張佳康，蘇岳威，姚 耿，吳 蓬，王俊祥，呂憲俊

(山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，青島 266590)

0 引 言

泡沫混凝土作為一種綠色節(jié)能建筑材料，具有吸聲保溫、節(jié)能利廢、輕質(zhì)高強、吸能防爆等優(yōu)異性能，實際應(yīng)用中采用泡沫混凝土可以有效減少建筑結(jié)構(gòu)自重，提高構(gòu)件承載能力，降低人工成本[1]。然而泡沫混凝土強度低、耐久性差等問題成為限制其大宗利用的一個重要因素[2-3]。目前，泡沫混凝土制備所需要的膠凝材料主要為普硅水泥，普硅水泥的制備過程中生料粉磨和熟料煅燒兩個階段存在污染嚴重、能源消耗大等弊端，在使用過程中還存在耐久性差、使用壽命短等問題，這使得人們亟需一種更為低碳環(huán)保的膠凝材料替代水泥。地聚物材料是硅酸鹽水泥的重要替代品之一，其定義為富含硅鋁的原料(偏高嶺土、粉煤灰、礦渣等)與堿激發(fā)劑反應(yīng)生成的一種硅鋁酸鹽膠凝材料，地聚物材料在機械性能、耐久性等方面比傳統(tǒng)硅酸鹽水泥基材料更為優(yōu)異，是一種新型綠色膠凝材料[4]。

地聚物泡沫混凝土(Geopolymer Foamed Concrete,GFC)是以地聚物技術(shù)為基礎(chǔ)，采用物理發(fā)泡或化學(xué)發(fā)泡的方式將氣泡引入地聚物料漿中制備的一種新型無機多孔材料。GFC結(jié)合了地聚物材料和泡沫混凝土的優(yōu)勢，既具有傳統(tǒng)泡沫混凝土節(jié)能利廢、保溫隔熱、吸能防爆等優(yōu)點，又因地聚物材料高強、耐熱、耐腐蝕的特性被賦予了優(yōu)異的機械性能和耐腐蝕性能，從而拓寬了泡沫混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域。GFC的原料多為固體廢棄物，工藝簡單、能耗少、環(huán)境污染小，是一種應(yīng)用前景廣闊的綠色節(jié)能材料。本文介紹了地聚合物泡沫混凝土的制備工藝及研究現(xiàn)狀，并對其實際應(yīng)用中存在的問題與前景進行了探討。

1 地聚物泡沫混凝土的研究進展

1.1 發(fā)泡工藝

不同的發(fā)泡工藝對地聚物泡沫混凝土材料性能有較大影響，按發(fā)泡劑性質(zhì)和發(fā)泡方式不同，發(fā)泡工藝可分為化學(xué)發(fā)泡和物理發(fā)泡兩種[5]。

1.1.1 化學(xué)發(fā)泡

化學(xué)發(fā)泡是將化學(xué)發(fā)泡劑加入到新鮮的地聚物料漿中，使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氣泡，待地聚物料漿固化后制備地聚物泡沫混凝土?；瘜W(xué)發(fā)泡劑是指能與堿性溶液反應(yīng)產(chǎn)生氣體或經(jīng)催化分解產(chǎn)生氣體的物質(zhì)。

化學(xué)發(fā)泡劑的種類和用量對材料綜合性能有較大影響。目前常用的化學(xué)發(fā)泡劑有鋁粉、硅灰、雙氧水等。早期的研究中，人們常選用鋁粉作為發(fā)泡劑。Keawpapasson等[6]以鋁粉為發(fā)泡劑，偏高嶺土為原料，NaOH和Na2SiO3組成的堿溶液為激發(fā)劑，制備了不同密度的地聚物泡沫混凝土，并研究了鋁粉摻量對其性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)添加0.2%的鋁粉時，試樣的力學(xué)性能得到較大改善，抗壓強度達到11.88 MPa。Hajimohammadi[7]認為鋁粉的用量和性質(zhì)會影響地聚物的反應(yīng)過程，因為它在生成H2氣體的同時釋放出可溶性鋁酸鹽。但是發(fā)泡過程中鋁粉的反應(yīng)程度較低，難以達到預(yù)期的發(fā)泡效果，逐漸被產(chǎn)氣率高、發(fā)泡效果更好的雙氧水所代替。陳賢瑞等[8]以雙氧水為化學(xué)發(fā)泡劑制備了干密度為150 kg/m3的超輕泡沫地聚物保溫材料，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.0549 W/(m·K)，具有良好的保溫隔熱性能。Vaou等[9]研究了雙氧水含量對地聚物泡沫混凝土材料導(dǎo)熱性能的影響，結(jié)果表明，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)與雙氧水含量成反比。硅灰是近幾年出現(xiàn)的一種礦物型化學(xué)發(fā)泡劑， Homme等[10]利用硅灰中的游離硅能在堿性環(huán)境中被水氧化生成氫氣的原理，以偏高嶺土、硅粉為原料制備了導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.22 W/(m·K)的地聚物泡沫材料，該材料具有作為建筑保溫材料的潛力。

1.1.2 物理發(fā)泡

物理發(fā)泡是通過機械攪拌或壓縮空氣等方法預(yù)先制得泡沫，再將泡沫與地聚物料漿均勻混合來制備地聚物泡沫混凝土。物理發(fā)泡劑是指能使其水溶液在機械外力引入空氣的情況下，產(chǎn)生大量穩(wěn)定泡沫的一類物質(zhì)。

利用物理發(fā)泡法制備的材料內(nèi)部氣孔分布均勻，且孔徑較為細小，通常用來制備高密度、高強度的地聚物泡沫混凝土材料。Zhang等[11]以F級粉煤灰為原料，利用物理發(fā)泡的方法制備出干密度為850～950 kg/m3、抗壓強度為4.9 MPa的粉煤灰基地聚物泡沫混凝土。有學(xué)者[12]利用物理發(fā)泡的方法制備出強度等級可以滿足MU20免燒磚標準的泡沫混凝土材料，材料密度僅為1 660 kg/m3，可作為承重材料應(yīng)用于建材領(lǐng)域。

1.2 硅鋁酸鹽原料

地聚物泡沫混凝土的制備常采用偏高嶺土等天然硅鋁質(zhì)礦物和硅鋁含量較高的固體廢棄物為硅鋁酸鹽原料。在早期的地聚物泡沫混凝土研究過程中，常用成分性質(zhì)較為穩(wěn)定的偏高嶺土來制備地聚物泡沫混凝土，偏高嶺土由高活性的無定形硅酸鋁組成，其Si-O鍵和Al-O鍵在堿性環(huán)境中很容易斷裂再重組成致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所制備的地聚物材料具有優(yōu)異的保溫性能與力學(xué)性能[13]。但偏高嶺土成本高且不可再生，這限制了其在實際生產(chǎn)中的大規(guī)模使用。近年來，粉煤灰、礦渣和尾礦等具有火山灰活性或潛在膠凝活性的固體廢棄物逐漸取代偏高嶺土成為制備地聚物泡沫混凝土的主要原料。王晴等[14]研究了礦渣和偏高嶺土不同比例對地聚物泡沫混凝土性能的影響，當(dāng)?shù)V渣摻量為80%時，通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)其地聚物結(jié)構(gòu)為致密的雙硅鋁長鏈(-Si-O-Al-O-Si-O-)PSS型結(jié)構(gòu)，材料的比強度(強度密度比)最高。Ibrahim等[15]將粉煤灰、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉和堿性溶液混合，并在80 ℃條件下固化24 h制成輕質(zhì)地聚物磚，密度等級為1 415 kg/m3的試樣,抗壓強度能達到15.6 MPa，吸水率僅為7.7%。利用固廢部分或全部替代偏高嶺土，不僅能夠降低生產(chǎn)成本，摻加了部分固廢的地聚物泡沫混凝土材料綜合性能還可以得到顯著提升。

近年來，硅藻土、膨潤土等具有特殊性能的礦物材料也被用于地聚物泡沫混凝土的制備，得到具有不同性能的材料。Barbara等[16]以硅藻土部分替代偏高嶺土制備了硅藻土基泡沫混凝土，研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土用量由5%增加到50%時，材料的密度降低，機械強度提高，這是因為硅藻土基泡沫混凝土的固結(jié)機理由地聚反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣杷猁}縮聚，從而導(dǎo)致了材料力學(xué)性能的提升。解悅等[17]研究發(fā)現(xiàn)，將鈉基膨潤土用作摻合料時，泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)得以改善，并促進了膠凝體系的早期水化程度，試樣的7 d強度較空白試樣提高了47.4%。

1.3 堿激發(fā)劑

在地聚物膠凝體系中，堿金屬硅酸鹽(硅酸鈉、硅酸鉀)、氫氧化物(氫氧化鈉、氫氧化鉀)等都可以作為地質(zhì)聚合反應(yīng)的堿激發(fā)劑。在激發(fā)過程中，堿激發(fā)劑起到提供堿性環(huán)境的作用，堿性環(huán)境下OH-不斷攻擊硅鋁酸鹽原料中Si-O鍵和Al-O鍵，使原料硅氧網(wǎng)絡(luò)解體為[SiO4]4-四面體和[AlO4]5-四面體，進而發(fā)生縮聚反應(yīng)生成新的-O-Si-O-Al-O-三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膠凝材料[18]。不同種類、不同用量的堿激發(fā)劑不僅影響材料的聚合程度，還會對材料的孔隙結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱系數(shù)等性能產(chǎn)生一定影響。

在NaOH激發(fā)體系中，激發(fā)劑摩爾濃度的變化對材料性能有很大影響。Ibrahim等[15]研究了不同摩爾濃度的NaOH激發(fā)劑對粉煤灰基輕質(zhì)地聚合物機械性能的影響，結(jié)果表明，NaOH摩爾濃度的變化會對材料的機械性能產(chǎn)生一定的影響，最佳摩爾濃度為12M，試樣吸水性低(7.3%)，密度低(1 440 kg/m3)，強度能達到15.6 MPa。此外，NaOH摩爾濃度的變化還會影響材料的熱工性能。Novais等[19]研究了不同摩爾濃度的NaOH激發(fā)劑對粉煤灰基地聚物泡沫混凝土熱工性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)較低摩爾濃度的激發(fā)劑能夠降低試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，說明低堿含量的激發(fā)劑有利于生產(chǎn)輕質(zhì)、低導(dǎo)熱的保溫材料。

相比較NaOH激發(fā)體系，水玻璃在激發(fā)過程中除了提供堿性環(huán)境外，還能提供一定量的活性[SiO4]4-，促進CSH凝膠的生成，是目前最為常用的一種堿激發(fā)劑。王晴等[14]以改性鈉水玻璃為堿性激發(fā)劑，研究了不同模數(shù)的激發(fā)劑對偏高嶺土-礦渣基地聚物泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果表明，隨著水玻璃模數(shù)的增加，材料的抗壓強度先增大后減小，最佳模數(shù)為1.4，材料的比強度能達到5.53×109(N·m)/kg。除了鈉水玻璃外，鉀水玻璃也是一種良好的堿激發(fā)劑。Homme等[10]以硅酸鉀和氫氧化鉀為復(fù)合激發(fā)劑，采用硅灰原位發(fā)泡的方法制備了偏高嶺土基地聚物泡沫混凝土，材料導(dǎo)熱系數(shù)在0.22～0.24 W/(m·K)之間，可將該材料劃分為良好的絕緣體材料。

1.4 纖 維

地聚物泡沫混凝土在使用過程中存在干燥收縮較大、抗剪切性能差等問題，為了改善這些問題，可選用纖維作為增強材料。目前在泡沫混凝土工程中常用的是聚丙烯纖維、耐堿玻璃纖維等。

不同種類的纖維會對材料性能產(chǎn)生不同影響。武海輪等[20]研究了不同種類的纖維對泡沫混凝土材料綜合性能的影響，聚丙烯纖維和耐堿玻璃纖維的摻入會影響材料的熱工性能，聚丙烯纖維能夠大幅降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)，而耐堿玻璃纖維的摻入會對材料的保溫性能產(chǎn)生不利影響；玄武巖纖維能夠顯著提高泡沫混凝土的機械強度，當(dāng)摻加0.12%的玄武巖纖維時，材料的抗彎強度較空白試樣提升了40%。Dawood等[21]研究了不同種類纖維對地聚物泡沫混凝土彈性模量的影響，研究表明,玻璃纖維的加入能夠提高其彈性模量，摻加 0.6%玻璃纖維時彈性模量比參比組提高約48.8%，而聚丙烯纖維則降低了泡沫混凝土的彈性模量。此外，程新等[22]利用玄武巖纖維來改善泡沫混凝土干燥收縮現(xiàn)象，當(dāng)添加0.3%的長度為10 mm的玄武巖纖維時，試樣的干燥收縮問題得到有效改善。也有研究人員將天然植物纖維材料用于材料中，制備出力學(xué)性能優(yōu)良的地聚物泡沫混凝土。Mydin等[23]將堿處理后的椰子纖維摻入到泡沫混凝土中，研究結(jié)果表明堿處理后的椰子纖維表面粗糙程度提高，增強了纖維與膠凝材料之間的連接程度，進而增強了試樣的抗壓強度與抗折強度。

2 地聚物泡沫混凝土的特性及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 保溫隔熱材料

地聚物泡沫混凝土的多孔結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的保溫隔熱性能，溫度在這些孔洞中傳遞時被逐層削弱，大大降低了材料的導(dǎo)熱系數(shù)，從而達到保溫隔熱的作用[3]。同時地聚物材料致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又使地聚物泡沫混凝土具有優(yōu)異的的機械性能和耐久性能，克服了傳統(tǒng)泡沫混凝土保溫材料強度低、耐久性差等問題。

Liu等[24]以低鈣粉煤灰(FA)和棕櫚油燃料灰(POFA)為膠凝材料，油棕櫚殼(OPS)為輕質(zhì)粗集料(LWA)制備了密度為1 300 kg/m3的油棕櫚殼泡沫地聚物混凝土，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.47 W/(m·K)，分別比傳統(tǒng)墻體材料砌塊和磚低22%和48%。Novais等[25]以粉煤灰和偏高嶺土為原料，通過化學(xué)發(fā)泡的方式制備出導(dǎo)熱系數(shù)為0.107 W/(m·K)的地聚物泡沫混凝土，黃濤等[26]同樣以粉煤灰和偏高嶺土為原料，以物理發(fā)泡的方式制備輕質(zhì)地聚物保溫材料，制得同等密度級保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.107 W/(m·K)，這說明原料性質(zhì)是影響地聚物泡沫混凝土材料保溫性能的一個重要因素。地聚物材料優(yōu)異的機械性能和耐久性能使得地聚物泡沫混凝土在滿足保溫性能的同時還可以延伸出其他應(yīng)用。有學(xué)者[27]利用化學(xué)發(fā)泡的方法制備出的高性能粉煤灰基地聚物泡沫混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)在0.077～0.087 W/(m·K)之間，抗壓強度能達到19 MPa，可用做承載-保溫結(jié)構(gòu)一體化建筑材料。

2.2 吸聲隔音材料

地聚物泡沫混凝土內(nèi)部含有大量的微小孔洞，這使得聲波進入到材料內(nèi)部后在孔洞之間不斷反射，受到空氣分子摩擦和粘滯阻力作用，部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達到吸聲隔音的效果。

Mastali[28]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)礦渣基地聚物泡沫混凝土的聲學(xué)性能與密度呈線性關(guān)系，通過降低密度可以改善其吸聲性能，密度在550～1 500 kg/m3范圍內(nèi)的礦渣基地聚物泡沫混凝土在中、高頻區(qū)平均吸聲系數(shù)大于0.5，吸聲效果遠優(yōu)于水泥基泡沫混凝土。除了控制材料密度外，還可以通過調(diào)整地聚物泡沫混凝土的部分工藝參數(shù)來優(yōu)化材料的吸聲性能。謝輝等[29]研究了堿當(dāng)量對礦渣基地聚物泡沫混凝土聲學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明,隨著堿當(dāng)量的提高，材料在50～1 600 Hz的平均吸聲系數(shù)提高。潘志華等[30]利用復(fù)合引發(fā)劑制備出一種新型泡沫混凝土吸聲材料，增加了其內(nèi)部連通孔的數(shù)量，進而增強了其吸聲性能，吸聲系數(shù)大于0.6，吸聲性能優(yōu)異。

2.3 吸能防護材料

地聚物泡沫混凝土的多孔構(gòu)造使其能夠很好地吸收和分散外部的沖擊，較高的抗變形能力和低彈性模量使其成為一種新型吸能防護材料。與其他吸能材料相比，地聚物泡沫混凝土具有制備工藝簡單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，這種性能使其在軍事工程、車輛飛機攔阻系統(tǒng)以及防爆抗爆等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。

馮明德等[31]研究發(fā)現(xiàn)，泡沫混凝土的吸能效果與密度呈反比，當(dāng)泡沫混凝土密度大于600 kg/m3時，材料的吸能效果已不明顯。這是因為泡沫混凝土密度越低，孔隙率就越高，能量在材料孔洞間的傳遞路徑就越長，這使得沖擊波在孔隙間傳遞時能消耗掉更多的能量，所以實際應(yīng)用中多選用低密度泡沫混凝土作為吸能防護材料。高全臣等[32]將低密度泡沫混凝土用于地下防護工程的支護材料中，發(fā)現(xiàn)添加低密度泡沫混凝土支護材料的防爆性能顯著提升，其臨界破壞藥量為普通混凝土的1.5倍[33]。

2.4 吸附凈化材料

地聚物泡沫混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一種穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)類似于沸石結(jié)構(gòu)，內(nèi)部擁有大量密閉的空腔，這使其對某些金屬離子具有一定的吸附固化能力。Davidovits等[4]研究了地聚物對不同金屬離子的固化效果，實驗結(jié)果表明地聚物對Pb、Mn、As等金屬離子的固化率均大于90%，固化效果顯著。Mallow等[34]的研究解釋了地聚物對金屬離子的固化機理，研究指出，在地聚物結(jié)構(gòu)的形成過程中，部分金屬離子可作為反應(yīng)物固化于地聚物的結(jié)構(gòu)中，這使其能夠更有效的固化金屬離子。而且地聚物泡沫混凝土內(nèi)部有著豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，如果通過工藝手段將其內(nèi)部的閉孔轉(zhuǎn)變成連通孔，那么地聚物泡沫混凝土將有可能用于吸附凈化領(lǐng)域[35-36]。

許迎春等[37]通過控制水灰比和發(fā)泡劑添加量制備出一種新型透水泡沫混凝土，并利用該材料吸附廢水中的Cr3+，實驗表明，該透水材料對Cr3+的吸附效率大于90%，吸附容量能達到33.59 mg·g-1，證明開孔泡沫混凝土能夠有效吸附Cr3+。Akulov等[38]利用不同密度的泡沫混凝土對模擬原油泄漏進行實驗，發(fā)現(xiàn)密度為600 kg/m3的泡沫混凝土對泄漏原油的吸附量和吸附效率最高，能夠消除90%的泄漏原油，具有優(yōu)異的吸附性能。

2.5 存在的問題

制備地聚物泡沫混凝土并不是簡單地復(fù)制現(xiàn)有的水泥基泡沫混凝土生產(chǎn)工藝。存在一些現(xiàn)存和潛在的問題:

(1)目前國內(nèi)外研究人員對于地聚物泡沫混凝土材料的力學(xué)性能、熱工性能以及材料配比的研究較為充分，要滿足實際工程應(yīng)用的要求，還要對材料的水化機理、耐久性、抗震性、流變特性等方面進行大量的研究。

(2)地聚物泡沫混凝土的制備常用水玻璃或NaOH等強堿性激發(fā)劑，不僅成本高，強堿性激發(fā)劑還容易導(dǎo)致材料出現(xiàn)表面開裂的現(xiàn)象，這影響了其推廣和應(yīng)用。因此制備價格低廉、性能優(yōu)異的激發(fā)劑是未來地聚物泡沫混凝土材料的一個研究方向。

(3)國內(nèi)地聚物泡沫混凝土材料的應(yīng)用主要以保溫隔熱材料為主，較為狹窄，未來應(yīng)不斷開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，如高強度結(jié)構(gòu)材料、金屬離子吸附固封材料、透水過濾材料等新興應(yīng)用。

3 結(jié) 語

與傳統(tǒng)泡沫混凝土材料相比，地聚物泡沫混凝土不僅具有吸聲隔熱、吸能抗震、節(jié)能利廢等優(yōu)點，還兼具優(yōu)異的機械性能、耐久性和耐高溫性。將地聚物技術(shù)運用于泡沫混凝土材料的制備過程中，拓寬了泡沫混凝土的應(yīng)用范圍，使其在高強材料、吸附凈化、透水過濾、吸能防護、固核固廢材料和耐高溫材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。