玻璃粉-矿渣地聚合物基泡沫混凝土研究

汪海风，刘杰，卢建磊，林州，盛建松，杨辉，2

（1.浙江大学浙江加州国际纳米技术研究院，浙江 杭州 310058；2.浙江大学材料科学与工程学院，浙江 杭州 310027）

玻璃粉-矿渣地聚合物基泡沫混凝土研究

汪海风1，刘杰1，卢建磊1，林州1，盛建松1，杨辉1，2

（1.浙江大学浙江加州国际纳米技术研究院，浙江 杭州 310058；2.浙江大学材料科学与工程学院，浙江 杭州 310027）

以H2O2为发泡剂，以玻璃粉、矿渣、碱激发剂等为原料制备地聚合物基泡沫混凝土。考察碱激发剂模数、玻璃粉/矿渣质量比、碱激发剂用量、H2O2用量等因素对泡沫混凝土干密度、抗压强度和导热系数等性能影响。结果表明：当碱激发剂模数为1.2，玻璃粉/矿渣质量比为10%，碱激发剂用量为15%，H2O2用量为5%时，泡沫混凝土的综合性能最佳，干密度为409.3 kg/m3，抗压强度为1.64 MPa，导热系数为0.088 W/（m·K）。

地聚合物；泡沫混凝土；玻璃粉；矿渣

0 引言

地聚合物是以硅铝质材料为原料，在碱激发剂作用下，常温或低于150℃下合成的一种新型胶凝材料，具有原料来源广、工艺简单、能耗少、环境污染小等优点[1-2]。目前，以地聚合物为胶凝材料，开发轻质保温材料的研究越来越多。如Huiskes D M A等[3]在粉煤灰-矿渣基地聚合物中掺加多孔膨胀玻璃为轻质骨料。Posi P等[4]在粉煤灰基地聚合物中掺加回收轻质骨料。Kupaei R H等[5]在粉煤灰基地聚合中掺加油椰子壳。Wu和Sun[6]通过在粉煤灰-偏高岭土基地聚合物中添加煤胞和EPS，开发出地聚合物基轻质保温材料。另外，除了在地聚合物中掺加轻质骨料，Hlavácek P[7]和Sanjayan J G[8]等在粉煤灰基地聚合物中添加铝粉，通过铝粉发泡，开发出轻质保温材料。而Liu Z等[9]在粉煤灰基地聚合物中添加H2O2，通过其发泡，也开发出轻质保温材料。在地聚合物中掺加轻质骨料，工艺简单，保温材料抗压强度较高，但导热系数和干密度也偏高[3-6]，不能完全满足在现代节能建筑中应用[10]。而在地聚合物中添加铝粉、H2O2化学发泡剂，能制备低干密度、低导热系数的保温材料，但地聚物主要原料为粉煤灰，其存在污染大，产地分布不均等弊端[7-9]。

《中国建筑垃圾资源化产业发展报告（2014年度）》指出，在今后10年，我国平均每年将产生15亿t以上建筑垃圾。建筑垃圾侵占土地资源，污染土壤、大气和水源，影响城市美观，对建筑垃圾进行综合利用日益迫切[11-13]。建筑垃圾包括废弃红砖、混凝土块、陶瓷块、废弃玻璃等。其中玻璃为无定型相，成分以SiO2为主，在碱作用下能参与生成地聚合物。因此，本文以废弃玻璃为原料，复配矿渣制备地聚合物胶凝材料，并通过H2O2发泡和蒸压养护工艺，开发新型地聚合物基泡沫混凝土保温材料。

1 原材料及方法

1.1 原材料

玻璃粉：由废弃玻璃先后经颚式破碎和球磨所得，0.08 mm方孔筛筛余小于3%，化学成分见表1。矿渣：S95级，浙江合力新型建材有限公司，化学成分见表1。碱激发剂：由硅酸钠（工业级，模数m=3.3，桐乡市向阳刨花碱厂）和NaOH（工业级，购自南京米兆化工有限公司）溶于水配制，固含量为35%，模数分别为1.2、1.8和2.5。双氧水：30%，工业级，国药集团。硬脂酸钙：工业级，天津市凯通化学试剂有限公司。

表1 玻璃粉及矿渣的化学成分%

1.2 地聚合物基泡沫混凝土的制备

①往混合机中加入玻璃粉、矿渣、硬脂酸钙等固体粉料，高速搅拌20 min，得均匀粉体；②往混凝土搅拌机中加入碱激发剂和水，搅拌5 min后，加入步骤①得到的混合粉体，高速搅拌5 min，加入双氧水，继续搅拌20 s，得混合浆体；③将混合浆体注入模具中，静置成型，模具表面覆上遮盖物，防止水分挥发太快，导致材料开裂，24 h后脱模，进行蒸压养护（温度150℃，压力0.5 MPa，时间5 h）。

1.3 地聚合物泡沫混凝土的性能测试方法

泡沫混凝土干密度按GB/T 11970—1997《加气混凝土体积密度含水率和吸水率试验方法》进行测试；抗压强度按GB/T 11971—1997《加气混凝土力学性能试验方法》进行测试；导热系数按GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 碱激发剂模数对泡沫混凝土性能的影响

实验中碱激发剂模数分别为1.2、1.8和2.5。发现当碱激发剂模数为1.8时，混凝土在发泡过程中容易隆起，导致其内部出现空腔，而当碱激发剂模数为2.5时，泡沫混凝土一直不硬化，导致不能脱模，不能进行下一步操作。当碱激发剂模数为1.2时，能稳定制备出地聚物基泡沫混凝土，因此实验中碱激发剂模数优选为1.2。

2.2 玻璃粉/矿渣质量比对泡沫混凝土性能的影响

固定碱激发剂用量为15%（碱激发剂中固体质量与玻璃细粉和矿渣质量的和之比，下同），H2O2用量为5%（与玻璃细粉和矿渣质量和之比，下同），考察玻璃粉/矿渣质量比对泡沫混凝土性能的影响，结果见图1、图2。

图1 玻璃粉/矿渣质量比对泡沫混凝土浆体膨胀倍数和干密度的影响

图2 玻璃粉/矿渣质量比对泡沫混凝土抗压强度和导热系数的影响

由图1可见，随玻璃粉/矿渣质量比增大，泡沫混凝土浆体的膨胀倍数呈先减小后增大的趋势，从未掺玻璃粉时的5.0倍降到15%时的3.1倍；而当玻璃粉/矿渣质量比为20%，浆体膨胀倍数有所回升，为4.0倍。泡沫混凝土浆体膨胀倍数与粉体密度和浆料黏度有关，玻璃粉密度比矿渣大，增加其用量，气泡上升阻力增加，浆体膨胀倍数降低，但玻璃粉加入能降低浆体黏度，又有利于气泡膨胀，因此，当其用量为20%时，浆体膨胀倍数又有所回升。泡沫混凝土干密度变化规律与浆体膨胀倍数相对应，即当玻璃粉/矿渣质量比从0增加到15%时，泡沫混凝土的干密度增大，而当玻璃粉/矿渣质量比为20%时，由于浆体膨胀倍数的回升，泡沫混凝土干密度又稍有下降。

由图2可见，随玻璃粉/矿渣质量比的增大，泡沫混凝土的抗压强度先逐渐增强后又开始下降，当玻璃粉/矿渣质量比为10%时，抗压强度最大，为1.64 MPa，较未掺加玻璃粉泡沫混凝土的抗压强度提高30%。玻璃粉为无定型相，易在碱激发剂作用下发生溶解、聚合，生成地聚合物胶凝材料，提高混凝土强度。但随着玻璃粉用量不断增加，由于其不能完全参与反应，剩余物只能起到一般填充物作用，又导致泡沫混凝土抗压强度发生下降。随玻璃粉/矿渣质量比的增加，泡沫混凝土导热系数也呈先增大后降低，当玻璃粉/矿渣质量比为15%时，导热系数最大。

2.3 碱激发剂用量对泡沫混凝土性能的影响

固定玻璃粉/矿渣质量比为10%，H2O2用量为5%，考察碱激发剂用量对泡沫混凝土性能的影响，结果见图3、图4。

图3 碱激发剂用量对泡沫混凝土浆体膨胀倍数及干密度的影响

图4 碱激发剂用量对泡沫混凝土抗压强度及导热系数的影响

由图3、图4可见，随碱激发剂用量增加，泡沫混凝土浆体膨胀倍数逐渐增大，干密度、导热系数逐渐降低，而抗压强度先升高后降低。H2O2在碱性环境中发生反应，生成O2和H2O，O2使地聚合物浆体发生膨胀，并形成气孔结构[14]。实验中当碱激发剂用量增多时，H2O2分解速率加快，产生的气体使浆体很快膨胀起来，并且由于地聚合物浆体硬化快[15]，不发生塌模，所以气孔结构能被保留下来，使得泡沫混凝土的干密度和导热系数逐渐降低。另外，随碱激发剂用量增加，产生胶凝材料量增多，泡沫混凝土的抗压强度提高，但后期由于随泡沫混凝土膨胀倍数增大，体系中气孔结构增多，又使得混凝土的抗压强度下降。

2.4 H2O2用量对泡沫混凝土性能的影响

实验固定碱激发剂模数为1.2、用量为15%，玻璃粉/矿渣质量比为10%，考察H2O2用量对泡沫混凝土性能的影响，结果见图5、图6。

图5 H2O2用量对泡沫混凝土浆体膨胀倍数及干密度的影响

图6 H2O2用量对泡沫混凝土导热系数和抗压强度的影响

由图5、图6可知，当H2O2用量从3%增加到5%时，泡沫混凝土浆体膨胀倍数增幅较快，但继续增加H2O2用量，浆体膨胀倍数变化不大；而当H2O2用量为9%时，由于气泡产生速率快、量多，导致浆体发生塌模，膨胀倍数反而降低。泡沫混凝土的干密度、导热系数及抗压强度的变化趋势与浆体的膨胀倍数变化趋势相对应，即随着H2O2用量的增加，泡沫混凝土的干密度、导热系数及抗压强度呈先降低后增加。

当碱激发剂模数为1.2、用量为15%，玻璃粉/矿渣质量比为10%，H2O2用量为5%时，泡沫混凝土的综合性能最佳，干密度为409.3 kg/m3，抗压强度为1.64 MPa，导热系数为0.088 W/（m·K）。

3 结语

以废弃玻璃粉为原料，复配矿渣制备地聚物材料，并通过H2O2发泡和蒸压养护工艺，开发地聚合物基泡沫混凝土。考察碱激发剂模数、玻璃粉/矿渣质量比、碱激发剂用量和H2O2用量等因素对泡沫混凝土干密度、抗压强度和导热系数影响。

（1）碱激发剂模数优选为1.2，能稳定制备的地聚物基泡沫混凝土。

（2）随玻璃粉/矿渣质量比的增加，泡沫混凝土的干密度、抗压强度、导热系数先升高后降低。

（3）随碱激发剂用量的增加，泡沫混凝土的干密度、导热系数逐渐降低，抗压强度先升高后降低。

（4）随H2O2用量增加，泡沫混凝土的干密度、导热系数及抗压强度先降低后升高。

（5）当碱激发剂模数为1.2、用量为15%，玻璃粉/矿渣质量比为10%，H2O2用量为5%时，泡沫混凝土的综合性能最佳，干密度为409.3 kg/m3，抗压强度为1.64 MPa，导热系数为0.088 W/（m·K）。

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Study on geopolymer foamed concrete based on glass powder-slag

WANG Haifeng1，LIU Jie1，LU Jianlei1，LIN Zhou1，SHENG Jiansong1，YANG Hui1，2
（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 foamed concrete were prepared with glass powder，slag and alkali activator as starting materials.The experimental parameters，which affected the dry apparent density，compressive strength and thermal conductivity of foamed concrete were discussed，such as modulus of alkali activator，glass powder to slag weight ratio，alkali activator contents and H2O2contents.The result exhibits the best properties with dry apparent density of 409.3 kg/m3，compressive strength of 1.64 MPa and thermal conductivity of 0.088 W/（m·K）when modulus of alkali activator is 1.2，glass powder to slag weight ratio is 10%，alkali activator content is 15%，and H2O2content is 5%.

geopolymer，foamed concrete，glass powder，slag

TU528.2

A

1001-702X（2016）12-0076-04

国家科技支撑计划项目（2014BAL03B01）

国家863计划项目（2015AA034701）

2016-07-14

汪海风，男，1984年生，安徽安庆人，副研究员，从事固废处理研究。