地聚物泡沫混凝土的性能和孔結構研究

吳少財

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

泡沫混凝土是在膠凝基質中人工引入孔隙形成的一種輕質建筑材料［1］，其以導熱系數低、密度低、抗震性能好、耐火性能好等優點［2－4］，在建筑領域中得到了廣泛應用［5］。普通硅酸鹽水泥（OPC）是應用最廣泛的泡沫混凝土膠凝材料，但其需要高溫煅燒，成本高，并且在生產過程中會產生溫室氣體，不利于環境的可持續發展［6］。

地質聚合物是以粉煤灰、礦物粉、偏高嶺土等鋁硅酸鹽固體廢棄物為主要原料的一種新型膠凝材料，富含硅鋁酸鹽化合物［7］，與傳統水泥相比，地質聚合物是一種可持續、環保的替代黏合劑，具有良好的機械性能，耐高溫、耐化學腐蝕和優異的抗滲性能［8］。近年來，國內外學者使用地質聚合物代替水泥成功制備出地聚物泡沫混凝土（Geopolymer Foam Concrete，GFC）并對其各項性能進行研究。Xu等［9］使用粉煤灰和礦渣為原材料成功制備出GFC，發現隨著干密度的變化，其抗壓強度也呈現一致的變化趨勢。曲陽威等［10］通過SEM、FTIR、XRD等測試方法對材料進行表征，發現GFC的強度主要是由在堿激發劑的作用下粉煤灰中的硅鋁酸鹽發生聚合反應生成的N－A－S－H凝膠來支撐。周學軍等［11］制備出粉煤灰部分代替水泥的泡沫混凝土，研究了粉煤灰摻量對導熱系數的影響，發現粉煤灰摻量為25%時，泡沫混凝土的導熱系數最低。Zhang等［12］測得干密度為600～1 400 kg／m3的GFC導熱系數為0.15～0.48 W／m·K，在相同密度下，表現出比OPC泡沫混凝土更好的隔熱性能。Sun等［13］采用植物蛋白表面活性劑（PS）、動物蛋白表面活性劑（AS）和合成表面活性劑（SS）制備干密度為600 kg／m3的GFC并測試其干縮性能，結果表明，使用SS作為發泡劑的泡沫混凝土具有最低的干燥收縮率，并推斷GFC的干縮現象可能與其孔結構密切相關。GFC的密度等級對其孔結構有顯著影響。Shao等［14］采用圖像分析法對GFC試樣的孔結構進行分析，發現其孔隙率與干密度之間成反比。Ducman等［15］對GFC進行X－CT斷層掃描，利用Avizo軟件進行三維重構來分析孔隙率和孔徑分布，發現干密度的降低會導致孔隙率和孔徑增大。Li等［16］對干密度為300～1 000 kg／m3的MPC泡沫混凝土采用圖像分析法和概率密度函數對其孔結構進行分析，發現干密度越大，孔徑分布越窄，平均孔徑越小。

目前，國內外學者的研究主要針對材料組分對地聚物泡沫混凝土的影響，對密度等級與其性能之間的關系研究較少。本文使用粉煤灰和礦渣為原材料、鋁粉為發泡劑，制備干密度為300～1 000 kg／m3的GFC試樣，測試了抗壓強度、導熱系數、干燥收縮等性能，此外，使用圖像分析法對試樣的孔結構參數進行分析，探究密度等級與孔隙率和平均孔徑之間的關聯。

1 實驗材料及樣品制備

1.1 實驗材料

所用材料有粉煤灰（FA），礦渣（GGBS），水玻璃，氫氧化鈉，硬脂酸鈣和鋁粉。粉煤灰為豫聯電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，礦渣取自唐山鋼廠，粉煤灰和礦渣的主要化學成分如表1所示，微觀形貌如圖1所示。

圖1 原材料SEM微觀形貌圖

表1 粉煤灰、礦渣的化學組成 %

實驗采用水玻璃和氫氧化鈉混合溶液作為激發劑。所用水玻璃來自嘉善縣優瑞耐火材料有限公司，其SiO2含量為29.9%、氧化鈉含量為13.75%、模數為2.25、濃度為50°Bé。所用氫氧化鈉為市售工業級，呈片狀，分析純。采用鋁粉作為發泡劑，D50＝2.68μm，分析純。穩泡劑為硬脂酸鈣，呈白色粉末狀，分析純。

1.2 樣品制備及配合比設計

GFC的制備工藝如下：首先，在攪拌桶中加入粉煤灰和礦渣以及硬脂酸鈣，用攪拌機攪拌均勻，再將氫氧化鈉和水玻璃混合制備堿激發劑溶液，接著將激發劑溶液和水倒入干料中快速攪拌2 min，最后加入發泡劑快速攪拌30 s，拌合后注入模具中。待試樣凝結后將表面修理平整，在模具內養護一天后進行脫模，移入標準養護箱中養護至相應齡期待測試。不同密度等級的GFC配合比如表2所示，水灰比均為0.4，粉煤灰為70 kg，礦渣為30 kg，堿激發劑為26.45 kg，水為31.5 kg。

表2 不同密度等級的GFC配合比

1.3 測試及分析方法

1.3.1 抗壓強度

測定方法參考JG／T 266—2011《泡沫混凝土》。測試步驟如下：將標準養護的GFC試樣（100 mm×100 mm×100 mm）在電鼓風烘干箱中烘干至恒重，再使用微機控制電子萬能試驗機以0.5 kN／s的加載速度對GFC試樣的抗壓性能進行測試。

1.3.2 導熱系數

具體測試方法參照GB 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》進行，所用試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，測試儀器為DRX－雙平板導熱系數測試儀。其中，熱板溫度設置為35℃，冷板溫度設置為15℃。

1.3.3 干燥收縮

試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，采用兩端帶銅頭的模具制備GFC試樣，經過24 h后脫模并轉移到溫度為20±2℃和相對濕度為60%±5%的環境中，使用比長儀對相應齡期（1 d，3 d，7 d，14 d，28 d，56 d）的試樣進行測量。干燥收縮率計算公式為

式中：ε為不同齡期的干燥收縮率；L0為初始長度（mm）；Lt為不同齡期的長度（mm）。

1.3.4 孔結構

通過下列步驟對泡沫混凝土孔結構進行分析。首先，將在標準養護箱中養護了28 d的試樣（尺寸為100 mm×100 mm×100 mm）用切割機在平行于試件底面的位置進行切割，并將各截面清理干凈，使用顯微鏡對截面拍照，再將照片導入Image pro plus軟件中，繪制出孔隙的輪廓，最后利用軟件識別出孔隙并進行分析，得到孔隙率、平均孔徑和形狀因子等數據。其中，形狀因子是孔隙的變形程度，標準圓的形狀因子為1，非標準圓的形狀因子大于1，孔隙變形程度越大，其形狀因子越大。圖2顯示了具有代表性的截面圖像及其處理后的圖像。

圖2 試樣截面圖像處理

2 實驗結果及分析

2.1 抗壓強度

圖3為GFC在不同育齡下的抗壓強度變化曲線圖。隨著密度等級或齡期的增加，GFC的抗壓強度逐漸增大。同時GFC表現出早強的特征，以A10密度等級的GFC為例，其3 d、7 d、28 d的抗壓強度分別為12.15 MPa、14.80 MPa、16.41 MPa，經計算，GFC的3 d、7 d抗壓強度分別為28 d抗壓強度的74%和91%。與同密度等級下OPC泡沫混凝土相比，GFC表現出更優秀的機械強度。根據劉軍等［17］的研究，其制備的密度等級為1 000 kg／m3的OPC泡沫混凝土的28 d抗壓強度約為4.72 MPa，本研究制備的相同密度等級下GFC抗壓強度約是其的3.48倍。這主要是得益于粉煤灰和礦渣中含有大量硅鋁酸鹽，在激發劑的作用下溶解出Ca2＋和［SiO4］4－與H2O聚合生成C－S－H凝膠，隨著養護齡期延長，聚合反應繼續進行，硅鋁酸鹽繼續溶解，基體中會逐漸形成C－A－S－H和N－A－S－H凝膠［18］，使得結構更加致密，表現出更高的機械強度。圖4為不同密度等級GFC的28 d抗壓強度擬合曲線圖，擬合公式為

圖3 不同密度GFC的抗壓強度

圖4 不同密度GFC的28 d強度擬合曲線

式中：y1為GFC的28 d抗壓強度；x為GFC的干密度?？梢钥闯鯣FC抗壓強度與密度等級之間呈指數相關。

2.2 導熱系數

對不同密度等級的GFC試件進行導熱系數測試，結果如圖5所示。隨著密度等級的升高，GFC的導熱系數逐漸增大。密度等級為A03的GFC試件導熱系數最低，僅為0.090 W／（m·k），密度等級為A10的GFC試件導熱系數最高，為0.252 W／（m·k），在相同密度等級下，僅為OPC泡沫混凝土導熱系數的50%～84%［19］。這是由于泡沫混凝土基體中的水具有較高的導熱性，與OPC泡沫混凝土相比，GFC的化學結合水含量更低［12］。同時基體中生成的凝膠結構是不連續的，阻礙了熱量在試樣中的傳遞。低密度等級下的GFC具有更高的孔隙率和更大的孔徑，導致孔隙在試樣中的占比增大。試樣中的空氣含量增多，空氣的導熱系數遠小于體系中硬化后基體的導熱系數，熱量在低密度等級的GFC內部傳遞時，大量的孔隙會改變熱量的傳遞路線，產生滯后現象［20］，導致GFC的導熱系數降低。為了揭示GFC密度等級與導熱系數之間的關系，對不同密度等級的GFC導熱系數進行擬合，擬合結果如圖5所示，擬合公式為

圖5 不同密度GFC的導熱系數及擬合曲線

式中：y2為GFC的導熱系數；x為GFC的干密度。由圖5可知，GFC的導熱系數與密度等級之間呈線性相關，與Li等［16］的實驗所得規律相同。

2.3 干燥收縮

圖6為不同齡期GFC的干燥收縮狀況。由圖6可以看出，GFC的干燥收縮主要發生在前14 d，后期的干燥收縮率逐漸減緩，各密度等級下的試樣14 d干燥收縮率分別達到了其最終干燥收縮率的88.42%、85.95%、85.79%、86.49%、86.12%、84.57%、82.87%、80.93%。GFC早期失水速率過快是引起這個現象的主要原因，在干縮早期，一方面，由于GFC的多孔結構，內部自由水的蒸發速率較快。另一方面，早期基體的聚合反應較為劇烈，一部分自由水轉化成凝膠中的結合水，加速自由水流失。

圖6 不同齡期GFC的干燥收縮

GFC試樣的干燥收縮率與其密度等級有較大關聯，GFC的干燥收縮率隨著其密度等級的增加而逐漸下降（見圖7），A03、A10密度等級的GFC干燥收縮分別為7.01 mm／m和2.65 mm／m。這是因為密度等級的增加導致GFC試樣的孔徑逐漸減小，其內部連通孔與大孔的數量逐漸減少，試樣的失水速率越慢，失水量越小，導致干燥收縮率減小。為了揭示GFC密度等級與干燥收縮率之間的關系，對不同密度等級的GFC試樣的56 d干燥收縮進行擬合，擬合結果如圖7所示，擬合公式為

圖7 不同密度GFC的56 d干縮擬合曲線

式中：y3為GFC的干燥收縮；x為GFC的干密度。圖7結果表明，GFC的干燥收縮率與密度等級之間呈二次函數相關。

2.4 孔結構

孔隙結構是泡沫混凝土的一個重要特征，其與抗壓強度、導熱性能等之間有密切聯系。不同密度等級的GFC試樣截面圖如圖8所示，GFC試樣的孔隙形狀接近圓形，較為規則，且孔隙分布較為均勻。其中300 kg／m3密度等級的試樣孔徑最大，1 000 kg／m3密度等級的試樣孔徑最小，隨著密度等級的增加，GFC的孔徑逐漸減小，連通孔數量逐漸減少，孔形狀逐漸接近圓形。

圖8 GFC不同密度等級的截面圖

為了表征密度等級與試樣孔隙率、平均孔徑和形狀因子之間的聯系，采用圖像分析法對各試樣截面圖進行分析，結果如圖9～圖11所示。從圖中可以看出，試樣孔隙率與密度等級之間成反比，密度等級由300 kg／m3增至1 000 kg／m3時，孔隙率由72.8%下降到57.3%，表現出良好的線性關系。隨著密度等級的增加，試樣的平均孔徑逐漸減小，由0.82 mm降低到0.17 mm，形狀因子逐漸減小，由1.32降低到1.12，與圖8觀察結果一致。這是因為密度等級是由發泡劑摻量來控制的，密度等級高的試樣發泡劑摻量低，GFC單位體積內氣孔占比下降，基體材料占比增加，造成孔隙率降低。此外，發泡劑摻量下降導致生成的氣體體積減小，產生氣體的速度變慢，氣泡內外壓力易達到平衡狀態，氣泡之間難以相互融合形成大孔，導致平均孔徑減小，氣孔更接近圓形。圖9～圖11對不同密度等級GFC的孔隙率、平均孔徑和形狀因子進行了擬合，擬合公式為

圖9 不同密度GFC的孔隙率及擬合曲線

圖10 不同密度GFC的平均孔徑及擬合曲線

圖11 不同密度GFC的形狀因子及擬合曲線

式中：y4為GFC的孔隙率；y5為GFC的平均孔徑；y6為GFC的形狀因子；x為GFC的干密度。

結果表明，孔隙率與密度等級之間呈線性相關，平均孔徑與密度等級之間呈指數衰減相關，形狀因子與密度等級之間呈指數相關。

3 結論

以粉煤灰和礦渣為原料，通過改變鋁粉摻量制備出干密度為300～1 000 kg／m3的GFC試樣，測試了不同密度等級下GFC試樣的各項物理性能，并通過軟件表征其孔結構。結論如下：

（1）隨著GFC密度等級的逐漸增加，其抗壓強度逐漸升高，與密度等級之間呈指數關系。

（2）低密度等級的GFC具有更低的導熱系數，這是由于其本身的高孔隙率以及較大孔徑所致。

（3）GFC的干燥收縮隨密度等級的增加而減小，與其呈二次函數相關，擬合公式為y＝7.847×10－6x2－0.016x＋11.221。

（4）GFC試樣的孔隙率和平均孔徑均隨GFC密度等級的增加而下降，這是由于高密度等級的GFC反應體系中生成的氣體體積減小，產生氣體的速度變慢，氣泡內外壓力易達到平衡狀態，氣泡之間難以相互融合形成大孔。