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)。
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。
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
1.3.1 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
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)。
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。
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)。
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)。
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。