碱激发矿渣泡沫混凝土研究

2017-02-28 10:24阅读：

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前言：
矿渣是高炉炼铁时产生的废渣。其主要成分为SiO₂和CaO，同时也含有少部分MgO和Al₂O₃。相关研究表明，矿渣放置在空气或水中，基本不与水起反应，即不具有水硬活性，矿渣的活性只有在加入激发剂的条件下才能激发出来且具有较强的水化活性。丢弃工业废渣会对环境造成污染，同时也是对可再次利用资源的一种浪费。充分合理的利用工业矿渣并变废为宝，即有助于节能环保又符合可持续发展的战略^[1]。本实验选择水玻璃作为碱性激发剂对矿渣进行活性的激发，使其成为一种可替代水泥的优良胶凝材料。
传统的泡沫混凝土在拥有保温隔热、轻质耐火优点的同时，也存在着导热系数较大，干缩严重的问题。陶粒自身容重轻，吸水率较泡沫混凝土为小，导热系数也比较低。所以，本实验提出在泡沫混凝土中掺入陶粒的方案，期望通过陶粒来降低泡沫混凝土的收缩值和导热系数，提高制品的优异性。同时本实验还研究了通过加入聚丙烯酸钠盐SAP来改进泡沫混凝土的性能，SAP是一种高吸水树脂，一般可以吸收相当于自身体积100倍以上的水分，最高的吸水率

可达1000%以上，掺入后能起到内养护的作用，能有效改善普通混凝土开裂的问题。
作者在碱激发矿渣体系的前提下，通过掺入陶粒和聚丙烯酸钠盐SAP作为内养护材料对泡沫混凝土进行改性，制备出了全矿渣替代水泥、高强度低收缩、低导热系数的泡沫混凝土。
1实验
1.1 原材料
硅酸盐水泥取于亚东牌P.O42.5水泥，密度为3.2kg/cm³，勃氏比表面积为400 m²/kg 。粉煤灰为武汉阳逻电厂出产的Ⅱ级粉煤灰，过0.045mm方孔筛筛余为15.6%，密度2.3g/cm³。硅灰采用比表面积≥20000m²/kg，平均粒径≤0.225μm，密度≈1650kg/m³，活性指数≥90的硅灰粉。矿渣的活性为S105级，其勃氏比表面积大于450m²/kg。各胶凝材料的化学成分分析如表1。

此外，所用的水玻璃的模数n=1.2，固含量s=60%。减水剂为上海三瑞集团生产的聚羧酸C型高效减水剂，固含量为20%，减水率为40%。泡沫剂为广东冠生公司提供的复合植物蛋白阴离子表面活性剂GS-1，密度为1.01kg/L，稀释倍数为39，发泡倍数为20倍。
陶粒取自利用生活污泥烧制的超轻陶粒，筒压强度为0.9MPa，导热系数为0.13-0.14W/(m·K)。聚丙烯酸钠盐SAP是一种高吸水树脂，为具有亲水基团、能大量吸收水分而溶胀又能保持住水分不外流的合成树脂，外观为白色粉末，PH值为中性。陶粒和SAP的基本性能如表2。

1.3 方法
相关研究表明，矿渣在碱激发剂水玻璃的激发下会表现出很强的水化活性，可以用来制备强度很好的混凝土。固本实验提出运用矿渣替代水泥制备泡沫混凝土，替代量设置为40%、60%、80%、100%，通过实验，研究出矿渣最佳替代量。
在降低泡沫混凝土导热系数、干缩和保持相对强度的前提下，通过对陶粒和SAP不同的掺入量，找出陶粒和SAP的最佳用量，总结其对泡沫混凝土的影响。
对最优配合比方案进行微观测试，测定其标准养护条件下28d样品的XRD与SEM，得出水化产物与微观形貌。
2结果与分析
2.1矿渣掺量对泡沫混凝土性能的影响

A1、A2、A3、A4样品中，在保持其他因素不变的情况下，研究了碱激发体系下矿渣替代水泥的不同掺量对泡沫混凝土性能的影响。
从图1中可以看出，矿渣组分的掺入有助于泡沫混凝土强度的提高，对比不同比例替代的实验结果，3d抗压强度从2.7MPa上升到3.1MPa，提升幅度为14.8%，7d抗压强度从4MPa上升到4.5MPa，提升幅度为11.1%，，28d抗压强度从4.8MPa上升到5.3MPa，提升幅度为14.5%。由于矿渣继续掺入的同时需要会需求更多的水玻璃作为激发剂加入水泥浆体，而水玻璃会提高浆体的黏度，降低流动性。固在考虑提高泡沫混凝土强度，同时确保水泥浆体流动性的前提下，适当的增加减水剂的掺量。从图2中可以看出，矿渣替代水泥量增加后，样品的收缩值会变大。分析是虽然矿渣和硅酸盐水泥成分比较相似，但是在生成的过程中经过骤冷，形成大量无法结晶的玻璃态物质，因此不存在单矿物水化减缩的差异。固在相同的环境条件下，碱矿渣的水分损失比硅酸盐水泥的小，其干缩是硅酸盐水泥混凝土的1.2—1.9倍^[2]。且本方案为了控制对矿渣的活性激发与反应速度，选用水玻璃模数为n=1.2。在这个碱溶液浓度范围内，碱矿渣的化学收缩较大，这与一些专家的研究结果相符合^[3-4]。从图3中可以看出，矿渣掺量的增加会使泡沫混凝土导热系数上升。分析是矿渣替代量增加后，水玻璃的用量也随之增加，而水玻璃对浆体的增粘效应十分显著，导致泡沫掺入浆体后搅拌的均匀性下降，并且致使泡沫拌合过程中由于浆体阻力过大而破灭可能性增大，进而泡沫混凝土的孔结构就受到一定影响，小气泡破灭导致独立密闭气孔减少，连通孔增加，制品保温性能下降，故导热系数也随之上升。
2.2陶粒对泡沫混凝土性能的影响

从图4中可以看出，泡沫混凝土3d的强度会随陶粒掺入量的增加而下降，分析是前期主要是浆体硬化提供强度，陶粒掺量提高导致浆体体积分数降低，从而降低了制品的强度。当掺量低于10%时7d和28的强度会随陶粒的掺入而上升，当掺量达到12.5%时，7d和28d强度会下降。分析是陶粒是一种多孔材料，预湿后会吸取一部分水，在胶材的水化过程中，陶粒会逐步释放出其吸收的水分，及时补充了因蒸发而导致的水分缺失，促进水化反应，起到了内养护材料的作用，从而提高了制品的强度。不过，当陶粒掺量大于10%时，陶粒会使泡沫混凝土抗压强度降低，原因是陶粒掺量过多时，陶粒所占泡沫混凝土的体积分数就较大，且陶粒筒压强度远小于泡沫混凝土的强度，在施加压力的过程中，陶粒先于浆体材料破碎，降低了样品的强度。本实验只掺入质量分数10%的陶粒，可确保泡沫混凝土的强度达标。
从图5中可以看出，相比A3，掺入陶粒后的样品导热系数显著降低。这是因为陶粒自身导热系数较小，保温性能好，在墙体材料中起到了一个个阻热点的作用，能够成为热传导的阻隔单位。不过随着陶粒掺量的加大，B1-B4降低的幅度逐渐减小，分析是陶粒自身导热系数约为0.13-0.14 w/（m·k），极限情况掺入100%陶粒的泡沫混凝土导热系数约为0.14 w/（m·k），增加陶粒掺量会逐渐接近极限值，且导热系数的降低幅度会减小。
从图6中可以看出，陶粒的加入会使泡沫混凝土的收缩值降低很多，这是因为陶粒自身收缩值极小，可以有效缓解多孔材料因水分蒸发而导致的干缩。同时，吸水后的陶粒会在后期水化进程中逐步释放出水分，自己身的含水率与胶材达到动态平衡，有利于胶凝材料的水化，使泡沫混凝土形成以陶粒为中心的水化优势区域，为内应力的消除提供保障，从而降低收缩效应。
3.聚丙烯酸钠盐SAP对泡沫混凝土性能的影响

从图7中可以看出，SAP的掺入会使泡沫混凝土的强度逐渐降低，并且降低的幅度较大。这是因为引入的SAP吸收了大量的水分，在后来的蒸发过程和胶凝材料水化过程中不断释水，导致后期SAP存在的部位留下空隙，劣化了制品的显微孔结构，提高了泡沫混凝土的孔隙率，进一步降低了制品的密实度，根据混凝土Powers胶孔比理论，孔隙率每增加1%，混凝土强度强度就将降低5%^[5]。在泡沫混凝土这种低强度混凝土范围内，孔隙率的提高带了的强度降低就显得更加明显。
从图8中可以看出SAP的掺入会使泡沫混凝土的导热系数逐渐降低，这和上面提到的孔隙率增加有关。空隙增多，热传导的阻碍便增多，泡沫混凝土的导热系数就越低。
从图9中可以看出，SAP的掺入会使泡沫混凝土的收缩降低。在胶凝材料水化进行到一定程度时，其内部水环境逐步减弱，毛细孔中的水分被吸收消耗，于是毛细孔内会产生负压，促使自干燥的产生，造成收缩效应。SAP的掺入会在负压出现时释放内部含有的水分，抵消掉负压，缓解自收缩。此外，SAP释放的水分即使补充了胶凝材料水化的需水量，促进泡沫混凝土的硬化，为抵抗收缩应力提供强度，进一步降低收缩效果。
2.4微观测试
综合上面的分析结果，制备了全矿渣无水泥泡沫混凝土，并掺入功能材料（陶粒和SAP）来降低收缩和导热系数。配合比如表4：

从图10中可以看出，水化产物中生成了长石类与沸石类的物质，同时还有特征峰明显的C-A-S-H与C-S-H凝胶。在水玻璃和矿渣引入后，在碱的作用下，矿渣的无定型硅铝化合物经历了有解聚到再聚合的过程，最终形成了硅铝酸盐网络结构。水泥水化产物C-S-H凝胶中的Si⁴⁺被矿渣提供的Al³⁺取代，剩余一个价位由水玻璃硅酸钠提供的Na⁺来平衡，形成铝氧四面体或者铝硅氧四面体结构，形成长石和沸石类的物质。

水玻璃加入后，矿渣在碱的作用下所含有的化合物经历了有解聚到再聚合的过程，最终形成硅酸盐网络状结构，为泡沫混凝土提供了强度。图11为放大2K倍的图像，从中可以看出矿渣碱激发体系可以加速水化反应，提高强度。结合XRD试验分析可知，水化产物主要是由粒子构成的网络状C-S-H、杆状钙沸石类矿物、杆棒状杆沸石及一些凝胶型沸石类水化产物，杆棒状沸石类矿物呈零星状、有的呈交叉集合状分布于水化空间中。其生成的物质与C-S-H凝胶一起构成硅酸盐网络胶凝相和结晶相形成致密结构。从而使水泥石空隙变小，后期强度不断提高。图12为放大500倍的图像，从中可以看出制品气泡大致完整，独立性好，密闭性强，为降低导热系数、提供强度起到了作用。
3结论
a．在碱激发的环境下，选择模数n=1.2的水玻璃作为激发剂，可选用矿渣替代水泥制备泡沫混凝土，且抗压强度随替代量的增加而上升，最大替代量为100%。同时，矿渣的掺入会致使泡沫混凝土导热系数上升，收缩值增大。制品容重为600kg/m³，28d抗压强度为6.5MPa，导热系数为0.178w/（m·k），收缩为0.87mm／m。
b．掺入陶粒后，泡沫混凝土的抗压强度会先升高再降低，掺量为10%时强度提升最大。陶粒的掺入能显著降低泡沫混凝土的导热系数，同时有效缓解泡沫混凝土的收缩。掺入聚丙烯酸钠盐SAP能有效降低泡沫混凝土的导热系数和控制泡沫混凝土的收缩，但是由于增加了孔隙率，略微降低了泡沫混凝土的抗压强度。通过陶粒和聚丙烯酸钠盐SAP对碱激发矿渣泡沫混凝土进行改性，得到制品容重为600kg/m³，28d抗压强度为5.5MPa，导热系数为0.142w/（m·k），收缩为0.45mm／m。
c．XRD分析显示，28d标养后矿渣泡沫混凝土内部水

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