地聚物泡沫混凝土的性能和孔结构研究

吴少财

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601）

泡沫混凝土是在胶凝基质中人工引入孔隙形成的一种轻质建筑材料［1］，其以导热系数低、密度低、抗震性能好、耐火性能好等优点［2－4］，在建筑领域中得到了广泛应用［5］。普通硅酸盐水泥（OPC）是应用最广泛的泡沫混凝土胶凝材料，但其需要高温煅烧，成本高，并且在生产过程中会产生温室气体，不利于环境的可持续发展［6］。

地质聚合物是以粉煤灰、矿物粉、偏高岭土等铝硅酸盐固体废弃物为主要原料的一种新型胶凝材料，富含硅铝酸盐化合物［7］，与传统水泥相比，地质聚合物是一种可持续、环保的替代黏合剂，具有良好的机械性能，耐高温、耐化学腐蚀和优异的抗渗性能［8］。近年来，国内外学者使用地质聚合物代替水泥成功制备出地聚物泡沫混凝土（Geopolymer Foam Concrete，GFC）并对其各项性能进行研究。Xu等［9］使用粉煤灰和矿渣为原材料成功制备出GFC，发现随着干密度的变化，其抗压强度也呈现一致的变化趋势。曲阳威等［10］通过SEM、FTIR、XRD等测试方法对材料进行表征，发现GFC的强度主要是由在碱激发剂的作用下粉煤灰中的硅铝酸盐发生聚合反应生成的N－A－S－H凝胶来支撑。周学军等［11］制备出粉煤灰部分代替水泥的泡沫混凝土，研究了粉煤灰掺量对导热系数的影响，发现粉煤灰掺量为25%时，泡沫混凝土的导热系数最低。Zhang等［12］测得干密度为600～1 400 kg／m3的GFC导热系数为0.15～0.48 W／m·K，在相同密度下，表现出比OPC泡沫混凝土更好的隔热性能。Sun等［13］采用植物蛋白表面活性剂（PS）、动物蛋白表面活性剂（AS）和合成表面活性剂（SS）制备干密度为600 kg／m3的GFC并测试其干缩性能，结果表明，使用SS作为发泡剂的泡沫混凝土具有最低的干燥收缩率，并推断GFC的干缩现象可能与其孔结构密切相关。GFC的密度等级对其孔结构有显著影响。Shao等［14］采用图像分析法对GFC试样的孔结构进行分析，发现其孔隙率与干密度之间成反比。Ducman等［15］对GFC进行X－CT断层扫描，利用Avizo软件进行三维重构来分析孔隙率和孔径分布，发现干密度的降低会导致孔隙率和孔径增大。Li等［16］对干密度为300～1 000 kg／m3的MPC泡沫混凝土采用图像分析法和概率密度函数对其孔结构进行分析，发现干密度越大，孔径分布越窄，平均孔径越小。

目前，国内外学者的研究主要针对材料组分对地聚物泡沫混凝土的影响，对密度等级与其性能之间的关系研究较少。本文使用粉煤灰和矿渣为原材料、铝粉为发泡剂，制备干密度为300～1 000 kg／m3的GFC试样，测试了抗压强度、导热系数、干燥收缩等性能，此外，使用图像分析法对试样的孔结构参数进行分析，探究密度等级与孔隙率和平均孔径之间的关联。

1 实验材料及样品制备

1.1 实验材料

所用材料有粉煤灰（FA），矿渣（GGBS），水玻璃，氢氧化钠，硬脂酸钙和铝粉。粉煤灰为豫联电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，矿渣取自唐山钢厂，粉煤灰和矿渣的主要化学成分如表1所示，微观形貌如图1所示。

图1 原材料SEM微观形貌图

表1 粉煤灰、矿渣的化学组成 %

实验采用水玻璃和氢氧化钠混合溶液作为激发剂。所用水玻璃来自嘉善县优瑞耐火材料有限公司，其SiO2含量为29.9%、氧化钠含量为13.75%、模数为2.25、浓度为50°Bé。所用氢氧化钠为市售工业级，呈片状，分析纯。采用铝粉作为发泡剂，D50＝2.68μm，分析纯。稳泡剂为硬脂酸钙，呈白色粉末状，分析纯。

1.2 样品制备及配合比设计

GFC的制备工艺如下：首先，在搅拌桶中加入粉煤灰和矿渣以及硬脂酸钙，用搅拌机搅拌均匀，再将氢氧化钠和水玻璃混合制备碱激发剂溶液，接着将激发剂溶液和水倒入干料中快速搅拌2 min，最后加入发泡剂快速搅拌30 s，拌合后注入模具中。待试样凝结后将表面修理平整，在模具内养护一天后进行脱模，移入标准养护箱中养护至相应龄期待测试。不同密度等级的GFC配合比如表2所示，水灰比均为0.4，粉煤灰为70 kg，矿渣为30 kg，碱激发剂为26.45 kg，水为31.5 kg。

表2 不同密度等级的GFC配合比

1.3 测试及分析方法

1.3.1 抗压强度

测定方法参考JG／T 266—2011《泡沫混凝土》。测试步骤如下：将标准养护的GFC试样（100 mm×100 mm×100 mm）在电鼓风烘干箱中烘干至恒重，再使用微机控制电子万能试验机以0.5 kN／s的加载速度对GFC试样的抗压性能进行测试。

1.3.2 导热系数

具体测试方法参照GB 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，所用试件尺寸为300 mm×300 mm×30 mm，测试仪器为DRX－双平板导热系数测试仪。其中，热板温度设置为35℃，冷板温度设置为15℃。

1.3.3 干燥收缩

试样尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，采用两端带铜头的模具制备GFC试样，经过24 h后脱模并转移到温度为20±2℃和相对湿度为60%±5%的环境中，使用比长仪对相应龄期（1 d，3 d，7 d，14 d，28 d，56 d）的试样进行测量。干燥收缩率计算公式为

式中：ε为不同龄期的干燥收缩率；L0为初始长度（mm）；Lt为不同龄期的长度（mm）。

1.3.4 孔结构

通过下列步骤对泡沫混凝土孔结构进行分析。首先，将在标准养护箱中养护了28 d的试样（尺寸为100 mm×100 mm×100 mm）用切割机在平行于试件底面的位置进行切割，并将各截面清理干净，使用显微镜对截面拍照，再将照片导入Image pro plus软件中，绘制出孔隙的轮廓，最后利用软件识别出孔隙并进行分析，得到孔隙率、平均孔径和形状因子等数据。其中，形状因子是孔隙的变形程度，标准圆的形状因子为1，非标准圆的形状因子大于1，孔隙变形程度越大，其形状因子越大。图2显示了具有代表性的截面图像及其处理后的图像。

图2 试样截面图像处理

2 实验结果及分析

2.1 抗压强度

图3为GFC在不同育龄下的抗压强度变化曲线图。随着密度等级或龄期的增加，GFC的抗压强度逐渐增大。同时GFC表现出早强的特征，以A10密度等级的GFC为例，其3 d、7 d、28 d的抗压强度分别为12.15 MPa、14.80 MPa、16.41 MPa，经计算，GFC的3 d、7 d抗压强度分别为28 d抗压强度的74%和91%。与同密度等级下OPC泡沫混凝土相比，GFC表现出更优秀的机械强度。根据刘军等［17］的研究，其制备的密度等级为1 000 kg／m3的OPC泡沫混凝土的28 d抗压强度约为4.72 MPa，本研究制备的相同密度等级下GFC抗压强度约是其的3.48倍。这主要是得益于粉煤灰和矿渣中含有大量硅铝酸盐，在激发剂的作用下溶解出Ca2＋和［SiO4］4－与H2O聚合生成C－S－H凝胶，随着养护龄期延长，聚合反应继续进行，硅铝酸盐继续溶解，基体中会逐渐形成C－A－S－H和N－A－S－H凝胶［18］，使得结构更加致密，表现出更高的机械强度。图4为不同密度等级GFC的28 d抗压强度拟合曲线图，拟合公式为

图3 不同密度GFC的抗压强度

图4 不同密度GFC的28 d强度拟合曲线

式中：y1为GFC的28 d抗压强度；x为GFC的干密度。可以看出GFC抗压强度与密度等级之间呈指数相关。

2.2 导热系数

对不同密度等级的GFC试件进行导热系数测试，结果如图5所示。随着密度等级的升高，GFC的导热系数逐渐增大。密度等级为A03的GFC试件导热系数最低，仅为0.090 W／（m·k），密度等级为A10的GFC试件导热系数最高，为0.252 W／（m·k），在相同密度等级下，仅为OPC泡沫混凝土导热系数的50%～84%［19］。这是由于泡沫混凝土基体中的水具有较高的导热性，与OPC泡沫混凝土相比，GFC的化学结合水含量更低［12］。同时基体中生成的凝胶结构是不连续的，阻碍了热量在试样中的传递。低密度等级下的GFC具有更高的孔隙率和更大的孔径，导致孔隙在试样中的占比增大。试样中的空气含量增多，空气的导热系数远小于体系中硬化后基体的导热系数，热量在低密度等级的GFC内部传递时，大量的孔隙会改变热量的传递路线，产生滞后现象［20］，导致GFC的导热系数降低。为了揭示GFC密度等级与导热系数之间的关系，对不同密度等级的GFC导热系数进行拟合，拟合结果如图5所示，拟合公式为

图5 不同密度GFC的导热系数及拟合曲线

式中：y2为GFC的导热系数；x为GFC的干密度。由图5可知，GFC的导热系数与密度等级之间呈线性相关，与Li等［16］的实验所得规律相同。

2.3 干燥收缩

图6为不同龄期GFC的干燥收缩状况。由图6可以看出，GFC的干燥收缩主要发生在前14 d，后期的干燥收缩率逐渐减缓，各密度等级下的试样14 d干燥收缩率分别达到了其最终干燥收缩率的88.42%、85.95%、85.79%、86.49%、86.12%、84.57%、82.87%、80.93%。GFC早期失水速率过快是引起这个现象的主要原因，在干缩早期，一方面，由于GFC的多孔结构，内部自由水的蒸发速率较快。另一方面，早期基体的聚合反应较为剧烈，一部分自由水转化成凝胶中的结合水，加速自由水流失。

图6 不同龄期GFC的干燥收缩

GFC试样的干燥收缩率与其密度等级有较大关联，GFC的干燥收缩率随着其密度等级的增加而逐渐下降（见图7），A03、A10密度等级的GFC干燥收缩分别为7.01 mm／m和2.65 mm／m。这是因为密度等级的增加导致GFC试样的孔径逐渐减小，其内部连通孔与大孔的数量逐渐减少，试样的失水速率越慢，失水量越小，导致干燥收缩率减小。为了揭示GFC密度等级与干燥收缩率之间的关系，对不同密度等级的GFC试样的56 d干燥收缩进行拟合，拟合结果如图7所示，拟合公式为

图7 不同密度GFC的56 d干缩拟合曲线

式中：y3为GFC的干燥收缩；x为GFC的干密度。图7结果表明，GFC的干燥收缩率与密度等级之间呈二次函数相关。

2.4 孔结构

孔隙结构是泡沫混凝土的一个重要特征，其与抗压强度、导热性能等之间有密切联系。不同密度等级的GFC试样截面图如图8所示，GFC试样的孔隙形状接近圆形，较为规则，且孔隙分布较为均匀。其中300 kg／m3密度等级的试样孔径最大，1 000 kg／m3密度等级的试样孔径最小，随着密度等级的增加，GFC的孔径逐渐减小，连通孔数量逐渐减少，孔形状逐渐接近圆形。

图8 GFC不同密度等级的截面图

为了表征密度等级与试样孔隙率、平均孔径和形状因子之间的联系，采用图像分析法对各试样截面图进行分析，结果如图9～图11所示。从图中可以看出，试样孔隙率与密度等级之间成反比，密度等级由300 kg／m3增至1 000 kg／m3时，孔隙率由72.8%下降到57.3%，表现出良好的线性关系。随着密度等级的增加，试样的平均孔径逐渐减小，由0.82 mm降低到0.17 mm，形状因子逐渐减小，由1.32降低到1.12，与图8观察结果一致。这是因为密度等级是由发泡剂掺量来控制的，密度等级高的试样发泡剂掺量低，GFC单位体积内气孔占比下降，基体材料占比增加，造成孔隙率降低。此外，发泡剂掺量下降导致生成的气体体积减小，产生气体的速度变慢，气泡内外压力易达到平衡状态，气泡之间难以相互融合形成大孔，导致平均孔径减小，气孔更接近圆形。图9～图11对不同密度等级GFC的孔隙率、平均孔径和形状因子进行了拟合，拟合公式为

图9 不同密度GFC的孔隙率及拟合曲线

图10 不同密度GFC的平均孔径及拟合曲线

图11 不同密度GFC的形状因子及拟合曲线

式中：y4为GFC的孔隙率；y5为GFC的平均孔径；y6为GFC的形状因子；x为GFC的干密度。

结果表明，孔隙率与密度等级之间呈线性相关，平均孔径与密度等级之间呈指数衰减相关，形状因子与密度等级之间呈指数相关。

3 结论

以粉煤灰和矿渣为原料，通过改变铝粉掺量制备出干密度为300～1 000 kg／m3的GFC试样，测试了不同密度等级下GFC试样的各项物理性能，并通过软件表征其孔结构。结论如下：

（1）随着GFC密度等级的逐渐增加，其抗压强度逐渐升高，与密度等级之间呈指数关系。

（2）低密度等级的GFC具有更低的导热系数，这是由于其本身的高孔隙率以及较大孔径所致。

（3）GFC的干燥收缩随密度等级的增加而减小，与其呈二次函数相关，拟合公式为y＝7.847×10－6x2－0.016x＋11.221。

（4）GFC试样的孔隙率和平均孔径均随GFC密度等级的增加而下降，这是由于高密度等级的GFC反应体系中生成的气体体积减小，产生气体的速度变慢，气泡内外压力易达到平衡状态，气泡之间难以相互融合形成大孔。