碱矿渣加气混凝土制备与性能研究

江 星，姚晓乐，王 磊，杨 凯，杨长辉

(1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045；2.武汉市建筑节能办公室，武汉 430015)



碱矿渣加气混凝土制备与性能研究

江 星1，姚晓乐1，王 磊2，杨 凯1，杨长辉1

(1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045；2.武汉市建筑节能办公室，武汉 430015)

本文以化学发泡方法制备了碱矿渣加气混凝土(AASAC)，研究了其孔结构与宏观性能之间的关系。结果显示：AASAC干密度范围在400～700 kg/m3，其体积吸水率与孔隙率成线性相关性，28 d抗压强度和干燥收缩值随孔隙率增加而减小。加气混凝土断面图像分析结果表明，引入气孔圆度值接近于1以及气孔孔径在100 μm以内的气孔比例越大，混凝土强度越高。

碱矿渣加气混凝土； 化学发泡； 孔结构； 干密度； 干燥收缩

1 引 言

加气混凝土是一种轻质多孔材料，容重范围在300～1800 kg/m3，质轻且保温是其最为突出的优点。目前，市场上主要以粉煤灰、砂或者石粉作为硅质材料制备加气混凝土，近年来，国内外也有大量采用废料或者废渣替代传统石灰基材料生产加气混凝土的报道[1-4]。另外，一般用于生产泡沫混凝土的水泥基材料也可用来生产加气混凝土[5-7]，但鲜有碱矿渣水泥发气技术的研究报道。

碱矿渣水泥是以碱金属化合物激发冶金工业废渣而得到的一种水硬性胶凝材料[8,9]，与传统的硅酸盐水泥相比，碱矿渣水泥具有快速凝结的特点[10-12]，阻碍了其在工程中的推广应用。但是，在加气混凝土的制备过程中碱矿渣水泥可以发挥凝结时间短的优势。黄政宇[8]等研究了硅酸盐水泥与掺硫铝酸盐水泥和碳酸锂的硅酸盐水泥对加气混凝土成型的影响，结果发现，由于硫铝酸盐水泥和碳酸锂的加入缩短了凝结时间，起到防止塌模的作用。张欣[13]等对比不同促凝剂对硅酸盐水泥化学发泡制备加气混凝土的发泡和成型的影响，结果发现，促凝剂A的效果较好，试样无开裂和塌模。杨长辉[14]等采用压缩空气的发泡方式制备出一种新型碱矿渣泡沫混凝土，结果发现，与普通水泥制备的泡沫混凝土相比，碱矿渣泡沫混凝土导热系数相近、抗压强度更高。

本文选取碱矿渣水泥制备AASAC，研究了发气剂、催化剂和稳泡剂对AASAC密度的影响。通过断面图像处理，得到了AASAC的孔结构特性参数，分析比较了孔结构参数与加气混凝土体积吸水率、抗压强度和干缩值的关系。

2 试 验

2.1 原材料

(1)矿渣：重庆钢铁集团生产的水淬高炉矿渣，密度为2.95 g/cm3，比表面积为460 m2/kg，质量系数为1.68，碱性系数为1.07，活性系数为0.37，结晶度为5.88%，矿渣的主要化学成分见表1；

(2)碱组分： NaOH，四川省德阳片碱；钠水玻璃为工业产品，主要物理化学指标见表2，试验中通过加入NaOH将其模数调至1.4；

(3)发泡剂：双氧水，重庆川东化工(集团)有限公司生产，质量分数30%；

(4)催化剂：MnO2，重庆博艺化学试剂有限公司生产，分析纯；

(5)稳泡剂：硬脂酸钙，成都科龙化工试剂厂生产，分析纯。

表1 矿渣化学组成Tab.1 Chemical composition of slag /wt%

表2 钠水玻璃物理化学指标Tab.2 Chemical composition and physical properties of water glass

2.2 AASAC的制备

采用碱矿渣水泥制备加气混凝土，水玻璃作为激发剂，碱当量为7%，溶矿比(水玻璃溶液、水和双氧水的总质量与矿渣质量的比值)为0.54保证浆料稠度利于发气。按照矿渣的质量分数，改变发气剂、催化剂和稳泡剂的掺量，分别为1.7%～4.2%、0%～2.2%和0%～3.3%，具体配合比见表3。

表3 实验配备比设计Tab.3 Mix proportion design /%

续表

AASAC制备方法：(1)按照试验配合比称取各种材料；(2)将矿渣、硬质酸钙、二氧化锰倒入搅拌锅中，干拌3 min；(3)把水玻璃溶液和水混合均匀倒入搅拌锅中，慢速搅拌30 s，再快速搅拌90 s；(4)在高速搅拌的同时加入双氧水，继续快速搅拌30～45 s；(5) 将搅拌均匀的浆料迅速倒入试模，成型100 mm×100 mm×100 mm的试件；(6)试件在标准养护室放置2 d后脱模，并在标准条件下养护至试验龄期。

2.3 测试方法

(1)干密度和抗压强度测试方法

测定试块28 d干密度和抗压强度。具体实验方法参照GB/T11969-2008《蒸汽加气混凝土性能测试方法》。

(2)湿密度测试方式

本文中测试的湿密度指的是试件成型2 d后脱模时的表观密度，通过计算脱模后尺寸为100 mm×100 mm×100 mm试件质量与试件体积的比值得出。

(3)吸水率测试方法

吸水率具体实验方法参照GB/T11969-2008《蒸汽加气混凝土性能测试方法》。体积吸水率根据式(1)计算，精确到0.1%。

W=(M-M0)/(ρv)

(1)

式中：W为试件的体积吸水率，%；M为试件吸水后的质量，kg；M0为试件烘干后的质量，kg；ρ为水的密度， kg/m3;v为试件的体积，m3。

(4)导热系数测试方法

每组导热系数试件由三块试件组成，其尺寸为200 mm×200 mm×60 mm(2块)和200 mm×200 mm×20 mm(1块)。具体测试方法参照GB/T10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》。

(5)孔结构测试方法

试件经过切割、打磨、抛光、清洗，干燥后用30倍读数显微镜直接观测并用数码相机拍照。每块试块在离表面10 mm处和试块中心取3×3=9个检测点。用Photoshop图像处理软件进行黑白二值化处理，再用Image-Pro plus图像分析软件对二值化图像进行分析，用 9 个检测点的分析结果的平均值作为该组试件气孔孔结构的统计结果[15]。

(6)干缩测试方法

试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，具体测试方法参照JGJ70-2009《建筑砂浆基本性能测试方法》。

3 结果与讨论

3.1 双氧水、硬脂酸钙和二氧化锰对AASAC密度的影响

不同掺量的双氧水、硬脂酸钙和二氧化锰对AASAC干密度的影响如图1所示。双氧水对AASAC密度的影响见图1(a)。AASAC的密度随着双氧水掺量的增加而降低。回归分析表明，AASAC的干密度与双氧水的掺量之间成非线性关系，当双氧水掺量低于3.3%时，AASAC干密度随掺量增大降低的幅度较大；当双氧水掺量大于3.3%时，AASAC干密度随掺量增大降低幅度较小。这与漆贵海[16]等和杨洁[17]等的研究结果一致。在AASAC体系中，影响加气混凝土的干密度的主要因素有发气剂、催化剂、稳泡剂、溶矿比、环境温度和溶液的碱度等，在其他因素保持不变的情况下，一定范围内，双氧水增加，发气量增大，因而AASAC的干密度降低。但是，发气量增大的同时会导致搅拌过程中快速形成的大量气泡因搅拌而破灭。另外随着发气量的增大，包裹气泡的水膜以及稳泡剂减少，增大了气泡破灭、串孔和逸出的几率，所以AASAC的干密度和双氧水的掺量之间成非线性关系。

由图1(b)可知，AASAC密度随着硬脂酸钙掺量增大呈现先减小后增大的趋势。当硬质酸钙的掺量为0%时，双氧水加入后出现了大量气泡逸出、破泡的现象，最终浆料未能发气胀大；当硬质酸钙掺量为1.7%时，AASAC的干密度最低，为406.9 kg/m3，和硬质酸钙掺量为0.8%、干密度为501.6 kg/m3的加气混凝土相比，干密度降低了18.9%。继续增大硬质酸钙的掺量，AASAC的干密度从406.9 kg/m3增加到474.7 kg/m3，增幅为16.7%。可见，硬质酸钙对AASAC的成型和密度影响显著。硬脂酸钙为固体粉末，易吸附在气泡的表面，降低气泡的表面能，从而起到稳定气泡的作用[18]。此外，硬脂酸钙加入后能增加浆料的整体粘度和期限剪切应力，保证气泡上浮速度极小，使小气泡不易合并成大气泡，并使其不易逸出浆料表面[19]。所以，在保证气泡稳定性、气泡内压力大于浆料极限剪切应力和浆料自重的条件下，AASAC的密度随硬脂酸钙掺量的增加而减小。当硬质酸钙掺量过大时造成浆料的极限剪切应力较大时，将不利于浆体发气，则试件的密度增大。

图1 不同参数的掺量对AASAC密度的影响(a)H2O2;(b)calcium stearate;(c)MnO2Fig.1 The effect of the dosage of different parameters on density of AASAC

图1(c)反映了催化剂对AASAC密度的影响，从图中可以看出：AASAC的密度随MnO2掺量的增加先减小后增大，这和黄政宇[8]等采用KMnO4作为激发剂得出的结果一致。当MnO2掺量为0.8%时，干密度最低，为429.4 kg/m3。当不掺二氧化锰时，浆料也能发气，双氧水掺量为2.5%可制得干密度为682.5 kg/m3的AASAC。双氧水分解速率受温度、pH值、催化剂的影响。模数为1.4的水玻璃溶液的pH值在13～14之间[20]，伴随着矿渣的水化放热使浆料温度升高，双氧水加入后即可分解，所以不掺催化剂也能发气。加入催化剂可使双氧水分解速率增大，利于干密度减小。催化剂掺量较大时，单位体积内催化剂浓度增大，气源数目增多，造成发气过于迅速，导致在搅拌阶段气泡破灭的数量增加以及大量气泡的逸出，随之干密度增大。

3.2 孔结构与宏观性能研究

依据前文的研究，仅改变双氧水的掺量制备出四种密度等级的AASAC，即400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3、700 kg/m3，研究了AASAC的孔结构与宏观性能之间的关系，实验配合比见表4。

表4 不同密度等级配备比设计Tab.4 Mix proportion design of different density /%

3.2.1 孔结构分析

不同密度等级的AASAC的断面二值化图、孔径频率分布直方图和孔结构参数如图2所示。由图可知，随着加气混凝土密度的增加，相同分析面积内孔数目增加，即孔密度增大。另外，气泡的平均孔径和试件的孔隙率随密度的增加而增大。从孔径频率分布直方图可以看出随着密度的增加，AASAC孔径小于100 μm的孔所占的比例在增加，孔径大于100 μm的孔所占的比例在减小，说明密度越大的AASAC大孔比例越大。高密度的AASAC双氧水的掺量小，生成的气体少，细小气泡融合成大泡的概率低，所以造成孔密度和孔隙率低、平均孔径大且大孔所占比例少。

图2 AASAC断面二值化图、孔径频率分布直方图及孔结构参数(a)D400;(b)D500;(c)D600;(d)D700Fig.2 Binary images of AASAC together with the frequency distribution diagrams and the pore structure parameters of the bubbles

3.2.2 孔结构对强度和体积吸水率影响研究

图3 AASAC孔隙率与强度和体积吸水率之间的关系Fig.3 Water absorption and compressive strength with porosity of AASAC

图4 不同密度等级AASAC的气孔圆度值频率分布直方图Fig.4 Frequency distribution diagrams of roundness with density of AASAC

孔隙率和强度、体积吸水率之间的关系如图3所示。从图中可以看出AASAC的抗压强度和体积吸水率均随孔隙率的增加而减小。通过回归曲线可以发现：AASAC体积吸水率与孔隙率线性相关(相关系数R=0.98)，抗压强度随着孔隙率的增加以指数级降低(相关系数R=0.99)，这与文献[21]的研究结果相同。试件与水接触后，毛细吸力是水在孔中传递的主要方式，大孔体积的增加使孔隙率增加[21]，从而减小了孔壁的厚度，存在于孔壁上的毛细孔的体积减小，相应的吸收的水的质量减少，表现为孔隙率较大的AASAC体积吸水率小。加气混凝土的抗压强度随孔径的增大而减小[22]，并且不规则孔对强度有负面影响，从图2、图4可知随着密度的增加，AASAC的平均孔径减小、气孔圆度值在1～1.5的比例增加，此外，孔壁厚度的增加提高了抵抗荷载的能力，以上三个因素是强度提高的主要原因。

3.2.3 孔结构对干缩影响研究

如图5所示，随着孔隙率增加，AASAC的干燥收缩逐渐减小，文献[23,24]发现加气混凝土的干燥收缩随密度的减小而减小，与本文得出的结果一致。加气混凝土的收缩主要受孔结构和孔壁水化产物本身性能的影响，仅改变双氧水掺量制备的不同密度等级加气混凝土的水化产物相同，影响其收缩的主要归因于孔结构的差异。Tada[23]等指出加气混凝土的孔隙率越高，孔壁厚度及浆体的体积越小，固产生的收缩越小是必然的。

图5 AASAC孔隙率与干缩的关系Fig.5 Variation of dry shrinkage with porosity of AASAC

4 结 论

(1)AASAC的制备过程中，发气剂、稳泡剂和催化剂对密度的影响显著。随着双氧水掺量的增加，密度以非线性方式降低；随着稳泡剂和催化剂掺量的增加，密度先降低后增加；

(2)AASAC的孔结构与宏观性能之间相关性明显：随着孔隙率的增加，抗压强度、体积吸水率和干燥收缩降低。

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Preparation and Properties of Alkali-activated Slag Aerated Concrete

JIANGXing1,YAOXiao-le1,WANGLei2,YANGKai1,YANGChang-hui1

(1.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;2.Building Energy Conservation Office,Wuhan 430015,China)

This paper prepared alkali-activated slag aerated concrete(AASAC) by chemical foaming,the relationship between pore structure and the macroscopic properties were investigated.It is found that the alkali-activated slag aerated concrete with dry bulk density level between 400 kg/m3to 700 kg/m3,the water absorption with porosity had linear correlation,its 28 d compressive strength and dry shrinkage decreased with porosity.The section of AASAC were determined by image process and analysis software,the results showed that the more pore with roundness colse to 1 and pore aperture is less than 100 μm,the higher the concrete strength.

alkali-activated slag aerated concrete;chemical foaming;pore structure;dry bulk density;dry shrinkage

重庆市建委(城科字2012第6-6号)

江 星(1991-)，男，硕士研究生.主要从事碱性胶凝材料与混凝土方面研究.

杨长辉，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3229-06