王 丹，儲昭勝，羅 楓，姜峰林，黃紹龍

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420; 2.湖北交投智能檢測股份有限公司，武漢 430051;3.廣東首城建設科技有限公司，廣州511400;4.湖北大學材料科學與工程學院，武漢430062)

該文將堿激發(fā)粉煤灰和礦渣作為膠凝材料，開發(fā)出一種節(jié)能、減排、利廢、高強、輕質(zhì)的新型保溫隔熱材料，對建設能源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有極其重要的意義。通過研究粉煤灰摻量、水膠比、激發(fā)劑摻量對泡沫輕質(zhì)土性能的影響，得到堿激發(fā)高強泡沫輕質(zhì)土的配合比。

1 實 驗

1.1 原材料

1)堿激發(fā)膠凝材料：粉煤灰(FA)、礦渣(SL)：其中FA為Ⅰ級，密度 2 800 kg/m3；SL為S95級，密度2 840 kg/m3，主要成分見表1。

表1 堿激發(fā)膠凝材料主要成分 /%

2)發(fā)泡劑：自制堿激發(fā)泡沫輕質(zhì)土專用泡沫劑。

3)減水劑：聚羧酸鹽減水劑。

4)堿激發(fā)劑：氫氧化鈉與水玻璃復合體系，模數(shù)為1.5。

1.2 方法

1)制備過程 首先制備堿激發(fā)粉煤灰和礦渣混合漿體，然后加入泡沫制備泡沫漿體、澆筑成型，1 d后脫模并進行標準養(yǎng)護，最后對抗壓抗折強度、導熱系數(shù)進行測定。具體制備流程圖見圖1。

德國政府關(guān)于提高德國人退休年齡的規(guī)定于2007年推出，明確表示了德國人退休年齡改革將緩慢地逐步由65周歲上調(diào)至67周歲，預計從2012年開始至2029結(jié)束，歷時17年。德國政府規(guī)劃將提升的2周歲退休年齡按照月份計數(shù)，共計24個月，前12個月將在2012年至2024年完成提升，剩余時間則解決剩下的12個月。德國針對不同出生年份的工作者也采取了分層次退休并領(lǐng)取養(yǎng)老金的政策[3]。

2)性能測試 參考標準 GB/T8077—2012《混凝土外加劑均質(zhì)性實驗方法》中水泥凈漿流動度方法測定堿激發(fā)泡沫混凝土漿體的流動性?？箟?、抗折強度是參照標準 JG/T266—2011《泡沫混凝土》進行測試，模具尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，澆模后無需振動，保鮮膜密封；導熱系數(shù)實驗參照標準GB/T10294 的規(guī)定進行測試，試塊尺寸為 40 mm×40 mm×40 mm，在進行測試前應將試塊進行干燥處理?？箖瞿途眯裕涸嚰叽鐬?00 mm×100 mm×100 mm，將試樣放入電熱鼓風干燥箱內(nèi)，溫度設定(60±5)℃，保溫24 h，再(80±5)℃溫度下保溫24 h，最后在(105±5)℃溫度下烘干至恒重。烘干后試樣進行稱取質(zhì)量，然后放入(20±5)℃恒溫水中，水面高出試樣大約30 mm，持續(xù)48 h。取出試樣后，抹去表面水分，放入凍融試驗臺。凍融試驗臺設定為(-20±2)℃凍6 h，然后放入(20±5)℃溫水融化5 h，此為1次凍融循環(huán)，設定循環(huán)次數(shù)15次，用質(zhì)量損失率和抗壓強度損失率評價抗凍耐久性[7]。

1.3 實驗配比

設計濕容重為600 kg/m3。通過計算，其膠凝材料合計420 kg/m3，探究膠凝材料中粉煤灰與礦渣的比例、水膠比、激發(fā)劑摻量對堿激發(fā)泡沫混凝土的性能影響，其實驗配合比見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰摻量對堿激發(fā)泡沫混凝土性能的影響

配合比(1)～(3)區(qū)別在于膠凝材料中，粉煤灰和礦渣的摻量比例不同，這三種配比的泡沫混凝土性能如表3所示。

2.1.1 粉煤灰摻量對流動性的影響

從表3可以看出，混合膠凝材料中，隨著粉煤灰摻量提高，一開始變化不大，超過50%以后，流動性變差。這是因為制備堿激發(fā)泡沫混凝土時，漿體在攪拌及凝結(jié)過程中，由于堿性溶液對粉煤灰、礦渣顆粒的激發(fā)活性使得其顆粒表面電荷不平衡，在分子間作用力及熱運動的作用下使反應過程中產(chǎn)生一些非穩(wěn)定性的可包裹水分的絮凝狀結(jié)構(gòu)，其降低了新拌漿體的流動性[8]。因為礦渣顆粒表面“各向不同性”，所以在攪拌過程中傾向于某一個方向排列可減小漿體的粘度，提高流動性；粉煤灰顆粒表面具有“各向同性”及吸附作用等所構(gòu)成的絮凝結(jié)構(gòu)難以被破壞，隨著粉煤灰摻量的繼續(xù)增大，體系的流動性降低。

2.1.2 粉煤灰摻量對強度的影響

不同粉煤灰摻量下的堿激發(fā)泡沫混凝土7 d抗折、抗壓強度如圖2所示。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰摻量提高，抗折強度變化不大，在0.5MPa左右，但抗壓強度逐漸降低，礦渣的活性要比粉煤灰高并且礦渣里含有更多的鈣，在堿性條件下能迅速與體系中硅酸鈉發(fā)生反應，生成水化硅酸鈣類凝膠(C-A-S-H)為體系提供強度[9]。礦渣不但可以促進鈣產(chǎn)品的形成，而且能加速粉煤灰的反應進程。因此，在常溫條件下，堿激發(fā)泡沫混凝土中粉煤灰摻量越低，強度越高。當粉煤灰摻量在30%，礦渣摻量為70%時，7 d抗壓、抗折強度分別為3.95 MPa和0.49 MPa。

2.1.3 粉煤灰摻量對熱導率的影響

不同粉煤灰摻量下的堿激發(fā)泡沫混凝土熱導率如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增大，熱導率逐漸增大。粉煤灰摻量增加時，堿激發(fā)泡沫混凝土的抗壓強度降低，體系的支撐能力逐漸下降，泡沫在樣品中的分布不均勻，堿激發(fā)泡沫混凝土的熱導率增大。粉煤灰占比在30%時，熱導率為0.13 W/(m·K)。

綜合考慮堿激發(fā)膠凝材料中粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響，實驗得出，粉煤灰最佳摻量為30%。

2.2 水膠比對堿激發(fā)泡沫混凝土性能的影響

配合比(1)、(4)、(5)區(qū)別在于水膠比不同，這三種配比的下的泡沫混凝土性能如表4所示。

2.2.1 水膠比對流動性的影響

從表4中可以看出，隨著水膠比的增大，泡沫混凝土漿體的流動性逐漸增大。水膠比對流動性的影響較大，流動性小，漿體粘度大施工難度大并且容易出現(xiàn)泡沫破裂現(xiàn)象；流動性太大，泡沫與漿體的粘結(jié)力不足，容易出現(xiàn)浮漿現(xiàn)象，所以水膠比需要在一個適宜的范圍。

表4 不同水膠比下的堿激發(fā)泡沫混凝土性能

2.2.2 水膠比對強度的影響

不同水膠比下的堿激發(fā)泡沫混凝土7 d抗折、抗壓強度如圖4所示。從圖4發(fā)現(xiàn)，隨著水膠比增大，堿激發(fā)泡沫混凝土的抗壓強度和抗折強度都呈現(xiàn)增大先升高后降低的趨勢，水膠比為0.45時，抗壓、抗折強度分別為4.37 MPa、0.5 MPa。隨著水灰比的增大，漿體流動性變大，泡沫在漿體中所受阻力減小，更容易分散均勻形成封閉圓滑的孔結(jié)構(gòu)，使堿激發(fā)泡沫混凝土抵抗荷載的能力增強，抗壓強度和抗折強度提高。水灰比超過 0.45 后，過多的水分使?jié){體的稠度降低，連通孔的數(shù)量增加，導致泡沫混凝土強度有所下降。

2.2.3 水膠比對熱導率的影響

不同水膠比下的堿激發(fā)泡沫混凝土熱導率如圖5所示。水膠比增大時，氣泡孔受到的阻力減小，更容易形成封閉的圓滑氣孔導致孔隙率變大，繼而連通孔增多，大孔含量增多，導致熱導率增大。水膠比為0.45時，熱導率為0.14 W/(m·K)。

綜合考慮水膠比對堿激發(fā)泡沫混凝土的影響，水膠比為0.45時，性能最佳。

2.3 激發(fā)劑(水玻璃)摻量對堿激發(fā)泡沫混凝土性能的影響

制備堿激發(fā)泡沫混凝土的過程中使用硅酸鈉、氫氧化鈉等堿性激發(fā)劑，激發(fā)粉煤灰和礦渣的活性，提高強度，同時可以提升漿體的粘度，能夠更好地將氣泡束縛在漿體內(nèi)部，形成大量密閉均勻的氣孔，使泡沫混凝土具有良好的保溫隔熱性能。 該文激發(fā)劑采用水玻璃，模數(shù)為1.5，配合比(4)、(6)、(7)、(8)、(9)主要區(qū)別在于激發(fā)劑摻量不同，其混凝土性能見表5。

表5 不同激發(fā)劑摻量下的堿激發(fā)泡沫混凝土性能

從表5可以看出，配合比(6)因為沒有添加堿激發(fā)劑，粉煤灰和礦粉的活性在攪拌成型過程中沒有發(fā)生化學反應或者很低，導致流動性差，所以不成型試件。隨著激發(fā)劑水玻璃(Na2O)摻量從2%～3.5%提升時，流動性變化不大。7 d抗壓抗折、熱導率變化趨勢分別見圖6、圖7。

從圖6中可以看出，隨著激發(fā)劑摻量提高，抗壓、抗折強度均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，激發(fā)劑摻量在3%時，抗壓、抗折強度分別為4.37、0.5 MPa。這是因為一開始隨著堿性激發(fā)劑(Na2O)摻量提高，礦渣/粉煤灰反應產(chǎn)物的聚合度逐漸增大，硬化后的結(jié)構(gòu)密實，強度得以提高。但Na2O 超量后，Na+在原材料的表面發(fā)生鈍化反應，阻礙后期形成致密網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，同時，過量堿環(huán)境與空氣中的 CO2發(fā)生反應生成碳酸鹽，這將增大內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性及缺陷度，導致試件強度降低。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著Na2O摻量提高，熱導率一開始變化不大，隨后呈上升趨勢，摻量3%時，熱導率為0.14 W/(m·K)。綜合分析，激發(fā)劑的最佳摻量為3%。

2.4 抗凍耐久性驗證

2.1～2.3節(jié)探討了不同因素對堿激發(fā)泡沫輕質(zhì)土的性能影響，最終確定最佳配合比為(4)，本小節(jié)以此配合比制備試件，測試抗凍耐久性，其結(jié)果如表6所示。

表6 抗凍性能測試結(jié)果

由表6可知，堿激發(fā)泡沫混凝土經(jīng)過抗凍性檢測，質(zhì)量平均損失率為2.1%，小于3%；抗壓強度損失率為2.4%，小于4%，具有良好的抗凍能力。水玻璃作為激發(fā)劑可以提高粉煤灰和礦渣的活性，提升水化進度，提高抗壓強度和抗凍性能。

3 結(jié) 論

a.隨著粉煤灰摻量提高，流動性后期會變差，強度逐漸降低，熱導率逐漸增大，綜合考慮，粉煤灰最佳摻量為30%。

b.隨著水膠比增大，流動性逐漸變大，強度呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，熱導率逐漸增大。綜合考慮，水膠比選擇0.45。

c.激發(fā)劑摻量增大，流動性變化不大，強度呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，熱導率逐漸增大。綜合考慮，激發(fā)劑最佳摻量為3%。

d.堿激發(fā)高強泡沫輕質(zhì)土的最佳配比：復合膠凝材料中粉煤灰和礦渣占比為30%和70%、水膠比選擇0.45、激發(fā)劑摻量是3%；此時的泡沫輕質(zhì)土抗壓、抗折強度分別為4.37 MPa、0.5 MPa，熱導率為0.14 W/(m·K)，強度高，保溫效果好，并具有良好的抗凍融能力。