徐 方, 顧功輝, 黃曉明, 張軍輝, 朱 婧

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 2.東南大學(xué) 交通學(xué)院, 江蘇 南京 211189; 3.長沙理工大學(xué) 公路養(yǎng)護技術(shù)國家工程實驗室, 湖南 長沙 410114; 4.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖北 武漢 430079)

泡沫混凝土是一種新型墻體保溫材料.目前泡沫混凝土中常用的膠凝材料是水泥,這不僅增加成本,還對大氣產(chǎn)生污染[1-3].地質(zhì)聚合物是以粉煤灰等硅鋁質(zhì)固體廢棄物為原材料,在常溫常壓制得的一種環(huán)境友好型膠凝材料[4-6].有學(xué)者采用地質(zhì)聚合物取代水泥來制備地質(zhì)聚合物泡沫混凝土(GFC)[7-9].影響泡沫混凝土性能的根本因素是其內(nèi)部的氣孔結(jié)構(gòu)[10-11].相關(guān)學(xué)者對此已有一定基礎(chǔ)的研究.如宋學(xué)鋒等[12]研究發(fā)現(xiàn),隨著泡沫摻量的增加,GFC的孔隙率、平均孔徑和圓度逐漸增大;張磊蕾等[13]研究發(fā)現(xiàn),隨著EVA乳液的增加,泡沫混凝土孔徑呈增大趨勢,大孔數(shù)量明顯增加;李相國等[14]指出氣孔的形狀因子對泡沫混凝土的力學(xué)性能基本沒有影響,而平均孔間距對泡沫混凝土的力學(xué)性能影響顯著.

目前,關(guān)于GFC氣孔結(jié)構(gòu)的研究大多集中在材料組成對孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響和孔結(jié)構(gòu)特征對泡沫混凝土宏觀性能的影響2個方面,缺乏氣孔在料漿內(nèi)部遷移變化規(guī)律的研究.鑒于此,本文制備了不同孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的預(yù)制泡沫,研究了其在凈漿內(nèi)部的遷移規(guī)律和孔徑變化規(guī)律,并采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了GFC內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)形態(tài),以探究GFC內(nèi)部氣孔的成孔機理.

1 試驗

1.1 原材料

原材料為粉煤灰(FA)、礦粉(GGBFS)、水玻璃、NaOH、水和自制發(fā)泡劑.其中粉煤灰為國家Ⅰ級低鈣粉煤灰,礦粉為S95?；郀t礦渣粉,兩者化學(xué)組成見表1;水玻璃為建筑用水玻璃,其SiO2和NaO2含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),文中涉及的含量、水固比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)分別為27.40%和8.81%;NaOH(分析純)含量≥96.00%;自制發(fā)泡劑由十二烷基硫酸鈉(SDS,白色粉末狀物質(zhì),純度≥99.60%)、十二醇(黃色油性液體,純度≥97.85%)、羧甲基纖維素鈉(CMC,淡黃色纖維狀物質(zhì),純度≥97.00%)、無水乙醇(純度≥99.70%)和水按一定比例配制而成.

表1 粉煤灰和礦粉的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of FA and GGBFS w/%

1.2 試驗方法

首先，采用壓縮空氣法制備預(yù)制泡沫;然后，將NaOH溶于水玻璃中制得的復(fù)合堿激發(fā)劑置入攪拌鍋內(nèi)中,與粉煤灰、礦粉和水進行攪拌,得到地質(zhì)聚合物凈漿;最后，向地質(zhì)聚合物凈漿中加入預(yù)制泡沫,慢攪4min,待泡沫與地質(zhì)聚合物凈漿混合均勻后,即可得到GFC.先將GFC澆注于40mm×40mm×40mm 和φ50×100mm這2種模具中,24h后拆模,得到立方體試件和圓柱體試件;再將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱(25℃,相對濕度95%)中，養(yǎng)護至規(guī)定齡期.

1.3 泡沫配合比設(shè)計

試驗設(shè)計了7組預(yù)制泡沫，其配合比如表2所示.

表2 預(yù)制泡沫配合比Table 2 Mix proportion of precast foam g

地質(zhì)聚合物凈漿的水固比為0.28.其中,固體總含量固定為350.0g,包括粉煤灰180.6g(摻量為51.6%)、礦粉120.4g(摻量為34.4%)、復(fù)合堿激發(fā)劑固含量49.0g(摻量為14.0%).地質(zhì)聚合物凈漿的宏觀性能見表3.

表3 地質(zhì)聚合物凈漿的宏觀性能Table 3 Macroscopic properties of geopolymer paste

制備GFC試件時固定預(yù)制泡沫摻量,即在350.0g地質(zhì)聚合物凈漿中摻入1100mL預(yù)制泡沫,從而系統(tǒng)分析不同配合比預(yù)制泡沫對GFC試件性能的影響規(guī)律.

1.4 性能測試方法

預(yù)制泡沫的宏觀性能依據(jù)JC/T 2199—2013《泡沫混凝土用泡沫劑》進行測試.預(yù)制泡沫和GFC試件的平均Feret直徑、圓度、孔隙率均先使用數(shù)碼相機進行斷面圖像采集,再將圖像導(dǎo)入圖形分析軟件Image Pro Plus中分析得到.GFC試件的微觀形貌采用SEM進行觀察;GFC試件的抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)和干密度依據(jù)JG/T 266—2011《泡沫混凝土》進行測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)制泡沫性能表征

7組預(yù)制泡沫的性能見表4.

由表4可知：隨著SDS摻量的增加,預(yù)制泡沫的1h沉降距、1h泌水率和圓度先降低后增加,平均Feret直徑先增加后降低.這主要是因為,當(dāng)SDS摻量小于3.00g/L時,在液氣分散體系中親水基分子與憎水基分子數(shù)量較少,液體表面活性劑分子不能趨于密集分散,因此只能形成少量泡沫,且泡沫液膜強度較低,泡沫周圍自由水較多,同時在泡沫消融過程中產(chǎn)生的自由水會擠壓泡沫,導(dǎo)致泡沫變形、破裂;當(dāng)SDS摻量持續(xù)增加至臨界值 3.00g/L 時,溶液表面大多被活性劑分子覆蓋,憎水基朝外形成了1層碳鏈表面膜,減小了氣液相接觸,從而降低了表面張力,增大了發(fā)泡倍數(shù)和泡沫韌性;當(dāng)SDS摻量超過臨界值3.00g/L時,泡沫劑溶液黏度增加,難以形成較多泡沫,泡沫1h泌水率增加,析液現(xiàn)象嚴(yán)重.

表4 預(yù)制泡沫的性能Table 4 Performance of precast foam

2.2 GFC成孔的時間變化過程

圖1 GFC試件的平均Feret直徑隨時間的變化Fig.1 Variation of average Feret diameter with time of GFC specimens

圖1顯示了GFC試件的平均Feret直徑隨時間的變化.由圖1可以看出,隨著預(yù)制泡沫穩(wěn)定性和孔結(jié)構(gòu)的變化,GFC試件孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定時間也隨之有規(guī)律地發(fā)生變化.結(jié)合表4和圖1可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)發(fā)泡倍數(shù)較低,泡沫穩(wěn)定性差,且泡沫液膜強度較低時,大量泡沫在凈漿的擠壓作用下快速破碎,縮短了泡沫在凈漿中的穩(wěn)定時間,同時由于泡沫液膜強度較低,大量小孔在凈漿擠壓作用下合并成大孔,導(dǎo)致孔徑增幅倍數(shù)較大;當(dāng)發(fā)泡倍數(shù)較高、泡沫穩(wěn)定性較好,且泡沫液膜強度較高時,泡沫的合并時間延長,延長了凈漿中泡沫的穩(wěn)定時間,同時由于泡沫液膜強度較高,泡沫的合并現(xiàn)象減弱,導(dǎo)致孔徑增幅倍數(shù)降低.SY1組泡沫的孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時間和孔徑增幅倍數(shù)明顯小于其他組別,這主要是由于其1h沉降距為48.06mm,1h泌水率為81.46%,泡沫極其不穩(wěn)定,當(dāng)泡沫摻入凈漿時帶入了大量自由水,導(dǎo)致泡沫在凈漿中迅速破滅.

2.3 GFC成孔的空間變化過程

為探究GFC空間成孔機理與空間成孔過程,將GFC制成φ50×100mm的圓柱體試件,待試件凝結(jié)硬化后,將試件由上自下均勻截取A、B、C3個截面,得到3個截面的孔結(jié)構(gòu)參數(shù).圖2為GFC試件平均Feret直徑的空間分布.由圖2可以看出：當(dāng)預(yù)制泡沫1h沉降距和1h泌水率較大時,泡沫極易破碎,破碎產(chǎn)生的自由水由于重力作用運動到中下部,加速了下部泡沫的破滅;當(dāng)預(yù)制泡沫穩(wěn)定性逐漸提高,發(fā)泡倍數(shù)逐漸增大時,泡沫液膜強度較高,泡沫充滿了整個凈漿,凈漿固定泡沫的能力減弱,凈漿和泡沫混合均勻,因此整個試件的孔徑無明顯分層現(xiàn)象.

圖2 GFC試件內(nèi)部平均Feret直徑的空間分布Fig.2 Variation of average Feret diameter with space of GFC specimens

2.4 GFC微觀孔結(jié)構(gòu)特征分析

分別以預(yù)制泡沫SY1和SY4制備的GFC試件氣孔整體微觀形貌如圖3所示.由圖3可以看出,與預(yù)制泡沫SY1相比,預(yù)制泡沫SY4穩(wěn)定性較好,發(fā)泡倍數(shù)較高,由其制備的GFC試件內(nèi)部氣孔分布更為均勻,連通孔較少,孔隙率也更高.

分別以預(yù)制泡沫SY1和SY4制備的GFC試件單孔微觀形貌如圖4所示.由圖4可見,隨著泡沫穩(wěn)定性的提高和發(fā)泡倍數(shù)的增加,GFC試件的孔徑逐漸變大,這與前文所述GFC試件的性能變化規(guī)律相一致.

圖3 GFC試件氣孔整體微觀形貌Fig.3 Overall pore microscopic morphology of GFC specimen

圖4 GFC試件單孔微觀形貌Fig.4 Single pore microscopic morphology of GFC specimen

2.5 GFC試件宏觀性能分析與評價

GFC試件的干密度、7d立方體抗壓強度和導(dǎo)熱系數(shù)見圖5.由圖5可知：隨著預(yù)制泡沫穩(wěn)定性的提高,GFC試件的宏觀性能也逐漸得到提升,這與前文的微觀指標(biāo)變化規(guī)律相一致.需要說明的是,預(yù)制泡沫SY1沉降距和泌水率較大,孔結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,發(fā)泡倍數(shù)較低,在凈漿內(nèi)部難以形成氣孔,故GFC試件的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)較大;同時由于泡沫摻量大,被壓碎的泡沫產(chǎn)生了大量自由水,增大了GFC的水固比,加之連通孔的存在,導(dǎo)致SY1組的抗壓強度相比于相同密度等級的凈漿強度有大幅下降,但仍高于內(nèi)部含有大量氣孔的SY2～SY7組的強度.而預(yù)制泡沫SY4的沉降距和泌水率均較小,泡沫穩(wěn)定性較好,因此在凈漿中可以大量存活下來并形成均勻的封閉氣孔,使得GFC試件具有較高的抗壓強度(1.2MPa)、較低的干密度(391kg/m3)與導(dǎo)熱系數(shù)(0.048W/(m·K)).

對照J(rèn)G/T 266—2011中的泡沫混凝土宏觀性能指標(biāo)可知,當(dāng)預(yù)制泡沫(SY4)1h沉降距為22.71mm,1h泌水率為43.62%,平均圓度為1.8456,平均Feret直徑為0.2380mm時,將其摻入地聚合物凈漿中，所得到的GFC試件相關(guān)指標(biāo)滿足規(guī)范要求.

圖5 GFC試件的宏觀性能Fig.5 Macro properties of GFC specimens under different precast foams

3 結(jié)論

(1)當(dāng)SDS摻量為3.00g/L時,可以得到1h沉降距為22.71mm,1h泌水率為43.62%,平均圓度為1.8456,平均Feret直徑為0.2380mm的預(yù)制泡沫.該預(yù)制泡沫穩(wěn)定性較高,氣孔分布均勻.

(2)當(dāng)預(yù)制泡沫穩(wěn)定性較差且發(fā)泡倍數(shù)較小時,其在凈漿中的穩(wěn)定時間較短,GFC的孔徑增幅較大,且孔徑分層明顯;當(dāng)預(yù)制泡沫穩(wěn)定性逐漸提高且泡沫孔徑逐漸增大時,其在凈漿中的穩(wěn)定時間也逐漸增加,同時由于泡沫液膜強度較高,降低了GFC的孔徑增幅倍數(shù),且此時GFC試件孔徑分層現(xiàn)象減緩,試件內(nèi)部孔徑分布趨于均勻.

(3)將SDS摻量為3.00g/L的預(yù)制泡沫按1100mL 摻入地質(zhì)聚合物凈漿后,得到的GFC試件7d抗壓強度為1.2MPa,干密度為391kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.048W/(m·K),滿足相關(guān)規(guī)范要求.