粉煤灰-矿渣地聚合物泡沫混凝土的性能研究

贺馨瑶，田雨泽

（辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114051）

粉煤灰和矿渣都属于固体废弃物。矿渣为矿石选矿或经过冶炼后的残余物质，是工业上的主要固体废物。粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。地聚合物材料为碱性无机胶凝材料，是一种新型绿色建材［1］，具有良好的物理和化学性能，如耐化学腐蚀、界面结合力强、抗渗性好、耐高温性好等。地聚合物材料制备工艺简单，与普通硅酸盐水泥混凝土相比，制备过程中可以减少碳的排放量26%~45%［2］，有可能取代普通硅酸盐水泥。目前研制出的碱激发胶凝材料产物聚合度高，结构致密。矿渣与粉煤灰中玻璃添加量居多，玻璃体结构不稳定，但反应活性较高，与碱激发剂结合，可形成性能优良的地聚合物泡沫混凝土［3-4］。目前，地聚合物泡沫混凝土也受到国内外广泛关注，对制作工艺方面研究较多［5-6］，但对粉煤灰-矿渣材料制备的地聚合物泡沫混凝土方面研究较少。我国保护环境需求日益增加，到2025年，煤矸石、粉煤灰、尾矿、冶炼渣等大宗固废的综合利用能力将提升至60%，使存量大宗固废有序减少［7］。这表明粉煤灰-矿渣地聚合物泡沫混凝土研究与应用十分迫切。本文采用粉煤灰、矿渣作为原材料，水玻璃作为碱激发剂制备地聚合物泡沫混凝土，并进行性能试验研究。

1 试验原材料

1.1 原材料

实验采用Ⅰ级粉煤灰和S105级矿渣，粉煤灰和矿渣的化学组成详见表1。粉煤灰和矿渣的主要成分都是SiO2、Al2O3和CaO，其性能符合《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）要求。

表1 粉煤灰和矿渣的化学组成，%Tab.1 Chemical compositions of coal ash and slag，%

使用水玻璃作为碱激发剂，水玻璃由山东德州晶火玻璃有限公司生产，呈透明的粘稠状，模数m=3.3。

使用pH值为6~8的植物性复合发泡剂和pH值为6~8的动物性复合发泡剂，发泡倍数分别是40~60倍和30~60倍。试验用水为自来水。

1.2 地聚合物基泡沫混凝土的制备

（1）地聚合物泡沫混凝土浆体的制备：在混合机中加入按比例配置好的粉煤灰、矿渣和发泡剂，搅拌30 s，而后加入碱激发剂，搅拌4 min。

（2）泡沫的制备：稀释发泡剂至指定倍数，而后注水缓慢搅拌，直至出现细密泡沫。

（3）地聚合物泡沫混凝土的制备：在制备好的地聚合物泡沫混凝土浆体中缓慢注入泡沫，搅拌均匀后注入40 mm×40 mm×160 mm的标准模具，之后用保鲜膜遮盖表面，防止水分挥发导致开裂。做好标记，静置成型，24 h后脱模。

1.3 性能测试方法

测试泡沫混凝土的抗压强度按照GB/T 11971-1997《加气混凝土力学性能试验方法》，测试泡沫混凝土的导热系数按照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》。采用强度试验仪及Hot disk热常数分析仪。

2 实验结果及分析

2.1 粉矿比例对地聚合物泡沫混凝土抗压强度的影响

为讨论粉矿比对地聚合物泡沫混凝土性能的影响，使用C2.0等级的泡沫混凝土，分别制备粉矿比例为3：7、5：5、7：3的地聚合物泡沫混凝土。同时控制Na2O添加量为6%，干密度保持为400 kg/m3。实验结果如表2。

表2 地聚合物泡沫混凝土配合比及性能Tab.2 Mixing ratios and performance of geopolymer foam concretes

随着粉矿比例逐渐增加，抗压强度明显降低。粉矿比例为3：7，抗压强度最高。3种比例的泡沫混凝土28d抗压强度都高于2.5 MPa，符合规范要求。

矿渣主要成分为CaO，可与体系中硅酸钠发生反应，钙离子作为反应物更快地加入到脱水缩聚反应中，生成水合铝硅酸钙（C-A-S-H）［8］，提高体系强度。随着粉矿比例的增加，矿渣量逐步减少，生成的水合铝硅酸钙量减少，使整个体系抗压强度逐步降低。

地聚合物泡沫混凝土养护时间越长，抗压强度越大。养护是水泥石形成过程，养护时间越长，水化反应越充分，使混凝土中水泥滴胶体积不断增加，孔腔体积减少，混凝土的密度增大，抗压强度也随之增强。

2.2 粉矿比对地聚合物泡沫混凝土导热的影响

随着粉矿比增加，地聚合物泡沫混凝土的导热率逐渐增大。养护时间越长，导热率越小。实验结果如表2所示。

增加粉矿比使粉煤灰的加入量逐步增加，矿渣含量相对减少，导致体系内部分孔隙被破坏，泡沫孔分布不均；同时，粉煤灰不能够完全参与反应，剩余的粉煤灰填充至孔隙中，都使地聚合物泡沫混凝土的导热率增大。

在干密度为400 kg/m3情况下，泡沫混凝土导热率普遍在0.1 W/（m·K）左右，地聚合物泡沫混凝土因自身性质以及发泡的程度不同，导热率较普通泡沫混凝土偏高，满足实际应用要求。

2.3 Na2O添加量对地聚合物泡沫混凝土抗压强度的影响

为了分析碱激发剂Na2O添加量对地聚合物泡沫混凝土性能的影响，使用C2.0等级的泡沫混凝土，控制粉矿比为5：5，干密度保持为400 kg/m3，分别制备Na2O添加量为4%、6%和8%的地聚合物泡沫混凝土。实验结果如表3。

随着Na2O的添加量增加，地聚合物泡沫混凝土抗压强度先增大而后降低。且养护时间越长，抗压强度越大。Na2O的添加量为6%时，3 d和28 d的抗压强度最大，分别为3.51 MPa和4.15 MPa。适量添加Na2O有利于粉煤灰和矿渣的混合及融合，有利于发生聚合反应。过量添加Na2O，对抗压强度不利。

2.4 Na2O对地聚合物泡沫混凝土导热率的影响

随着Na2O添加量增加，地聚合物泡沫混凝土导热率明显增大，养护28 d的导热率低于养护3 d的导热率，如表3所示。

表3 Na2O添加量对地聚合物泡沫混凝土性能的影响Tab.3 Effects of Na2O additions on performance of geopolymer foam concretes

Na2O的添加量为4%时，28 d的导热率最小，为0.135 9 W/（m·K）；Na2O的添加量为8%时，3 d的导热率最大，为0.193 7 W/（m·K）。

3 结论

采用粉煤灰和矿渣为原料制备地聚合物泡沫混凝土，考察粉矿比以及Na2O添加量对地聚合物泡沫混凝土抗压强度和导热率的影响。

（1）粉矿比增加，抗压强度显著减小，导热率明显增大。但28 d抗压强度都高于2.5 MPa，符合规范要求。

（2）Na2O的添加量增加，地聚合物泡沫混凝土抗压强度先增大后降低，导热率明显增大。当Na2O的添加量为6%，抗压强度最大。

（3）当粉矿比为3：7，Na2O的添加量为6%，干密度为400 kg/m3时，粉煤灰-矿渣地聚合物泡沫混凝土的综合性能最佳。