偏高嶺土-粉煤灰基地聚物輕質混凝土試驗及性能研究

謝祥雄，王英，陳健祺

（上海師范大學建筑工程學院，上海 201418）

0 引 言

地聚物是一種由硅氧四面體[SiO4]與鋁氧四面體[AlO4]通過共價鍵（Si—O—Al）在三維網格狀聚合而成的凝膠體[1]。自地聚物提出以來，已有眾多學者對地聚物進行研究并取得了大量成果[2]。地聚物輕質混凝土是以地聚物材料為基體，通過物理或化學發泡技術制備而成的無機多孔材料?，F有市面上的輕質混凝土多以水泥為膠凝材料，而水泥的生產過程不僅會產生大量的CO2，增加碳排放，而且是一個高能耗的過程。同時，傳統的水泥基輕質混凝土其缺點在使用過程中也逐漸顯現出來，主要表現在干燥收縮大、耐久性不佳等方面。因此，用綠色環保的新型膠凝材料來替代水泥制備輕質混凝土意義重大。

以工業固廢粉煤灰為主要原材料制備輕質混凝土，從而部分或完全替代水泥，這與可持續發展概念相適應，也為節能減排、新型綠色環保材料的發展提供了新的途徑，這一點早已有學者驗證。Fernandez 和Palomo[3]的研究表明，以粉煤灰為主要原材料制備的地聚物，生產能耗只是普通水泥的10%～20%，而性能在很大程度上也優于水泥。陳賢瑞等[4]以粉煤灰、偏高嶺土為原材料開發新型泡沫地聚物，采用化學發泡法制備了干密度150～305 kg/m3的超輕質泡沫地聚物，研究并證實發泡劑用量對泡沫地聚物密度、強度和導熱系數有重要影響且有很好的相關性。符一然[5]研究了水玻璃模數及摻量等因素對地聚物泡沫混凝土抗壓強度的影響，證實抗壓強度隨水玻璃模數及摻量的增大呈先提高后降低的趨勢，分別在模數為1、摻量為9%時達到最高。陳立延等[6]研究了粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響，結果表明，水灰比不變時，隨粉煤灰摻量從10%增加到30%，泡沫混凝土的密度、強度及吸水率都明顯降低，且滿足一定的數學關系式。姚力豪等[7]研究了硅灰對地聚物力學、抗磨損等性能的影響，結果表明，硅灰能填充孔隙，提高密實度；硅灰摻量為6%時，力學性能和抗磨損性能最佳。

本研究以堿激發偏高嶺土-粉煤灰為膠凝材料制備地聚物輕質混凝土，通過調整配合比，研究偏高嶺土摻量對其力學性能的影響，為偏高嶺土-粉煤灰基地聚物輕質混凝土材料的制備和性能研究提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

粉煤灰：Ⅱ級，主要技術性能見表1；偏高嶺土：1250 目，活性指數116%，主要化學成分見表2；水玻璃：模數3.21，SiO2含量為27.84%；氫氧化鈉：分析純，濃度96%；發泡劑：雙氧水，濃度30%；催化劑：二氧化錳；穩泡劑：硬脂酸鈉，相對分子質量607.02；水：自來水。

表1 粉煤灰的主要技術性能

表2 偏高嶺土的主要化學成分%

1.2 地聚物輕質混凝土的制備

1.2.1 配合比設計

以粉煤灰+偏高嶺土總質量為100 g 進行配合比設計，固定催化劑、穩泡劑、水玻璃、水和發泡劑用量分別為0.49、0.035、20.00、1.40、28.00、7.00 g，改變偏高嶺土摻量（按占粉煤灰和偏高嶺土總質量計），設計9 種配比；同時設計純水泥基對照組S-10。試驗配合比設計如表3 所示。

表3 試驗配合比設計

1.2.2 試塊制備

試驗前先配制堿激發劑，為了滿足配合比需求，本試驗將NaOH 固體溶于水和模數3.21 的水玻璃原液中，人工調配水玻璃模數至1.40，并使之完全溶解、冷卻至室溫待用。

根據配合比計算材料用量并稱重。試塊制作過程中，先將固體材料混合并攪拌均勻，然后加入對應比例的堿激發劑和水，充分拌合；攪拌采用機器攪拌加以人工輔助的方式，先慢攪3 min，暫停15 s，后快攪3 min；加入雙氧水，快攪20 s 后裝模，覆蓋保鮮膜，粘貼試件編號，然后放置于標準養護場地。試件脫模后常溫養護至7、28 d。

1.3 試驗方法和試驗儀器

干密度試驗采用100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件，將達到養護齡期的地聚物輕質混凝土試件放置在烘箱（60±5）℃中烘干6 h，冷卻至室溫后稱重，精確到0.1 g，記錄干質量，計算得到每個試件的干密度，每組6 個取平均作為試驗結果。

抗壓強度試驗采用100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件，達到養護齡期的地聚物輕質混凝土試件采用電液伺服系統電子萬能試驗機（DYW-2000 型）進行抗壓強度測試。試驗前先將試件與抗壓夾具的各個面打掃干凈，之后將試件裝入抗壓夾具，抗壓夾具與壓力機壓板中心對齊，然后開始測試；測試方式為位移控制，加載速度設置為0.5 mm/min，持續加壓至試件破壞，記錄最大破壞荷載F，計算得到抗壓強度，每組6 個取平均作為試驗結果。

導熱系數試驗根據前期試驗結果，選取最佳試驗配合比地聚物輕質混凝土和對照組S-10 試件，制備外徑×內徑×高=200 mm×40 mm×400 mm 的圓柱體試件，使用混凝土熱物理性能測定儀（HR-4A 型）測試導熱系數。

2 試驗結果與分析

2.1 偏高嶺土摻量對地聚物輕質混凝土干密度的影響（見表4）

表4 偏高嶺土摻量對地聚物輕質混凝土干密度的影響

由表4 可見，不同偏高嶺土摻量的地聚物輕質混凝土干密度在645.2～827.6 kg/m3之間，干密度隨偏高嶺土摻量的增加而小范圍增大，偏高嶺土摻量為35%時，試件干密度最大，為827.6 kg/m3，制備得到的G-35 地聚物輕質混凝土如圖1所示。從理論上分析，地聚物輕質混凝土是無機多孔材料，密度大小主要取決于材料內部的孔隙率和孔徑分布，而孔隙情況則取決于發泡效果，這一點在許多學者的研究中得到驗證。另外，試驗過程中攪拌、振搗等人為因素造成材料內部氣泡破裂也會影響成品混凝土的孔隙率。所以，本試驗試件干密度變化整體而言在一個可以接受的范圍，可以認為膠凝材料中粉煤灰和偏高嶺土的質量比對干密度影響較小。

圖1 G-35 地聚物輕質混凝土外觀形貌

2.2 偏高嶺土摻量對地聚物輕質混凝土抗壓強度的影響（見表5）

表5 偏高嶺土摻量對地聚物輕質混凝土抗壓強度的影響

由表5 可見，隨著偏高嶺土摻量的增加，試件抗壓強度逐漸提高，但增長速率逐漸變緩。不同偏高嶺土摻量的地聚物輕質混凝土28 d 抗壓強度在0.89～3.75 MPa，其中G-50 試件的28 d 抗壓強度最大，為3.75 MPa。從理論上分析，偏高嶺土比粉煤灰的活性大，Si、Al 含量高，聚合過程中能產生更多的[SiO4]與[AlO4]，形成更穩定的三維網狀結構[8]，從而提高混凝土的強度；相比之下，粉煤灰由于自身體系復雜，激發難度大，聚合效果更差?？梢?，試驗結果與理論分析相吻合。

2.3 導熱系數分析

對比前期的試驗結果可知，偏高嶺土摻量越大，地聚物輕質混凝土的整體力學性能越好。但偏高嶺土摻量達到30%以上時，抗壓強度增長較緩慢，干密度變化較??；同時，鑒于偏高嶺土價格遠高于粉煤灰，綜合考慮，選用G-35 配合比研究地聚物輕質混凝土的導熱性能。

制備得到的G-35 地聚物輕質混凝土圓柱體試件和S-10水泥基輕質混凝土對照組試件如圖2 所示。

圖2 導熱系數測試試件

經過試驗測試，偏高嶺土-粉煤灰基地聚物輕質混凝土的導熱系數為0.136 W/（m·K），而同體積下的水泥基輕質混凝土的導熱系數為0.195 W/（m·K）。同時，結合參考文獻[9]的研究成果可知，一般密度等級在700～800 kg/m3的輕質混凝土，導熱系數為0.180～0.220 W/（m·K），可見與同密度下的輕質混凝土和同體積下的水泥基輕質混凝土相比，偏高嶺土-粉煤灰基地聚物輕質混凝土的導熱系數更低，保溫隔熱性能更好。

3 結 語

（1）以堿激發粉煤灰、偏高嶺土等鋁硅質原料為膠凝材料，采用化學發泡方法，可以制備干密度為645.2～827.6 kg/m3，28 d 抗壓強度為0.89～3.75 MPa 的地聚物輕質混凝土。

（2）偏高嶺土摻量對地聚物輕質混凝土的性能有較大影響，抗壓強度隨偏高嶺土摻量的增加逐漸提高，但增長速率逐漸變緩；偏高嶺土摻量對干密度影響較小。

（3）偏高嶺土-粉煤灰基地聚物材料導熱系數低于同密度等級下的輕質混凝土和同體積下的水泥基輕質混凝土，有更好的保溫隔熱效果；其熱工性能參數將作為后續研究的重點。

（4）相比傳統的硅酸鹽水泥輕質混凝土，地聚物輕質混凝土以工業廢料粉煤灰為原料，綠色環保、成本低廉，制備過程能耗低且對環境基本無污染，能實現輕質混凝土使用領域的拓寬。