條件。由于每個(gè)電廠粉煤灰的粒徑分布差異大，需要了解在相同的制備工藝和配方下，不同粒徑分布的粉煤灰對(duì)地聚物發(fā)泡材料性能的影響。本文采用分選出的不同粒徑分級(jí)粉煤灰及其復(fù)配與原粉煤灰進(jìn)行對(duì)比，制備地聚物發(fā)泡材料，討論不同粒徑分布對(duì)地聚物發(fā)泡材料性能的影響，用于取代高耗能的傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的蒸壓加氣混凝土砌塊及保溫材料。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用粉煤灰來自神華集團(tuán)下屬某電廠;30%雙氧水，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;水玻璃，模數(shù)1.6，固含量37%，由工業(yè)液體硅酸鈉(模數(shù)2.4，固含量46%)與分析純NaOH試劑和水調(diào)制而成，北京紅星廣夏化工有限公司;NaOH，分析純>96%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 原材料性能表征

電廠粉煤灰的主要化學(xué)成分見表1。可以看出，其平均粒徑為31.6 μm，而由北京低碳清潔能源研究所(簡稱“低碳所”)專利分選技術(shù)分選出2種分級(jí)灰(FA-1和FA-2)的平均粒徑分別為29、2.8 μm。因此，分級(jí)灰的化學(xué)成分與原灰相似。

表1 電廠粉煤灰主要化學(xué)成分分析Table 1 Main chemical composition analysis of fly ash %

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用試驗(yàn)設(shè)備包括:攪拌機(jī)，無錫建儀儀器機(jī)械有限公司;保溫材料強(qiáng)度測試儀，天津英貝爾科技發(fā)展有限公司;水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，無錫建儀儀器機(jī)械有限公司。

粉煤灰性能測試(化學(xué)成分、微觀形貌、礦物相)所用分析儀器主要包括:Nova Nano SEM 450掃描電子顯微鏡，美國FEI;Scanner Micro CT(SkyScan 1272)，BRUKER;Mastersizer 2000激光粒度分析儀，英國Malvern。

1.4 地聚物發(fā)泡的制作流程

采用化學(xué)發(fā)泡法制備泡沫地聚物，制備步驟[10-13]為:① 原料的預(yù)混合。將粉煤灰、外加劑等混合均勻，得到混合料。② 料漿的制備。將混合料加入到攪拌鍋中，低速攪拌30 s;加入適量水玻璃，高速攪拌3 min制得均勻料漿，料漿的黏度為12 000～20 000 mPa·s。③ 發(fā)泡劑與料漿的拌合。取一定量的雙氧水，低速攪拌狀態(tài)下，緩慢加入至均勻料漿中，然后高速攪拌30 s制得發(fā)泡料漿。④ 注模成型和靜停發(fā)泡。將料漿倒入模具，靜停發(fā)泡，約15 min發(fā)泡完成，放置實(shí)驗(yàn)室中養(yǎng)護(hù)24 h后脫模。

1.5 樣品的養(yǎng)護(hù)及烘干

樣品成型脫模后，放入烘箱，在50 ℃養(yǎng)護(hù)5 d，然后放入常溫養(yǎng)護(hù)箱，到相應(yīng)的齡期后，烘干24 h達(dá)到恒重。

1.6 性能測試

依據(jù)GB/T 10295—2008，使用EKO-HC-074-200導(dǎo)熱測試儀，采用穩(wěn)態(tài)法測定導(dǎo)熱系數(shù);依據(jù) GB/T 11971—1997測試抗壓強(qiáng)度;依據(jù) GB/T 11970—1997測試干密度。

1.7 測試標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)GB 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》進(jìn)行測試，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能見表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 原灰對(duì)地聚物發(fā)泡材料的性能影響

以100% 原灰、一定量水玻璃、不同發(fā)泡劑用量制備不同等級(jí)密度地聚物發(fā)泡材料，測試其干密度及抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表3。

表2 蒸壓加氣混凝土砌塊性能要求Table 2 Performance requirements for autoclavedaerated concrete blocks

表3 原灰制備的不同等級(jí)密度地聚物發(fā)泡材料性能(28 d)Table 3 Properties of geopolymer foam materialsprepared by raw ash(28 d)

從表3可以看出，通過控制發(fā)泡劑用量，采用100%原灰制備不同等級(jí)密度的粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料，樣品的28 d抗壓強(qiáng)度值均低于GB 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標(biāo)準(zhǔn)中不同等級(jí)密度板規(guī)定值(B06抗壓強(qiáng)度平均值≥3.5 MPa;B05抗壓強(qiáng)度平均值≥2.5 MPa;B04抗壓強(qiáng)度平均值≥2.0 MPa;B03抗壓強(qiáng)度平均值≥1.0 MPa)。這是因?yàn)槊旱膩碓?、煤粉粉磨后顆粒粗細(xì)、燃燒爐類型及燃燒溫度等因素的影響，導(dǎo)致煤粉在燃燒過程中生成的粉煤灰粒徑大小不均，粒徑分布范圍較寬，性能不穩(wěn)定;堿激發(fā)時(shí)，火山灰效應(yīng)不能充分發(fā)揮，從而使得28 d抗壓強(qiáng)度值較低。

2.2 分級(jí)粉煤灰對(duì)地聚物發(fā)泡材料的性能影響

低碳所自主開發(fā)的顆粒分選專利技術(shù)，分離出4種分級(jí)灰中的2種分級(jí)灰(FA-1和FA-2)。雖然FA-1與原灰的平均粒徑接近，但其粒徑范圍較窄，品質(zhì)穩(wěn)定，F(xiàn)A-2的平均粒徑比原灰小，在相同的堿激發(fā)條件下，2者的活性比原灰高。在相同的發(fā)泡劑用量(0.85%)下，本文研究了分級(jí)灰及復(fù)配對(duì)地聚物發(fā)泡材料的密度與28 d抗壓強(qiáng)度的影響，并與原灰進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 原灰、分級(jí)灰及其復(fù)配對(duì)地聚物發(fā)泡材料性能影響(28 d)Table 4 Influence of raw ash,grade ash and itscomposite on the properties of geopolymer foammaterials(28 d)

從表4可知，F(xiàn)A-1和FA-2的強(qiáng)度都比原灰高，但FA-1與原灰一樣都無法滿足標(biāo)準(zhǔn)B04的強(qiáng)度要求，但FA-2可以。以FA-2部分取代FA-1，可提高地聚物發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度。采用0.85%發(fā)泡劑，當(dāng)FA-2取代FA-1的量為30%時(shí)，干密度值滿足B04等級(jí)合格品的要求(≤425 kg/m3)，但28 d抗壓強(qiáng)度值仍然無法滿足B04強(qiáng)度等級(jí)要求。相同發(fā)泡劑用量條件下，當(dāng)FA-2取代FA-1的量≥50%時(shí)，干密度和28 d抗壓強(qiáng)度值均滿足B04強(qiáng)度等級(jí)優(yōu)等品的要求(干密度≤400 kg/m3，抗壓強(qiáng)度單值≥1.5 MPa，平均≥2.0 MPa)，隨著超細(xì)灰添加量繼續(xù)增加，性能差別不大。因此，在使用0.85%發(fā)泡劑時(shí)，滿足B04優(yōu)等品密度與強(qiáng)度要求的FA-2與FA-1最小配比為1∶1。

2.3 不同等級(jí)發(fā)泡材料的制備

以50%FA-1+50%FA-2為原料，加入一定量水玻璃、不同發(fā)泡劑用量可制備不同等級(jí)密度的發(fā)泡材料，均滿足GB 11968—2006，結(jié)果見表5。

由表5可知，采用FA-1與FA-2分級(jí)灰，在1∶1的配比下，成功制備了密度可控的B03、B04、B05和B06等級(jí)的發(fā)泡材料，產(chǎn)品干密度和抗壓強(qiáng)度均滿足GB 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》合格品或優(yōu)等品的標(biāo)準(zhǔn)要求，為制備粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料取代高耗能傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的蒸壓加氣混凝土砌塊及其保溫材料提供高強(qiáng)度原材料的途徑。

2.4 粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料的微觀分析

以分級(jí)灰制備的粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料，其干密度、強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)見表6。

表5 不同粒徑分級(jí)灰與發(fā)泡劑用量對(duì)地聚物發(fā)泡性能影響對(duì)比(28 d)Table 5 Influence of different particle size separated fly ash and dosage of foaming agent on geopolymerfoam materials(28 d)

表6 分級(jí)灰制備地聚物發(fā)泡材料性能對(duì)比(28 d)Table 6 Comparison of performance on geopolymer foam materials prepared by separated fly ash(28 d)

圖1 粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料(0.85%發(fā)泡劑)SEM和等效孔徑分布Fig.1 Scanning electron micrograph and the equivalent pore size distribution of fly ash based geopolymer foam materials with 0.85% foaming agent

圖2 粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料(0.65%H2O2)SEM和等效孔徑分布Fig.2 Scanning electron micrograph and the equivalent pore size distribution of fly ash based geopolymer foam materials with 0.65% foaming agent

取不同發(fā)泡程度的發(fā)泡材料(0.85%與0.65%發(fā)泡劑)，利用掃描電鏡，對(duì)粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料進(jìn)行微觀分析，觀察其孔徑分布及大小;采用Micro CT對(duì)粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料進(jìn)行孔隙率、開孔率及閉孔率分析，結(jié)果如圖1、2、表7所示。

從圖1可以得出，粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料(0.85%發(fā)泡劑)孔徑分布均勻，平均孔徑為491.50 μm，孔徑較大，孔的數(shù)量相對(duì)較少，孔壁較厚;采用Micro CT測試得其閉孔率為0.98%，開孔率為72.25%，總孔隙率為73.23%。

從圖2可以得出，粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料(0.65%發(fā)泡劑)孔徑分布均勻，平均孔徑為404.45 μm，孔的數(shù)量明顯增加;其閉孔率為0.69%，開孔率為67.37%，總孔隙率為68.06%。

表7 FA-1與FA-2配比1∶1下的不同發(fā)泡劑用量的發(fā)泡材料干密度與孔隙數(shù)據(jù)對(duì)比Table 7 Comparison of dry density and void data ofgeopolymer foam materials with different dosageof foaming agent in FA-1 and FA-2 with ratio 1∶1

Micro CT測試數(shù)據(jù)顯示，粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料，隨著發(fā)泡劑用量的提高，總孔隙率增大，孔徑變大，孔隙主要以開孔為主;其導(dǎo)熱系數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，是非常好的保溫材料。

3 結(jié) 論

1)原灰的粒徑分布范圍較寬，在堿激發(fā)時(shí)，火山灰效應(yīng)不能充分發(fā)揮，從而使得28 d抗壓強(qiáng)度值較低，無法滿足要求。

2)分級(jí)灰FA-2或FA-1制備的地聚物發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度比原灰高，而其復(fù)配的強(qiáng)度隨FA-2取代FA-1量的增加而增加。

3)采用分級(jí)灰FA-1與FA-2復(fù)配，成功制備了密度可控的B03、B04、B05和B06等級(jí)發(fā)泡材料，其復(fù)配比率不小于1∶1才能滿足強(qiáng)度的要求。

4)在相同條件下，發(fā)泡劑用量越多，粉煤灰基地聚物發(fā)泡材料的干密度越低;Micro CT孔徑數(shù)據(jù)表明，粉煤灰基發(fā)泡材料的平均孔徑越大，總孔隙率、開孔率與閉孔率越高，且以開孔為主，導(dǎo)熱系數(shù)均比較低，是非常好的保溫材料。