吳少財(cái)

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

泡沫混凝土是在膠凝基質(zhì)中人工引入孔隙形成的一種輕質(zhì)建筑材料［1］，其以導(dǎo)熱系數(shù)低、密度低、抗震性能好、耐火性能好等優(yōu)點(diǎn)［2－4］，在建筑領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用［5］。普通硅酸鹽水泥（OPC）是應(yīng)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(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，不利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展［6］。

地質(zhì)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(tǒng)水泥相比，地質(zhì)聚合物是一種可持續(xù)、環(huán)保的替代黏合劑，具有良好的機(jī)械性能，耐高溫、耐化學(xué)腐蝕和優(yōu)異的抗?jié)B性能［8］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者使用地質(zhì)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(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)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(fā)現(xiàn)隨著干密度的變化，其抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)一致的變化趨勢。曲陽威等［10］通過SEM、FTIR、XRD等測試方法對(duì)材料進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)GFC的強(qiáng)度主要是由在堿激發(fā)劑的作用下粉煤灰中的硅鋁酸鹽發(fā)生聚合反應(yīng)生成的N－A－S－H凝膠來支撐。周學(xué)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(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量為25%時(shí)，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最低。Zhang等［12］測得干密度為600～1 400 kg／m3的GFC導(dǎo)熱系數(shù)為0.15～0.48 W／m·K，在相同密度下，表現(xiàn)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(dòng)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(jié)果表明，使用SS作為發(fā)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(xiàn)象可能與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。GFC的密度等級(jí)對(duì)其孔結(jié)構(gòu)有顯著影響。Shao等［14］采用圖像分析法對(duì)GFC試樣的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其孔隙率與干密度之間成反比。Ducman等［15］對(duì)GFC進(jìn)行X－CT斷層掃描，利用Avizo軟件進(jìn)行三維重構(gòu)來分析孔隙率和孔徑分布，發(fā)現(xiàn)干密度的降低會(huì)導(dǎo)致孔隙率和孔徑增大。Li等［16］對(duì)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(shù)對(duì)其孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)干密度越大，孔徑分布越窄，平均孔徑越小。

目前，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要針對(duì)材料組分對(duì)地聚物泡沫混凝土的影響，對(duì)密度等級(jí)與其性能之間的關(guān)系研究較少。本文使用粉煤灰和礦渣為原材料、鋁粉為發(fā)泡劑，制備干密度為300～1 000 kg／m3的GFC試樣，測試了抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、干燥收縮等性能，此外，使用圖像分析法對(duì)試樣的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，探究密度等級(jí)與孔隙率和平均孔徑之間的關(guān)聯(lián)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及樣品制備

1.1 實(shí)驗(yàn)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(lián)電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，礦渣取自唐山鋼廠，粉煤灰和礦渣的主要化學(xué)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(xué)組成 %

實(shí)驗(yàn)采用水玻璃和氫氧化鈉混合溶液作為激發(fā)劑。所用水玻璃來自嘉善縣優(yōu)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(shù)為2.25、濃度為50°Bé。所用氫氧化鈉為市售工業(yè)級(jí)，呈片狀，分析純。采用鋁粉作為發(fā)泡劑，D50＝2.68μm，分析純。穩(wěn)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(shè)計(jì)

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(jī)攪拌均勻，再將氫氧化鈉和水玻璃混合制備堿激發(fā)劑溶液，接著將激發(fā)劑溶液和水倒入干料中快速攪拌2 min，最后加入發(fā)泡劑快速攪拌30 s，拌合后注入模具中。待試樣凝結(jié)后將表面修理平整，在模具內(nèi)養(yǎng)護(hù)一天后進(jìn)行脫模，移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期待測試。不同密度等級(jí)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(fā)劑為26.45 kg，水為31.5 kg。

表2 不同密度等級(jí)的GFC配合比

1.3 測試及分析方法

1.3.1 抗壓強(qiáng)度

測定方法參考JG／T 266—2011《泡沫混凝土》。測試步驟如下：將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的GFC試樣（100 mm×100 mm×100 mm）在電鼓風(fēng)烘干箱中烘干至恒重，再使用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)以0.5 kN／s的加載速度對(duì)GFC試樣的抗壓性能進(jìn)行測試。

1.3.2 導(dǎo)熱系數(shù)

具體測試方法參照GB 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)熱板法》進(jìn)行，所用試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，測試儀器為DRX－雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測試儀。其中，熱板溫度設(shè)置為35℃，冷板溫度設(shè)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(jīng)過24 h后脫模并轉(zhuǎn)移到溫度為20±2℃和相對(duì)濕度為60%±5%的環(huán)境中，使用比長儀對(duì)相應(yīng)齡期（1 d，3 d，7 d，14 d，28 d，56 d）的試樣進(jìn)行測量。干燥收縮率計(jì)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(jié)構(gòu)

通過下列步驟對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。首先，將在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)了28 d的試樣（尺寸為100 mm×100 mm×100 mm）用切割機(jī)在平行于試件底面的位置進(jìn)行切割，并將各截面清理干凈，使用顯微鏡對(duì)截面拍照，再將照片導(dǎo)入Image pro plus軟件中，繪制出孔隙的輪廓，最后利用軟件識(shí)別出孔隙并進(jìn)行分析，得到孔隙率、平均孔徑和形狀因子等數(shù)據(jù)。其中，形狀因子是孔隙的變形程度，標(biāo)準(zhǔn)圓的形狀因子為1，非標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

圖3為GFC在不同育齡下的抗壓強(qiáng)度變化曲線圖。隨著密度等級(jí)或齡期的增加，GFC的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。同時(shí)GFC表現(xiàn)出早強(qiáng)的特征，以A10密度等級(jí)的GFC為例，其3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別為12.15 MPa、14.80 MPa、16.41 MPa，經(jīng)計(jì)算，GFC的3 d、7 d抗壓強(qiáng)度分別為28 d抗壓強(qiáng)度的74%和91%。與同密度等級(jí)下OPC泡沫混凝土相比，GFC表現(xiàn)出更優(yōu)秀的機(jī)械強(qiáng)度。根據(jù)劉軍等［17］的研究，其制備的密度等級(jí)為1 000 kg／m3的OPC泡沫混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度約為4.72 MPa，本研究制備的相同密度等級(jí)下GFC抗壓強(qiáng)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(fā)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(yǎng)護(hù)齡期延長，聚合反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，硅鋁酸鹽繼續(xù)溶解，基體中會(huì)逐漸形成C－A－S－H和N－A－S－H凝膠［18］，使得結(jié)構(gòu)更加致密，表現(xiàn)出更高的機(jī)械強(qiáng)度。圖4為不同密度等級(jí)GFC的28 d抗壓強(qiáng)度擬合曲線圖，擬合公式為

圖3 不同密度GFC的抗壓強(qiáng)度

圖4 不同密度GFC的28 d強(qiáng)度擬合曲線

式中：y1為GFC的28 d抗壓強(qiáng)度；x為GFC的干密度?？梢钥闯鯣FC抗壓強(qiáng)度與密度等級(jí)之間呈指數(shù)相關(guān)。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)

對(duì)不同密度等級(jí)的GFC試件進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測試，結(jié)果如圖5所示。隨著密度等級(jí)的升高，GFC的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。密度等級(jí)為A03的GFC試件導(dǎo)熱系數(shù)最低，僅為0.090 W／（m·k），密度等級(jí)為A10的GFC試件導(dǎo)熱系數(shù)最高，為0.252 W／（m·k），在相同密度等級(jí)下，僅為OPC泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的50%～84%［19］。這是由于泡沫混凝土基體中的水具有較高的導(dǎo)熱性，與OPC泡沫混凝土相比，GFC的化學(xué)結(jié)合水含量更低［12］。同時(shí)基體中生成的凝膠結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的，阻礙了熱量在試樣中的傳遞。低密度等級(jí)下的GFC具有更高的孔隙率和更大的孔徑，導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于體系中硬化后基體的導(dǎo)熱系數(shù)，熱量在低密度等級(jí)的GFC內(nèi)部傳遞時(shí)，大量的孔隙會(huì)改變熱量的傳遞路線，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象［20］，導(dǎo)致GFC的導(dǎo)熱系數(shù)降低。為了揭示GFC密度等級(jí)與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)不同密度等級(jí)的GFC導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖5所示，擬合公式為

圖5 不同密度GFC的導(dǎo)熱系數(shù)及擬合曲線

式中：y2為GFC的導(dǎo)熱系數(shù)；x為GFC的干密度。由圖5可知，GFC的導(dǎo)熱系數(shù)與密度等級(jí)之間呈線性相關(guān)，與Li等［16］的實(shí)驗(yàn)所得規(guī)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(fā)生在前14 d，后期的干燥收縮率逐漸減緩，各密度等級(jí)下的試樣14 d干燥收縮率分別達(dá)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(gè)現(xiàn)象的主要原因，在干縮早期，一方面，由于GFC的多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部自由水的蒸發(fā)速率較快。另一方面，早期基體的聚合反應(yīng)較為劇烈，一部分自由水轉(zhuǎn)化成凝膠中的結(jié)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(jí)有較大關(guān)聯(lián)，GFC的干燥收縮率隨著其密度等級(jí)的增加而逐漸下降（見圖7），A03、A10密度等級(jí)的GFC干燥收縮分別為7.01 mm／m和2.65 mm／m。這是因?yàn)槊芏鹊燃?jí)的增加導(dǎo)致GFC試樣的孔徑逐漸減小，其內(nèi)部連通孔與大孔的數(shù)量逐漸減少，試樣的失水速率越慢，失水量越小，導(dǎo)致干燥收縮率減小。為了揭示GFC密度等級(jí)與干燥收縮率之間的關(guān)系，對(duì)不同密度等級(jí)的GFC試樣的56 d干燥收縮進(jìn)行擬合，擬合結(jié)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(jié)果表明，GFC的干燥收縮率與密度等級(jí)之間呈二次函數(shù)相關(guān)。

2.4 孔結(jié)構(gòu)

孔隙結(jié)構(gòu)是泡沫混凝土的一個(gè)重要特征，其與抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能等之間有密切聯(lián)系。不同密度等級(jí)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(guī)則，且孔隙分布較為均勻。其中300 kg／m3密度等級(jí)的試樣孔徑最大，1 000 kg／m3密度等級(jí)的試樣孔徑最小，隨著密度等級(jí)的增加，GFC的孔徑逐漸減小，連通孔數(shù)量逐漸減少，孔形狀逐漸接近圓形。

圖8 GFC不同密度等級(jí)的截面圖

為了表征密度等級(jí)與試樣孔隙率、平均孔徑和形狀因子之間的聯(lián)系，采用圖像分析法對(duì)各試樣截面圖進(jìn)行分析，結(jié)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(jí)之間成反比，密度等級(jí)由300 kg／m3增至1 000 kg／m3時(shí)，孔隙率由72.8%下降到57.3%，表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。隨著密度等級(jí)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(jié)果一致。這是因?yàn)槊芏鹊燃?jí)是由發(fā)泡劑摻量來控制的，密度等級(jí)高的試樣發(fā)泡劑摻量低，GFC單位體積內(nèi)氣孔占比下降，基體材料占比增加，造成孔隙率降低。此外，發(fā)泡劑摻量下降導(dǎo)致生成的氣體體積減小，產(chǎn)生氣體的速度變慢，氣泡內(nèi)外壓力易達(dá)到平衡狀態(tài)，氣泡之間難以相互融合形成大孔，導(dǎo)致平均孔徑減小，氣孔更接近圓形。圖9～圖11對(duì)不同密度等級(jí)GFC的孔隙率、平均孔徑和形狀因子進(jìn)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(jié)果表明，孔隙率與密度等級(jí)之間呈線性相關(guān)，平均孔徑與密度等級(jí)之間呈指數(shù)衰減相關(guān)，形狀因子與密度等級(jí)之間呈指數(shù)相關(guān)。

3 結(jié)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(jí)下GFC試樣的各項(xiàng)物理性能，并通過軟件表征其孔結(jié)構(gòu)。結(jié)論如下：

（1）隨著GFC密度等級(jí)的逐漸增加，其抗壓強(qiáng)度逐漸升高，與密度等級(jí)之間呈指數(shù)關(guān)系。

（2）低密度等級(jí)的GFC具有更低的導(dǎo)熱系數(shù)，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(jí)的增加而減小，與其呈二次函數(shù)相關(guān)，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(jí)的增加而下降，這是由于高密度等級(jí)的GFC反應(yīng)體系中生成的氣體體積減小，產(chǎn)生氣體的速度變慢，氣泡內(nèi)外壓力易達(dá)到平衡狀態(tài)，氣泡之間難以相互融合形成大孔。