何成壽

（廈門市建筑廢土站， 福建 廈門 361004）

地聚物是以鋁硅酸鹽或工業(yè)廢棄物為原料，以硅酸鈉和氫氧化鈉為激發(fā)劑制備而成的一種硅氧四面體[SiO4]4-和鋁氧四面體[AlO4]2-結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無機(jī)膠凝材料[1-2]。與硅酸鹽水泥相比，其有著原料易得、工藝簡(jiǎn)單、能耗低、早強(qiáng)快硬、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。因此，地聚物在耐熱保溫材料、核廢料處理、重金屬離子固定等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[3-4]。本文以礦渣-粉煤灰地聚物為基礎(chǔ)，以雙氧水為發(fā)泡劑，研究發(fā)泡劑不同摻量下地聚物的性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 粉煤灰

選用福建同益公司粉煤灰，其化學(xué)組成如表1 所示。

表1 化學(xué)組成（%）

1.1.2 礦渣

選用自天津北辰某工廠，其主要化學(xué)組成如表2所示。

表2 主要氧化物含量（%）

1.1.3 堿性激發(fā)劑

氫氧化鈉采用大茂公司分析純化學(xué)試劑，白色顆粒固體。液體硅酸鈉采用優(yōu)索化工公司分析純化學(xué)試劑，呈黏稠狀，模數(shù)為3.3。本試驗(yàn)Na2O/SiO2之比采用水玻璃進(jìn)行調(diào)節(jié)，水玻璃溶液模數(shù)為1.6。

1.1.4 發(fā)泡劑

選用質(zhì)量濃度為30%的雙氧水為發(fā)泡劑。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行，如表3 所示。

表3 試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

粉煤灰、礦渣在攪拌鍋中混合均勻，倒入堿激發(fā)劑溶液，快速攪拌2min，加入發(fā)泡劑快速攪拌30s 后，將漿料倒入模具中（50mm×30mm×30mm 長(zhǎng)方體試塊），置室溫發(fā)泡24h 后，抹平試塊表面、脫模置60℃干燥箱中養(yǎng)護(hù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑摻量對(duì)地聚物干密度的影響

圖1 發(fā)泡劑摻量對(duì)地聚物干密度的影響

由圖1 可知，隨著發(fā)泡劑摻量的增加地聚物的干密度逐漸減少。當(dāng)發(fā)泡劑摻量從3.0%增加到5.0%時(shí)，地聚物的干密度下降了13.8%，減小為0.6291g/cm3。隨著發(fā)泡劑摻量的增多，氣體產(chǎn)生量也隨之增加，氣體逸出留下的氣孔就會(huì)越多，進(jìn)而形成輕質(zhì)多孔的地聚物。

2.2 發(fā)泡劑摻量對(duì)地聚物抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)研究了地聚物在齡期1d、3d 和7d 的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 發(fā)泡劑摻量對(duì)地聚物抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2 可知，當(dāng)齡期一定時(shí)，發(fā)泡地聚物的抗壓強(qiáng)度隨著發(fā)泡劑摻量的增多逐漸減??；當(dāng)發(fā)泡劑摻量一定時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加發(fā)泡地聚物的抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)：

（1）當(dāng)齡期為1d 時(shí)，發(fā)泡地聚物的抗壓強(qiáng)度從3.71MPa 下降到了3.08MPa，下降了17%；當(dāng)齡期為3d時(shí)，抗壓強(qiáng)度從4.04MPa下降到了3.13MPa，下降了22.5%；當(dāng)齡期為7d 時(shí)，抗壓強(qiáng)度從3.52MPa 下降到了2.81MPa，下降了20.2%。發(fā)泡劑摻量越多，其分解產(chǎn)生氣體就越多，留下的氣孔也就越多，在限定的體積空間內(nèi)，將使得孔壁越薄，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度越小。

（2）當(dāng)發(fā)泡劑摻量一定時(shí)，齡期3d 的發(fā)泡地聚物抗壓強(qiáng)度大于齡期1d 的，由于硅鋁酸鹽聚合反應(yīng)時(shí)，非晶相在強(qiáng)堿作用下，形成富硅、富鋁低聚體，并進(jìn)一步發(fā)生縮聚反應(yīng)形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故抗壓強(qiáng)度有所增加；但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度開始減小，因?yàn)殚L(zhǎng)期干燥下，結(jié)晶體會(huì)失去結(jié)晶水，在材料內(nèi)部形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度開始下降。因此，養(yǎng)護(hù)時(shí)間以3d 為宜。

2.3 發(fā)泡劑摻量對(duì)地聚物孔隙率的影響

圖3發(fā)泡劑摻量對(duì)地聚物孔隙率的影響

從圖3 可知，隨著發(fā)泡劑摻量的增加，孔隙率逐漸增大。發(fā)泡劑摻量從3.0%增加到5.0%時(shí)，孔隙率從63.2%增長(zhǎng)到84.1%。由于發(fā)泡劑摻量在堿性環(huán)境下分解成氧氣，并固化在漿體中，增加試塊的孔隙率，摻量從3.0%增加到3.5%尤為明顯，孔隙率增加了20.6%，但隨著摻量持續(xù)增加，孔隙率增速放緩。

2.4 發(fā)泡地聚物的抗壓強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系

常用于描述多孔材料抗壓強(qiáng)度與孔隙率關(guān)系的主要有以下3 個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式[5]:

式中：fc為多孔材料的抗壓強(qiáng)度；fc,0為材料假設(shè)的孔隙率為零時(shí)的抗壓強(qiáng)度；P 為孔隙率；P0為假設(shè)強(qiáng)度降低為零時(shí)的孔隙率；n、kS、kH為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

圖4 3d抗壓強(qiáng)度與孔隙率的擬合結(jié)果

圖4 為發(fā)泡地聚物齡期為3d 時(shí)抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間用上述3 個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式擬合的結(jié)果，三種擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，即這三種模型擬合抗壓強(qiáng)度與孔隙率具有較高的相關(guān)性，其中多項(xiàng)式擬合結(jié)果最優(yōu)， R2達(dá)到了0.99。

3 結(jié)論

1.隨著發(fā)泡劑摻量的增加，發(fā)泡地聚物的干密度呈逐漸減少的趨勢(shì)，而孔隙率逐漸增大。當(dāng)發(fā)泡劑的摻量從3.0%增加到5.0%時(shí)，孔隙率從63.2%增長(zhǎng)到84.1%，但隨著摻量持續(xù)增加，孔隙率增速放緩。

2.齡期一定時(shí)，發(fā)泡地聚物的抗壓強(qiáng)度隨著發(fā)泡劑摻量的增多逐漸減小。發(fā)泡劑摻量一定時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加發(fā)泡地聚物的抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。

3.通過擬合發(fā)現(xiàn)，抗壓強(qiáng)度和孔隙率滿足多項(xiàng)式擬合關(guān)系，公式為y=-0.00162x2+0.19342x-1.7049，相關(guān)系數(shù)R2=0.99。