地聚物泡沫混凝土的研究与应用

2020-03-10张佳康苏岳威王俊祥吕宪俊

硅酸盐通报 2020年5期

张佳康，苏岳威，姚耿，吴蓬，王俊祥，吕宪俊

(山东科技大学化学与环境工程学院，青岛 266590)

0 引言

泡沫混凝土作为一种绿色节能建筑材料，具有吸声保温、节能利废、轻质高强、吸能防爆等优异性能，实际应用中采用泡沫混凝土可以有效减少建筑结构自重，提高构件承载能力，降低人工成本[1]。然而泡沫混凝土强度低、耐久性差等问题成为限制其大宗利用的一个重要因素[2-3]。目前，泡沫混凝土制备所需要的胶凝材料主要为普硅水泥，普硅水泥的制备过程中生料粉磨和熟料煅烧两个阶段存在污染严重、能源消耗大等弊端，在使用过程中还存在耐久性差、使用寿命短等问题，这使得人们亟需一种更为低碳环保的胶凝材料替代水泥。地聚物材料是硅酸盐水泥的重要替代品之一，其定义为富含硅铝的原料(偏高岭土、粉煤灰、矿渣等)与碱激发剂反应生成的一种硅铝酸盐胶凝材料，地聚物材料在机械性能、耐久性等方面比传统硅酸盐水泥基材料更为优异，是一种新型绿色胶凝材料[4]。

地聚物泡沫混凝土(Geopolymer Foamed Concrete,GFC)是以地聚物技术为基础，采用物理发泡或化学发泡的方式将气泡引入地聚物料浆中制备的一种新型无机多孔材料。GFC结合了地聚物材料和泡沫混凝土的优势，既具有传统泡沫混凝土节能利废、保温隔热、吸能防爆等优点，又因地聚物材料高强、耐热、耐腐蚀的特性被赋予了优异的机械性能和耐腐蚀性能，从而拓宽了泡沫混凝土的应用领域。GFC的原料多为固体废弃物，工艺简单、能耗少、环境污染小，是一种应用前景广阔的绿色节能材料。本文介绍了地聚合物泡沫混凝土的制备工艺及研究现状，并对其实际应用中存在的问题与前景进行了探讨。

1 地聚物泡沫混凝土的研究进展

1.1 发泡工艺

不同的发泡工艺对地聚物泡沫混凝土材料性能有较大影响，按发泡剂性质和发泡方式不同，发泡工艺可分为化学发泡和物理发泡两种[5]。

1.1.1 化学发泡

化学发泡是将化学发泡剂加入到新鲜的地聚物料浆中，使其发生化学反应形成气泡，待地聚物料浆固化后制备地聚物泡沫混凝土。化学发泡剂是指能与碱性溶液反应产生气体或经催化分解产生气体的物质。

化学发泡剂的种类和用量对材料综合性能有较大影响。目前常用的化学发泡剂有铝粉、硅灰、双氧水等。早期的研究中，人们常选用铝粉作为发泡剂。Keawpapasson等[6]以铝粉为发泡剂，偏高岭土为原料，NaOH和Na2SiO3组成的碱溶液为激发剂，制备了不同密度的地聚物泡沫混凝土，并研究了铝粉掺量对其性能的影响，结果表明，当添加0.2%的铝粉时，试样的力学性能得到较大改善，抗压强度达到11.88 MPa。Hajimohammadi[7]认为铝粉的用量和性质会影响地聚物的反应过程，因为它在生成H2气体的同时释放出可溶性铝酸盐。但是发泡过程中铝粉的反应程度较低，难以达到预期的发泡效果，逐渐被产气率高、发泡效果更好的双氧水所代替。陈贤瑞等[8]以双氧水为化学发泡剂制备了干密度为150 kg/m3的超轻泡沫地聚物保温材料，导热系数仅为0.0549 W/(m·K)，具有良好的保温隔热性能。Vaou等[9]研究了双氧水含量对地聚物泡沫混凝土材料导热性能的影响，结果表明，试样的导热系数与双氧水含量成反比。硅灰是近几年出现的一种矿物型化学发泡剂， Homme等[10]利用硅灰中的游离硅能在碱性环境中被水氧化生成氢气的原理，以偏高岭土、硅粉为原料制备了导热系数仅为0.22 W/(m·K)的地聚物泡沫材料，该材料具有作为建筑保温材料的潜力。

1.1.2 物理发泡

物理发泡是通过机械搅拌或压缩空气等方法预先制得泡沫，再将泡沫与地聚物料浆均匀混合来制备地聚物泡沫混凝土。物理发泡剂是指能使其水溶液在机械外力引入空气的情况下，产生大量稳定泡沫的一类物质。

利用物理发泡法制备的材料内部气孔分布均匀，且孔径较为细小，通常用来制备高密度、高强度的地聚物泡沫混凝土材料。Zhang等[11]以F级粉煤灰为原料，利用物理发泡的方法制备出干密度为850～950 kg/m3、抗压强度为4.9 MPa的粉煤灰基地聚物泡沫混凝土。有学者[12]利用物理发泡的方法制备出强度等级可以满足MU20免烧砖标准的泡沫混凝土材料，材料密度仅为1 660 kg/m3，可作为承重材料应用于建材领域。

1.2 硅铝酸盐原料

地聚物泡沫混凝土的制备常采用偏高岭土等天然硅铝质矿物和硅铝含量较高的固体废弃物为硅铝酸盐原料。在早期的地聚物泡沫混凝土研究过程中，常用成分性质较为稳定的偏高岭土来制备地聚物泡沫混凝土，偏高岭土由高活性的无定形硅酸铝组成，其Si-O键和Al-O键在碱性环境中很容易断裂再重组成致密的三维网络结构，所制备的地聚物材料具有优异的保温性能与力学性能[13]。但偏高岭土成本高且不可再生，这限制了其在实际生产中的大规模使用。近年来，粉煤灰、矿渣和尾矿等具有火山灰活性或潜在胶凝活性的固体废弃物逐渐取代偏高岭土成为制备地聚物泡沫混凝土的主要原料。王晴等[14]研究了矿渣和偏高岭土不同比例对地聚物泡沫混凝土性能的影响，当矿渣掺量为80%时，通过扫描电镜发现其地聚物结构为致密的双硅铝长链(-Si-O-Al-O-Si-O-)PSS型结构，材料的比强度(强度密度比)最高。Ibrahim等[15]将粉煤灰、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和碱性溶液混合，并在80 ℃条件下固化24 h制成轻质地聚物砖，密度等级为1 415 kg/m3的试样,抗压强度能达到15.6 MPa，吸水率仅为7.7%。利用固废部分或全部替代偏高岭土，不仅能够降低生产成本，掺加了部分固废的地聚物泡沫混凝土材料综合性能还可以得到显著提升。

近年来，硅藻土、膨润土等具有特殊性能的矿物材料也被用于地聚物泡沫混凝土的制备，得到具有不同性能的材料。Barbara等[16]以硅藻土部分替代偏高岭土制备了硅藻土基泡沫混凝土，研究发现，硅藻土用量由5%增加到50%时，材料的密度降低，机械强度提高，这是因为硅藻土基泡沫混凝土的固结机理由地聚反应转变为硅酸盐缩聚，从而导致了材料力学性能的提升。解悦等[17]研究发现，将钠基膨润土用作掺合料时，泡沫混凝土的孔结构得以改善，并促进了胶凝体系的早期水化程度，试样的7 d强度较空白试样提高了47.4%。

1.3 碱激发剂

在地聚物胶凝体系中，碱金属硅酸盐(硅酸钠、硅酸钾)、氢氧化物(氢氧化钠、氢氧化钾)等都可以作为地质聚合反应的碱激发剂。在激发过程中，碱激发剂起到提供碱性环境的作用，碱性环境下OH-不断攻击硅铝酸盐原料中Si-O键和Al-O键，使原料硅氧网络解体为[SiO4]4-四面体和[AlO4]5-四面体，进而发生缩聚反应生成新的-O-Si-O-Al-O-三维网络结构胶凝材料[18]。不同种类、不同用量的碱激发剂不仅影响材料的聚合程度，还会对材料的孔隙结构、导热系数等性能产生一定影响。

在NaOH激发体系中，激发剂摩尔浓度的变化对材料性能有很大影响。Ibrahim等[15]研究了不同摩尔浓度的NaOH激发剂对粉煤灰基轻质地聚合物机械性能的影响，结果表明，NaOH摩尔浓度的变化会对材料的机械性能产生一定的影响，最佳摩尔浓度为12M，试样吸水性低(7.3%)，密度低(1 440 kg/m3)，强度能达到15.6 MPa。此外，NaOH摩尔浓度的变化还会影响材料的热工性能。Novais等[19]研究了不同摩尔浓度的NaOH激发剂对粉煤灰基地聚物泡沫混凝土热工性能的影响，研究发现较低摩尔浓度的激发剂能够降低试样的导热系数，说明低碱含量的激发剂有利于生产轻质、低导热的保温材料。

相比较NaOH激发体系，水玻璃在激发过程中除了提供碱性环境外，还能提供一定量的活性[SiO4]4-，促进CSH凝胶的生成，是目前最为常用的一种碱激发剂。王晴等[14]以改性钠水玻璃为碱性激发剂，研究了不同模数的激发剂对偏高岭土-矿渣基地聚物泡沫混凝土性能的影响，结果表明，随着水玻璃模数的增加，材料的抗压强度先增大后减小，最佳模数为1.4，材料的比强度能达到5.53×109(N·m)/kg。除了钠水玻璃外，钾水玻璃也是一种良好的碱激发剂。Homme等[10]以硅酸钾和氢氧化钾为复合激发剂，采用硅灰原位发泡的方法制备了偏高岭土基地聚物泡沫混凝土，材料导热系数在0.22～0.24 W/(m·K)之间，可将该材料划分为良好的绝缘体材料。

1.4 纤维

地聚物泡沫混凝土在使用过程中存在干燥收缩较大、抗剪切性能差等问题，为了改善这些问题，可选用纤维作为增强材料。目前在泡沫混凝土工程中常用的是聚丙烯纤维、耐碱玻璃纤维等。

不同种类的纤维会对材料性能产生不同影响。武海轮等[20]研究了不同种类的纤维对泡沫混凝土材料综合性能的影响，聚丙烯纤维和耐碱玻璃纤维的掺入会影响材料的热工性能，聚丙烯纤维能够大幅降低材料的导热系数，而耐碱玻璃纤维的掺入会对材料的保温性能产生不利影响；玄武岩纤维能够显著提高泡沫混凝土的机械强度，当掺加0.12%的玄武岩纤维时，材料的抗弯强度较空白试样提升了40%。Dawood等[21]研究了不同种类纤维对地聚物泡沫混凝土弹性模量的影响，研究表明,玻璃纤维的加入能够提高其弹性模量，掺加 0.6%玻璃纤维时弹性模量比参比组提高约48.8%，而聚丙烯纤维则降低了泡沫混凝土的弹性模量。此外，程新等[22]利用玄武岩纤维来改善泡沫混凝土干燥收缩现象，当添加0.3%的长度为10 mm的玄武岩纤维时，试样的干燥收缩问题得到有效改善。也有研究人员将天然植物纤维材料用于材料中，制备出力学性能优良的地聚物泡沫混凝土。Mydin等[23]将碱处理后的椰子纤维掺入到泡沫混凝土中，研究结果表明碱处理后的椰子纤维表面粗糙程度提高，增强了纤维与胶凝材料之间的连接程度，进而增强了试样的抗压强度与抗折强度。

2 地聚物泡沫混凝土的特性及应用现状

2.1 保温隔热材料

地聚物泡沫混凝土的多孔结构赋予其优异的保温隔热性能，温度在这些孔洞中传递时被逐层削弱，大大降低了材料的导热系数，从而达到保温隔热的作用[3]。同时地聚物材料致密的三维网络结构又使地聚物泡沫混凝土具有优异的的机械性能和耐久性能，克服了传统泡沫混凝土保温材料强度低、耐久性差等问题。

Liu等[24]以低钙粉煤灰(FA)和棕榈油燃料灰(POFA)为胶凝材料，油棕榈壳(OPS)为轻质粗集料(LWA)制备了密度为1 300 kg/m3的油棕榈壳泡沫地聚物混凝土，其导热系数仅为0.47 W/(m·K)，分别比传统墙体材料砌块和砖低22%和48%。Novais等[25]以粉煤灰和偏高岭土为原料，通过化学发泡的方式制备出导热系数为0.107 W/(m·K)的地聚物泡沫混凝土，黄涛等[26]同样以粉煤灰和偏高岭土为原料，以物理发泡的方式制备轻质地聚物保温材料，制得同等密度级保温材料的导热系数为0.107 W/(m·K)，这说明原料性质是影响地聚物泡沫混凝土材料保温性能的一个重要因素。地聚物材料优异的机械性能和耐久性能使得地聚物泡沫混凝土在满足保温性能的同时还可以延伸出其他应用。有学者[27]利用化学发泡的方法制备出的高性能粉煤灰基地聚物泡沫混凝土，导热系数在0.077～0.087 W/(m·K)之间，抗压强度能达到19 MPa，可用做承载-保温结构一体化建筑材料。

2.2 吸声隔音材料

地聚物泡沫混凝土内部含有大量的微小孔洞，这使得声波进入到材料内部后在孔洞之间不断反射，受到空气分子摩擦和粘滞阻力作用，部分声能转化为热能，从而达到吸声隔音的效果。

Mastali[28]经研究发现矿渣基地聚物泡沫混凝土的声学性能与密度呈线性关系，通过降低密度可以改善其吸声性能，密度在550～1 500 kg/m3范围内的矿渣基地聚物泡沫混凝土在中、高频区平均吸声系数大于0.5，吸声效果远优于水泥基泡沫混凝土。除了控制材料密度外，还可以通过调整地聚物泡沫混凝土的部分工艺参数来优化材料的吸声性能。谢辉等[29]研究了碱当量对矿渣基地聚物泡沫混凝土声学性能的影响，研究结果表明,随着碱当量的提高，材料在50～1 600 Hz的平均吸声系数提高。潘志华等[30]利用复合引发剂制备出一种新型泡沫混凝土吸声材料，增加了其内部连通孔的数量，进而增强了其吸声性能，吸声系数大于0.6，吸声性能优异。

2.3 吸能防护材料

地聚物泡沫混凝土的多孔构造使其能够很好地吸收和分散外部的冲击，较高的抗变形能力和低弹性模量使其成为一种新型吸能防护材料。与其他吸能材料相比，地聚物泡沫混凝土具有制备工艺简单、生产成本低等优点，这种性能使其在军事工程、车辆飞机拦阻系统以及防爆抗爆等领域得到广泛应用[2]。

冯明德等[31]研究发现，泡沫混凝土的吸能效果与密度呈反比，当泡沫混凝土密度大于600 kg/m3时，材料的吸能效果已不明显。这是因为泡沫混凝土密度越低，孔隙率就越高，能量在材料孔洞间的传递路径就越长，这使得冲击波在孔隙间传递时能消耗掉更多的能量，所以实际应用中多选用低密度泡沫混凝土作为吸能防护材料。高全臣等[32]将低密度泡沫混凝土用于地下防护工程的支护材料中，发现添加低密度泡沫混凝土支护材料的防爆性能显著提升，其临界破坏药量为普通混凝土的1.5倍[33]。

2.4 吸附净化材料

地聚物泡沫混凝土的内部结构是一种稳定的三维网状结构，这种结构类似于沸石结构，内部拥有大量密闭的空腔，这使其对某些金属离子具有一定的吸附固化能力。Davidovits等[4]研究了地聚物对不同金属离子的固化效果，实验结果表明地聚物对Pb、Mn、As等金属离子的固化率均大于90%，固化效果显著。Mallow等[34]的研究解释了地聚物对金属离子的固化机理，研究指出，在地聚物结构的形成过程中，部分金属离子可作为反应物固化于地聚物的结构中，这使其能够更有效的固化金属离子。而且地聚物泡沫混凝土内部有着丰富的孔隙结构，如果通过工艺手段将其内部的闭孔转变成连通孔，那么地聚物泡沫混凝土将有可能用于吸附净化领域[35-36]。

许迎春等[37]通过控制水灰比和发泡剂添加量制备出一种新型透水泡沫混凝土，并利用该材料吸附废水中的Cr3+，实验表明，该透水材料对Cr3+的吸附效率大于90%，吸附容量能达到33.59 mg·g-1，证明开孔泡沫混凝土能够有效吸附Cr3+。Akulov等[38]利用不同密度的泡沫混凝土对模拟原油泄漏进行实验，发现密度为600 kg/m3的泡沫混凝土对泄漏原油的吸附量和吸附效率最高，能够消除90%的泄漏原油，具有优异的吸附性能。