玄武岩废石粉对发泡混凝土性能的影响

郑 海 峰，高 文 元，闫 爽，刘 贵 山，郝 洪 顺

(大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

0 引 言

发泡混凝土又称泡沫混凝土，是通过使用水泥基作为主要胶凝材料，掺和其他矿物作为附加胶凝材料，加入外加剂、水搅拌均匀，再通过发泡剂发泡，浇筑养护而成的轻质混凝土。因为发泡混凝土内部多孔的性质而具有体积密度小、隔热、吸声隔音、减震等优点[1]。矿物掺合料是发泡混凝土中不可或缺的一部分，由于矿物掺合料中含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等成分，可以在常温下与水泥的水化产物发生二次水化反应，同时还具备“颗粒形态效应”和“微集填料反应”，对发泡混凝土的微观结构具有一定影响[2-4]。如石灰石粉、玄武岩石粉、花岗岩石粉等，其中石灰石粉废料对混凝土强度提升最大，玄武岩石粉废料与花岗岩石粉废料增强混凝土物理性能不明显[5-6]。马清清等[7]使用海南玄武岩石粉取代水泥，在满足C45混凝土的配置强度要求下，最大玄武岩石粉掺量为30%，抗压强度提升2.8%。Liu等[8]通过研究四川玄武岩石粉在水泥水化中的作用得出玄武岩石粉具有与F级粉煤灰相似的潜在火山灰活性，可以作为矿物掺合料使用，但随着玄武岩石粉的掺量增大，抗压强度会逐渐降低。张礼华等[9]先预粉磨玄武岩石粉，再与熟料混磨制得水泥样品，玄武岩石粉取代量为6%的水泥样品与减水剂相容性最佳。乔宏霞等[10]用20%的玄武岩废石粉取代水泥制备玄武岩石粉胶砂，对比基准组，在3、14、28 d时均大幅度降低，当复掺1.0%水玻璃和Ca(OH)2时，可以使玄武岩石粉胶砂抗压强度较基准组提高24.88%，抗折强度提高5.1%。吉林省长白地区石材产量较大，玄武岩石粉废料是石材开采加工过程中产生的一种废弃物，大量的堆积对环境造成严重污染。本实验研究玄武岩石粉废料在不需要烦琐的处理工序下制备泡沫混凝土，以期通过实验发现不同取代量对发泡混凝土性能的影响规律，找到提升发泡混凝土性能的最佳配比。

1 实 验

1.1 材 料

P·O42.5R水泥，大连小野田水泥有限公司生产；玄武岩石粉，吉林省靖宇县玄武岩石粉；质量分数30%过氧化氢，天津市大茂化学试剂厂；聚羧酸减水剂，大连西卡建筑材料有限公司生产；硬脂酸钙(CP)粉末稳泡剂，天津市光复精细化工研究所。水泥和不同地区玄武岩石粉废料的化学组成见表1。

表1 水泥、不同玄武岩石粉的化学成分Tab.1 Chemical compositions of cement and basalt powder from different areas %

图1是玄武岩废石粉XRD图谱，从图中可以看到，主要矿物组成有A(拉长石Na0.45Ca0.55Al1.5Si2.5O8)、B(钙长石Na0.45Ca0.55Al1.55Si2.45O8)、C(中长石Na0.685Ca0.347Al1.46Si2.54O8)、D(钠长石NaAlSi3O8)以及E(透辉石CaMgSi2O6)等。其中拉长石和钠长石会与水泥水化物生成托贝莫来石。钙长石在湿法化学反应中会析出Ca2+等金属离子，Ca2+可以与CO2反应，生成CaCO3。图2是玄武岩废石粉SEM图像，从SEM图像可以看到玄武岩废石粉表面粗糙，呈碎石状，随着废石粉的取代量增大会导致水泥胶砂流动性变差，发泡效果不理想。

图1 玄武岩石粉废料XRD图Fig.1 XRD patterns of waste basalt powder

图2 玄武岩石粉废料SEM图Fig.2 SEM images of waste basalt powder

从图3可以看出，60 μm以下的粒径占总体石粉废料的76%，这表明玄武岩废石粉的分布比较集中，在实验使用时不需经过处理可以直接作为掺料使用，而且粒径较小的玄武岩石粉可以更好的参与到水化反应中，加快水化反应进程。

图3 玄武岩石粉废料粒径分布Fig.3 Particle size distribution of waste basalt powder

1.2 实验方案

实验考虑玄武岩废石粉对发泡混凝土的力学性能影响，设定玄武岩废石粉按质量分数0、10%、20%和30%等取代水泥的量，水胶比为水与水泥和掺料的和之比，配料见表2。

表2 发泡混凝土配料比Tab.2 Mix proportion of foamed concrete g

1.3 实验方法

按照表2配料，将配料称量好后混合搅拌均匀，加水和减水剂搅拌成均匀的浆料，再加入发泡剂，最后在搅拌器下搅拌均匀后，将浆料倒入刷好脱模剂的模具中。24 h后取出砖块，在砖块表面盖上一层透水布料，喷洒少量水使布料湿润，放入养护箱中养护28 d，养护箱温度为(22±0.5 ℃)，养护湿度95%。

1.4 测试方法

通过计算得到发泡混凝土的干密度(ρ)和吸水率(WR)。

ρ=m1/V

(1)

式中：m1为样品在烘箱恒重后的质量，g；V为样品的体积，mm3。

WR=[(mg-m0)/m0]×100%

(2)

式中：mg为样品饱和吸水后的质量，g；m0为样品烘干后的质量，g。

通过YBF-3型导热系数测定仪得到导热系数(λ)。

(3)

式中：Rp为下铜板半径，mm；hp为下铜板的厚度，mm；R为样品的半径，mm；h为样品的厚度，mm；m为下铜板的质量，g；c=0.385 kJ/(K·kg)，为铜块的比热容；T1上铜板温度，T2下铜板温度，℃。

使用万能试验机(JHH-500，北京)，以50 N/s下降测量抗压强度(p)。

p=F/A

(4)

式中：F为极限荷载，N；A为样品的受压面积，m2。

用X射线衍射仪(D/max-3B，日本)确定玄武岩石粉废料矿物组成以及样品28 d反应物生成情况。使用扫描电子显微镜(JSM-6460LV，日本)观察玄武岩石粉废料的表面形貌以及样品表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 干密度与吸水率

由样品的干密度和吸水曲 线如图4所示，可知样品干密度、吸水率都有明显减少，当使用的配方一致时，样品的干密度变化幅度较大，600～1 050 kg/m3，吸水率22%～26%。样品的干密度随着玄武岩石粉的取代量增加而减小，当样品中玄武岩石粉取代水泥量为0、10%、20%、30%时，干密度较基准组分别降低0、25.60%、26.73%、20.79%，这是因为玄武岩石粉密度较大，随着取代量的增加，样品干密度随之增大。随着水泥被石粉废料取代后导致水灰比增大，水泥砂浆的流动度变大，并且使泡沫混凝土的孔结构和孔分布得到改善。随着玄武岩石粉废料取代量增大，需水量变多，相应也减少了发泡混凝土内的毛细孔隙的总体积，所以样品的干密度趋势为先减小后增大。样品随着玄武岩石粉废料取代量的增加，吸水率呈下降趋势，吸水率分别降低0、7.69%、11.54%、15.38%。吸水率下降是因为随着玄武岩石粉废料的取代量增加，玄武岩石粉废料细度较大，且表面粗糙、裂缝多，当玄武岩石粉废料取代量增大时，细颗粒的吸附现象严重，从而导致水泥砂浆需水量增加、流动性降低、发泡不均匀。

图4 样品的干密度和吸水率曲线Fig.4 Dry density and water absorption curves of samples

2.2 导热系数

样品在不同玄武岩石粉废料取代下的导热系数如图5所示，可以看出发泡混凝土的导热系数随玄武岩石粉的取代呈现先减小后增大的趋势，当玄武岩石粉取代量为10%时，发泡混凝土的导热系数最小，比基准发泡混凝土的导热系数降低了42%，这是因为掺入少量的玄武岩石粉，减少了水泥的用量，等于增大了水灰比，改善了水泥砂浆的流动性，使发泡剂分散均匀，发泡后内部气孔分布均匀稳定。

图5 样品在不同玄武岩石粉废料取代下的导热系数Fig.5 Thermal conductivity of samples with different content of waste basalt powder

2.3 抗压强度

从图6抗压强度的数据表明，玄武岩石粉对于不同龄期的发泡混凝土的影响情况不同，当玄武岩石粉取代量为10%时，养护3和14 d的抗压强度与基准发泡混凝土在相同养护时间下的抗压强度基本一致，而养护28 d后可以明显地看到抗压强度大于基准组发泡混凝土，其抗压强度提高4%，这也可以说明玄武岩石粉具有一定的活性，能够显著提高发泡混凝土后期强度，这与Dobiszewska等[11]使用10%玄武岩石粉取代水泥28 d强度会降低不同。当质量分数取代为20%和30%时，随着龄期增长抗压强度降低越明显，得到的结果与Uník等[12]得到的结果一致。这是因为少量的玄武岩石粉会增加孔隙率，增加砂浆内的水分流动，可以加快早期水化进程，而玄武岩石粉中的SiO2和Al2O3可以促进水泥二次水化反应，生成少量水化硅酸钙(C—S—H)凝胶，增加早期的抗压强度，但当玄武岩石粉取代量达到20%～30%时，抗压强度降低，这是因为随着玄武岩石粉取代量的增加，减少了水泥的量，致使水泥水化产物减少，虽然水泥胶砂中的SiO2和Al2O3的含量增加了，但是因为SiO2的反应水化产物为硅酸钙，强度虽然高但是生成速率比较慢，Al2O3反应的水化产物为钙矾石，虽然生成速率比较快但是强度低，因为内部的水化产物不足导致内部密实度不够，所以当玄武岩石粉取代超过10%后，抗压强度明显降低。

图6 样品在不同玄武岩石粉废料取代下的抗压强度Fig.6 Compressive strength of samples with different content of waste basalt powder

2.4 SEM分析

图7为玄武岩废石粉不同取代量的发泡混凝土在不同龄期下的SEM图像。从3 d的SEM图像中可以发现一些玄武岩颗粒被少量的水化产物覆盖，钙矾石针状物在图片的各个角落生长。通过观察28 d的SEM图像和XRD图谱可以看到，玄武岩石粉取代为10%的钙矾石针状物明显减少，水化硅酸钙晶体明显多于基准组，这是因为少量的玄武岩石粉会加快水分流动，加速水化速度，另外部分活性SiO2和Al2O3可促进二次水化反应。

图7 样品在3和28 d龄期的SEM图像Fig.7 SEM of samples at 3 and 28 d

2.5 XRD分析

图8为样品在28 d的XRD图谱，可以看出样品中主要含有Ca(OH)2(C-H)、水化硅酸钙(C-S-H)和钙矾石(AFt)。玄武岩石粉不同取代量的样品的水化产物基本相同，水化产物峰数增加，代表水化硅酸钙和Ca(OH)2的峰随石粉取代量的增加略有降低，这是因为水泥水化产物减少导致的。此外，玄武岩石粉可促使水泥水化物生成大量针状AFt，针状AFt与水化硅酸钙凝胶交错在一起，形成立体框架结构。

图8 样品在28 d的XRD图谱Fig.8 XRD patterns of samples at 28 d

3 结 论

通过改变发泡混凝土中玄武岩石粉的量对发泡混凝土的各种性能都产生了不同的影响，10%取代量的石粉可以将发泡混凝土干密度降低25.6%，吸水率降低7.69%，导热系数降低了42%，抗压强度增长4%。整体来看玄武岩石粉对胶凝材料性能的影响既有物理方面又有化学方面的，玄武岩石粉取代水泥对发泡混凝土的性能有着积极的影响，可以作为发泡混凝土的矿物掺合料。