玻璃粉-礦渣地聚合物基泡沫混凝土研究

汪海風，劉杰，盧建磊，林州，盛建松，楊輝，2

（1.浙江大學浙江加州國際納米技術研究院，浙江 杭州 310058；2.浙江大學材料科學與工程學院，浙江 杭州 310027）

玻璃粉-礦渣地聚合物基泡沫混凝土研究

汪海風1，劉杰1，盧建磊1，林州1，盛建松1，楊輝1，2

（1.浙江大學浙江加州國際納米技術研究院，浙江 杭州 310058；2.浙江大學材料科學與工程學院，浙江 杭州 310027）

以H2O2為發泡劑，以玻璃粉、礦渣、堿激發劑等為原料制備地聚合物基泡沫混凝土?？疾靿A激發劑模數、玻璃粉/礦渣質量比、堿激發劑用量、H2O2用量等因素對泡沫混凝土干密度、抗壓強度和導熱系數等性能影響。結果表明：當堿激發劑模數為1.2，玻璃粉/礦渣質量比為10%，堿激發劑用量為15%，H2O2用量為5%時，泡沫混凝土的綜合性能最佳，干密度為409.3 kg/m3，抗壓強度為1.64 MPa，導熱系數為0.088 W/（m·K）。

地聚合物；泡沫混凝土；玻璃粉；礦渣

0 引言

地聚合物是以硅鋁質材料為原料，在堿激發劑作用下，常溫或低于150℃下合成的一種新型膠凝材料，具有原料來源廣、工藝簡單、能耗少、環境污染小等優點[1-2]。目前，以地聚合物為膠凝材料，開發輕質保溫材料的研究越來越多。如Huiskes D M A等[3]在粉煤灰-礦渣基地聚合物中摻加多孔膨脹玻璃為輕質骨料。Posi P等[4]在粉煤灰基地聚合物中摻加回收輕質骨料。Kupaei R H等[5]在粉煤灰基地聚合中摻加油椰子殼。Wu和Sun[6]通過在粉煤灰-偏高嶺土基地聚合物中添加煤胞和EPS，開發出地聚合物基輕質保溫材料。另外，除了在地聚合物中摻加輕質骨料，Hlavácek P[7]和Sanjayan J G[8]等在粉煤灰基地聚合物中添加鋁粉，通過鋁粉發泡，開發出輕質保溫材料。而Liu Z等[9]在粉煤灰基地聚合物中添加H2O2，通過其發泡，也開發出輕質保溫材料。在地聚合物中摻加輕質骨料，工藝簡單，保溫材料抗壓強度較高，但導熱系數和干密度也偏高[3-6]，不能完全滿足在現代節能建筑中應用[10]。而在地聚合物中添加鋁粉、H2O2化學發泡劑，能制備低干密度、低導熱系數的保溫材料，但地聚物主要原料為粉煤灰，其存在污染大，產地分布不均等弊端[7-9]。

《中國建筑垃圾資源化產業發展報告（2014年度）》指出，在今后10年，我國平均每年將產生15億t以上建筑垃圾。建筑垃圾侵占土地資源，污染土壤、大氣和水源，影響城市美觀，對建筑垃圾進行綜合利用日益迫切[11-13]。建筑垃圾包括廢棄紅磚、混凝土塊、陶瓷塊、廢棄玻璃等。其中玻璃為無定型相，成分以SiO2為主，在堿作用下能參與生成地聚合物。因此，本文以廢棄玻璃為原料，復配礦渣制備地聚合物膠凝材料，并通過H2O2發泡和蒸壓養護工藝，開發新型地聚合物基泡沫混凝土保溫材料。

1 原材料及方法

1.1 原材料

玻璃粉：由廢棄玻璃先后經顎式破碎和球磨所得，0.08 mm方孔篩篩余小于3%，化學成分見表1。礦渣：S95級，浙江合力新型建材有限公司，化學成分見表1。堿激發劑：由硅酸鈉（工業級，模數m=3.3，桐鄉市向陽刨花堿廠）和NaOH（工業級，購自南京米兆化工有限公司）溶于水配制，固含量為35%，模數分別為1.2、1.8和2.5。雙氧水：30%，工業級，國藥集團。硬脂酸鈣：工業級，天津市凱通化學試劑有限公司。

表1 玻璃粉及礦渣的化學成分%

1.2 地聚合物基泡沫混凝土的制備

①往混合機中加入玻璃粉、礦渣、硬脂酸鈣等固體粉料，高速攪拌20 min，得均勻粉體；②往混凝土攪拌機中加入堿激發劑和水，攪拌5 min后，加入步驟①得到的混合粉體，高速攪拌5 min，加入雙氧水，繼續攪拌20 s，得混合漿體；③將混合漿體注入模具中，靜置成型，模具表面覆上遮蓋物，防止水分揮發太快，導致材料開裂，24 h后脫模，進行蒸壓養護（溫度150℃，壓力0.5 MPa，時間5 h）。

1.3 地聚合物泡沫混凝土的性能測試方法

泡沫混凝土干密度按GB/T 11970—1997《加氣混凝土體積密度含水率和吸水率試驗方法》進行測試；抗壓強度按GB/T 11971—1997《加氣混凝土力學性能試驗方法》進行測試；導熱系數按GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》進行測試。

2 結果與討論

2.1 堿激發劑模數對泡沫混凝土性能的影響

實驗中堿激發劑模數分別為1.2、1.8和2.5。發現當堿激發劑模數為1.8時，混凝土在發泡過程中容易隆起，導致其內部出現空腔，而當堿激發劑模數為2.5時，泡沫混凝土一直不硬化，導致不能脫模，不能進行下一步操作。當堿激發劑模數為1.2時，能穩定制備出地聚物基泡沫混凝土，因此實驗中堿激發劑模數優選為1.2。

2.2 玻璃粉/礦渣質量比對泡沫混凝土性能的影響

固定堿激發劑用量為15%（堿激發劑中固體質量與玻璃細粉和礦渣質量的和之比，下同），H2O2用量為5%（與玻璃細粉和礦渣質量和之比，下同），考察玻璃粉/礦渣質量比對泡沫混凝土性能的影響，結果見圖1、圖2。

圖1 玻璃粉/礦渣質量比對泡沫混凝土漿體膨脹倍數和干密度的影響

圖2 玻璃粉/礦渣質量比對泡沫混凝土抗壓強度和導熱系數的影響

由圖1可見，隨玻璃粉/礦渣質量比增大，泡沫混凝土漿體的膨脹倍數呈先減小后增大的趨勢，從未摻玻璃粉時的5.0倍降到15%時的3.1倍；而當玻璃粉/礦渣質量比為20%，漿體膨脹倍數有所回升，為4.0倍。泡沫混凝土漿體膨脹倍數與粉體密度和漿料黏度有關，玻璃粉密度比礦渣大，增加其用量，氣泡上升阻力增加，漿體膨脹倍數降低，但玻璃粉加入能降低漿體黏度，又有利于氣泡膨脹，因此，當其用量為20%時，漿體膨脹倍數又有所回升。泡沫混凝土干密度變化規律與漿體膨脹倍數相對應，即當玻璃粉/礦渣質量比從0增加到15%時，泡沫混凝土的干密度增大，而當玻璃粉/礦渣質量比為20%時，由于漿體膨脹倍數的回升，泡沫混凝土干密度又稍有下降。

由圖2可見，隨玻璃粉/礦渣質量比的增大，泡沫混凝土的抗壓強度先逐漸增強后又開始下降，當玻璃粉/礦渣質量比為10%時，抗壓強度最大，為1.64 MPa，較未摻加玻璃粉泡沫混凝土的抗壓強度提高30%。玻璃粉為無定型相，易在堿激發劑作用下發生溶解、聚合，生成地聚合物膠凝材料，提高混凝土強度。但隨著玻璃粉用量不斷增加，由于其不能完全參與反應，剩余物只能起到一般填充物作用，又導致泡沫混凝土抗壓強度發生下降。隨玻璃粉/礦渣質量比的增加，泡沫混凝土導熱系數也呈先增大后降低，當玻璃粉/礦渣質量比為15%時，導熱系數最大。

2.3 堿激發劑用量對泡沫混凝土性能的影響

固定玻璃粉/礦渣質量比為10%，H2O2用量為5%，考察堿激發劑用量對泡沫混凝土性能的影響，結果見圖3、圖4。

圖3 堿激發劑用量對泡沫混凝土漿體膨脹倍數及干密度的影響

圖4 堿激發劑用量對泡沫混凝土抗壓強度及導熱系數的影響

由圖3、圖4可見，隨堿激發劑用量增加，泡沫混凝土漿體膨脹倍數逐漸增大，干密度、導熱系數逐漸降低，而抗壓強度先升高后降低。H2O2在堿性環境中發生反應，生成O2和H2O，O2使地聚合物漿體發生膨脹，并形成氣孔結構[14]。實驗中當堿激發劑用量增多時，H2O2分解速率加快，產生的氣體使漿體很快膨脹起來，并且由于地聚合物漿體硬化快[15]，不發生塌模，所以氣孔結構能被保留下來，使得泡沫混凝土的干密度和導熱系數逐漸降低。另外，隨堿激發劑用量增加，產生膠凝材料量增多，泡沫混凝土的抗壓強度提高，但后期由于隨泡沫混凝土膨脹倍數增大，體系中氣孔結構增多，又使得混凝土的抗壓強度下降。

2.4 H2O2用量對泡沫混凝土性能的影響

實驗固定堿激發劑模數為1.2、用量為15%，玻璃粉/礦渣質量比為10%，考察H2O2用量對泡沫混凝土性能的影響，結果見圖5、圖6。

圖5 H2O2用量對泡沫混凝土漿體膨脹倍數及干密度的影響

圖6 H2O2用量對泡沫混凝土導熱系數和抗壓強度的影響

由圖5、圖6可知，當H2O2用量從3%增加到5%時，泡沫混凝土漿體膨脹倍數增幅較快，但繼續增加H2O2用量，漿體膨脹倍數變化不大；而當H2O2用量為9%時，由于氣泡產生速率快、量多，導致漿體發生塌模，膨脹倍數反而降低。泡沫混凝土的干密度、導熱系數及抗壓強度的變化趨勢與漿體的膨脹倍數變化趨勢相對應，即隨著H2O2用量的增加，泡沫混凝土的干密度、導熱系數及抗壓強度呈先降低后增加。

當堿激發劑模數為1.2、用量為15%，玻璃粉/礦渣質量比為10%，H2O2用量為5%時，泡沫混凝土的綜合性能最佳，干密度為409.3 kg/m3，抗壓強度為1.64 MPa，導熱系數為0.088 W/（m·K）。

3 結語

以廢棄玻璃粉為原料，復配礦渣制備地聚物材料，并通過H2O2發泡和蒸壓養護工藝，開發地聚合物基泡沫混凝土?？疾靿A激發劑模數、玻璃粉/礦渣質量比、堿激發劑用量和H2O2用量等因素對泡沫混凝土干密度、抗壓強度和導熱系數影響。

（1）堿激發劑模數優選為1.2，能穩定制備的地聚物基泡沫混凝土。

（2）隨玻璃粉/礦渣質量比的增加，泡沫混凝土的干密度、抗壓強度、導熱系數先升高后降低。

（3）隨堿激發劑用量的增加，泡沫混凝土的干密度、導熱系數逐漸降低，抗壓強度先升高后降低。

（4）隨H2O2用量增加，泡沫混凝土的干密度、導熱系數及抗壓強度先降低后升高。

（5）當堿激發劑模數為1.2、用量為15%，玻璃粉/礦渣質量比為10%，H2O2用量為5%時，泡沫混凝土的綜合性能最佳，干密度為409.3 kg/m3，抗壓強度為1.64 MPa，導熱系數為0.088 W/（m·K）。

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Study on geopolymer foamed concrete based on glass powder-slag

WANG Haifeng1，LIU Jie1，LU Jianlei1，LIN Zhou1，SHENG Jiansong1，YANG Hui1，2
（1.Zhejiang California International Nano Systems Institute，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China；2.College of Material Science and Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Using H2O2as foam agent，geopolymer foamed concrete were prepared with glass powder，slag and alkali activator as starting materials.The experimental parameters，which affected the dry apparent density，compressive strength and thermal conductivity of foamed concrete were discussed，such as modulus of alkali activator，glass powder to slag weight ratio，alkali activator contents and H2O2contents.The result exhibits the best properties with dry apparent density of 409.3 kg/m3，compressive strength of 1.64 MPa and thermal conductivity of 0.088 W/（m·K）when modulus of alkali activator is 1.2，glass powder to slag weight ratio is 10%，alkali activator content is 15%，and H2O2content is 5%.

geopolymer，foamed concrete，glass powder，slag

TU528.2

A

1001-702X（2016）12-0076-04

國家科技支撐計劃項目（2014BAL03B01）

國家863計劃項目（2015AA034701）

2016-07-14

汪海風，男，1984年生，安徽安慶人，副研究員，從事固廢處理研究。