建筑垃圾制备地聚合物基泡沫混凝土研究

汪海风，卢建磊，徐意，盛建松，丁新更，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）

建筑垃圾制备地聚合物基泡沫混凝土研究

汪海风1，卢建磊1，徐意1，盛建松1，丁新更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，以建筑垃圾、矿渣等为原料制备地聚合物基泡沫混凝土。考察建筑垃圾/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的影响。结果表明，当建筑垃圾和矿渣质量比为5∶7，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298 kg/m3，抗压强度为1.26 MPa，导热系数为0.075 W/（m·K）。

建筑垃圾；泡沫混凝土；地聚合物；矿渣

0　引言

随着我国经济水平不断提高和城镇化建设不断推进，建筑垃圾产量日益增多。《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[1-3]。

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[4-5]。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等[6]在粉煤灰-矿渣基地聚合物中掺加泡沫玻璃为轻质骨料；Posi等[7]在粉煤灰基地聚合物中掺加回收轻质骨料；Kupaei等[8]在粉煤灰基地聚合中掺加油椰子壳；Wu和Sum[9]在粉煤灰-偏高岭土基地聚合物中添加EPS，开发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等[10]和Sanjayan[11]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等[12]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偏高[6-9]，不能完全满足在现代节能建筑中应用[13]。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，其存在产地分布不均等弊端[10-12]。鉴于此，本文以建筑垃圾为原料，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

（1）建筑垃圾：取自杭州周边农村拆迁房，以烧结黏土砖为主，含有少量废水泥和陶瓷碎片，经颚式破碎机和球磨机破碎，细度为0.08 mm方孔筛筛余小于3%，化学成分见表1。

（2）矿渣：S95级，浙江合力新型建材有限公司，化学成分见表1。

表1　建筑垃圾及矿渣的化学成分%

（3）激发剂：由硅酸钠（工业级，模数m=2.85，购自长兴县耐火陶瓷原料公司）和NaOH（工业级，南京米兆化工有限公司）溶于水配制成，固含量38%，模数m=1.0。

（4）双氧水，工业级，国药集团。

（5）硬脂酸钙：工业级，天津凯通化学试剂有限公司。

1.2地聚合物泡沫混凝土的制备

（1）往混合机中加入建筑垃圾细粉、矿渣、硬质酸钙等固体粉料，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，在温度150℃、压力0.5 MPa蒸压养护5 h。

1.3地聚合物泡沫混凝土的性能测试方法

虽然国内外对普通组合箱梁的温度场和温度效应的研究取得了一定进展[1-3]，但关于钢-混凝土双面组合梁[4-5] 温度场和温度效应的研究文献却甚为罕见[6-7]。

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建筑垃圾与矿渣质量比对泡沫混凝土性能的

影响

固定激发剂用量为15%，H2O2用量为5%，考察建筑垃圾与矿渣质量比对泡沫混凝土性能影响，试验结果见图1、图2。

图1　建筑垃圾与矿渣质量比对泡沫混凝土浆体膨胀倍数及干密度的影响

图2　建筑垃圾与矿渣质量比对泡沫混凝土导热系数及抗压强度的影响

由图1、图2可知，随着建筑垃圾与矿渣质量比从4∶8依次增大到7∶5，泡沫混凝土浆体的膨胀倍数逐渐增大，干密度、抗压强度逐渐降低，而导热系数则先降低后略有上升。建筑垃圾的主要成分为烧结黏土砖，其密度较矿渣低，增加其用量能降低泡沫混凝土的干密度，但由于其与激发剂反应活性低，在体系中主要起填料作用，因此，其用量增加会降低泡沫混凝土的抗压强度。随建筑垃圾与矿渣质量比增大，混凝土浆体膨胀倍数逐渐增大，体系中气孔体积比增大，导热系数下降，但当建筑垃圾与矿渣质量比增大到7∶5时，由于气孔体积比偏大，气孔中裂缝、针眼等缺陷增多，破坏了气孔的密闭性，反而使混凝土导热系数略有升高。

固定建筑垃圾与矿渣质量比为5∶7，H2O2用量为5%，考察激发剂用量对泡沫混凝土性能影响，结果见图3、图4。

图3　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　激发剂用量对泡沫混凝土导热系数及抗压强度的影响

由图3、图4可知，随激发剂用量增加，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]。当激发剂用量增多时，H2O2分解速率加快，产生的气体使浆体很快膨胀，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，使得泡沫混凝土有低的干密度和导热系数。另外，随激发剂用量增加，产生胶凝材料量增多，泡沫混凝土强度提高，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，导致混凝土的抗压强度发生下降。

2.3双氧水用量对泡沫混凝土性能的影响

固定建筑垃圾与矿渣质量比为5∶7，激发剂用量为15%，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，泡沫混凝土浆体的膨胀倍数增幅较快，但继续增加H2O2用量，浆体膨胀倍数变化不大，反而当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，使膨胀倍数反而缩小。泡沫混凝土的干密度、导热系数及抗压强度变化趋势与浆体膨胀倍数变化趋势相对应，即随着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发生增加。

综合考虑，当建筑垃圾与矿渣质量比为5∶7，激发剂用量为15%，H2O2用量为5%时，泡沫混凝土综合性能最佳，干密度为298 kg/m3，抗压强度为1.26 MPa，导热系数为0.075 W/（m·K）。

3　结论

（1）随着建筑垃圾与矿渣质量比增大，泡沫混凝土的干密度、抗压强度逐渐降低，导热系数则先下降后略有上升。

（2）随激发剂用量增加，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。

（3）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增大。

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Study of geopolymer-based foamed concrete prepared from construction waste

WANG Haifeng1，LU Jianlei1，XU Yi1，SHENG Jiansong1，DING Xingeng1，2
（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-based foamed concrete were prepared with construction waste and slag as starting materials.The experimental parameters，which affected the dry apparent density，compressive strength and thermal conductivity of foamed concrete were discussed，such as construction waste/slag weight ratio，alkali activator contents and H2O2contents.The foamed concrete exhibits the best properties with dry apparent density of 298 kg/m3，compressive strength of 1.26 MPa and thermal conductivity of 0.075 W/（m·K）when construction waste to slag weight ratio is 5∶7，alkali activator content is 15%，and H2O2content is 5%.

construction waste，foamed concrete，geopolymer，slag

TU528.2

A

1001-702X（2016）10-0073-03

国家科技支撑计划项目（2014BAL03B01，2014BAL07B02）

2016-03-04

汪海风，男，1984年生，安徽安庆人，副研究员，从事固废处理研究。