全矿渣碱激发制备内养护泡沫混凝土的研究.pdf

2 0 1 5年 第 8期 (总 第 3 1 0期 ) N u mb e r 8 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 1 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 PRACnCAL T ECHNoLOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 8 0 4 1 全矿渣碱激发制备 内养护泡沫混凝土的研究 丁庆军 。 丁晓歆 。黄辉 。张格飞 ，李远 ( 1 武汉理工大学 材料科学与工程学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0； 2 武汉地产开发投资集团有限公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 研究 了碱激发环境下矿渣替代水泥制备泡沫混凝土的方案。 结果表明， 激发剂水玻璃模数选择 n= 1 2 ， 提高矿渣替代水 泥的 比例能有效提高泡沫混凝土的抗压强度， 取代比例可以达到为 1 0 0 ， 制品密度为 6 0 0 k g m。 ， 2 8 d 抗压强度为6 5 MP a ， 导热 系数为0 1 7 8 W ( m K ) ， 收缩为 O 8 7 i L l m。 同时， 试验还研究了掺入超轻陶粒或者聚丙烯酸钠盐 S A P作为内养护材料对泡沫 混凝土性能的影响， 发现二者都能有效降低导热系数和收缩， 掺入陶粒时能提高制品的强度， 而掺入 S A P会降低制品的强度。 最 终复掺陶粒和 S A P对泡沫混凝土进行改性， 制品性能： 密度为 6 0 0 k g m 3 ， 2 8 d 抗压强度为 5 5 MP a ， 导热系数为0 1 4 2 W ( m K ) ， 收缩为0 4 5 m m m， 总体性能良好。 关键词： 泡沫混凝土； 碱激发 ； 矿渣 ； 超轻陶粒； 聚丙烯酸钠盐 S A P 中图分类号 ： T U 5 2 8 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 8 0 1 5 6 0 5 R e s e a r c h o n p r e p a r a t i o n o f i n t e r n a l c u r i n g f o a m c o n c r e t e u s i n g s l a g a l k a l i a c t i v ate d D I N G Q i n g j u n ， D I NG X i a o x i n ， HU A N G H u i ， Z H A NG G e f e i ， L I Y u a n ( 1 Co H e g e o fMa t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g， Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Wu h a n4 3 0 0 7 0， Ch i n a ； 2 Wu h a n R e a l E s t a t e Gr o u p ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0， C h i n a ) Ab s t r a ct ： I t s t u d i e d u n d e r alk a l i s ti mu l a t i o n e n v i r o n me n t s l a g r e p l a c e s c e me n t t o p r o d u c e f o a m c o n c ret e T h e res u l t s h o ws t h a t wh e n t h e e x c i t a n t s o d i um s i l i c a t e mo d u l us c h o o s e s n=1 2 r a i s i n g t h e p e r c e n tag e o f s l a g wh i c h rep l a c e s c e me n t C a l l e f f e c ti v e l y i n c rea s e the c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f foa m c o n c r e t e ， a n d the-s u b s ti t u ti o n p r o p o r t i o n c a n a c h i e v e 1 0 0 1 h e p r o d u c t d e n s i ty i s 6 0 0 k g m ， 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g th i s 6 5 MP a ， th e r ma l c o n d u c ti v i ty i s 0 1 7 8 w ( m K) ， s b x i n k a g e i s 0 8 7 mm m Me a n w h i l e ， th e e x p e r i me n t a l s o re v e a l s th a t mi x i n g wi t h c e r a ms i t e a s i n s i d e c o n s e r v a tio n ma t e ria l wi l l i n f l ue n c e foa m c o n c r e te pe r f o r manc e s ， S O d o e s p o l ya c r y l i c a c i d s o d i um s a l t S AP， t he y t wo a l l c a n r e d u c e the t h e r ma l c o n d u c tiv i t y an d the c o n tra c tio n e ffe c tiv e l y Mi x i n g wi th the c e r a mi c c an i n c r e a s e the s t r e n g t h， t h e e f f e c t o f S AP i s o p p o s i t e Fi n a l l y the s t u d y us e s t h e c e r a ms i t e an d S AP t o mo di f y foa m c o n c rete a t the s a me time， the n the p r oduc t p e rf o r ma n c e c an b e ： d e n s i t y i s 6 0 0 k g m ， 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i s 5 5 IV I P a ， a the r mal c o n d u c ti v i ty i s 0 1 4 2 W ( m K) ， s h r i n k a g e i s O45 mm m o v e r a l l p e rfo rm a n c e i s g o o d Key wor ds： f omn c o n c r e t e； a l k a l i a c ti va t e d； s l a g； l i g h t we i g h t c e r a mi c； p o l y a c r yl i c a c i d s o di u m s alt S AP 矿渣是高炉炼铁时产生的废渣。 其主要成分为S i O ， 和 C a O， 同时也含有少部分 Mg O和 A 1 ： O ， 。 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 J 。 本试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 身密度轻 ， 吸水率较泡沫混凝土为小 ， 导热系数也 比较 低。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 卜 1 1 1 5 6 所以， 本试验提 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 。 同时本试验还研究 了通过加入聚丙烯酸钠盐 S A P 来改进泡沫混凝 土的性能 ， S A P是一种 高吸水树脂 ， 一 般可以吸收相当于自身体积 1 0 0倍以上的水分， 最高的 吸水率可达 1 0 0 0 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 S A P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 试 验 1 1 原材料 硅酸盐 水泥 取 于亚东 牌 P O 4 2 5级水 泥 ， 密度 为 3 2 g c m ， 勃氏比表面积为 4 0 0 m k g 。 粉煤灰为武汉阳 逻电厂出产的 I I 级粉煤灰， 过 0 0 4 5 i r l l n方孔筛筛余为 1 5 6 ， 密度 2 3 g c m 3 。 硅灰采用比表NO 2 0 0 0 0 m2 k g ， 平均粒径 O 2 2 5 m， 密度 1 6 5 0 k g m ， 活性指数 9 0 的硅灰粉。 矿渣 的活性为 S 1 0 5级 ， 其勃 氏 比表 面积大 于 4 5 0 m k g 。 各胶凝材料的化学成分分析如表 1 。 表 1 胶凝材料的化学分析 此外 ， 所用的水玻璃 的模数 n=1 2 ， 固含量 =6 0 。 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2 0 ， 减水率为4 0 。 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 G S一1 ， 密 度 为 1 0 1 k g L， 稀释倍数为 3 9 ， 发泡倍数为 2 0倍 。 陶粒取 自利用 生活污泥烧制 的超轻 陶粒 ， 筒压强度为 盐 S A P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 ， p H值为中性 。 陶粒和 S A P的基本性能如表 2 。 1 2试验 配合 比的设计 目标设计密度为 6 0 0 - 6 5 0 k g m ， 强度为 5 0 6 5 MP a 。 利用泡沫混凝土配合 比设计方法 ， 通过试验确定如表 3所 0 9 MP a ， 导热系数为 0 1 3 0 1 4 W ( m K) 。 聚丙 烯酸钠 示的泡沫混凝 土试验配合 比。 表 2 陶粒和 S A P的基本性能 注 ： 陶粒掺量为胶凝材料的质量百分 比， 控制 S A P吸水倍数为 自身质量 的2 0 0倍。 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 。 故本试验提出运用矿渣替代水泥制备泡沫混凝土 ， 替代量 设置为 4 0 、 6 0 、 8 0 、 1 0 0 ， 通过试验 ， 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 S A P不 同 的掺入 量 ， 找 出陶粒 和 S A P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 2 8 d样品的 X R D与 S E M， 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 、 A 2 、 A 3 、 A 4 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 同比例替代的试验结果 ， 3 d抗压强 度从 2 7 MP a 上升到 3 1 MP a ， 提升 幅度 为 1 4 8 ， 7 d抗 压强度从 4 MP a 上升到 4 5 MP a ， 提升 幅度为 1 1 1 ， 2 8 d 抗压强度从 4 8 MP a 上升到 5 - 3 MP a ， 提升幅度为1 4 5 。 1 5 7 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。故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 。 故在相 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 J 。 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 叫J 。 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 增黏效应 十分显著 ， 导致泡沫掺入浆体后搅拌的均匀性下 降， 并且致使泡沫拌和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。 l 58 0 19 砷 。 l 。 龄 期 ， d 图 1 矿渣对抗压强度的影响 Al A2 A3 A4 样品 图 2矿渣对 导热 系数 的影 响 Al A2 A3 A4 样 品 图3矿渣对收缩的影响 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 3 d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 1 0 时 7 、 2 8 d强度会 随陶粒 的掺 人而上升 ， 当掺量达到 1 2 5 时 ， 7 、 2 8 d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 l o u ， 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。 本试验只掺入质量分数 1 0 的陶粒 ， 可确保泡沫混凝土的 强度达标。 龄 期 ， d 图 4 陶粒对抗压强度的影响 从 图 5中可以看 出， 相 比 A 3 ， 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 ， B 1 B 4降 低的幅度逐渐减小 ， 分析是 陶粒 自身 导热系数约 为0 1 3 0 1 4 W ( m K) ， 极 限情况掺人 1 0 0 陶粒 的泡沫混凝上导 热系数约为 0 1 4 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 。 事 星 蠡 鬟 曲 A3 l BZ Bj 4 样 品 图 5 陶粒对 导热 系数 的影 响 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 ， 自己本身的含 水率与胶材达到动态平衡 ， 有利于胶凝材 料的水化 ， 使 泡 5 5 5 5 5 5 6 5 4 3 2 1 日 d p 憩鹾 一 一 I 一 I 一 如 0 O O O O O 0 一 日 目一 婚擎 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。 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 S A P ) 来降低收缩和导热系 数 。 配合 比如表 4 。 5 5 日 4 5 嚣 3 _5 出 堰 2 5 A3 B1 B2 B3 B4 样 品 1 5 图 6陶粒 对收 缩的 影响 2 3 聚 丙烯 酸钠 盐 S A P对泡沫混凝土性能的影响 从图 7中可以看出， S A P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 S A P 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 S AP 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 P o w e r s 胶孔 比理论 ， 孔隙率每增加 l ， 混凝土强度就将 降低 5 。 在泡沫混 凝土这种低强度混凝土范围内， 孔隙率的提高带来 的强度 降低就显得更加明显。 从 图 8中可以看 出 S AP 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， S AP 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 。 S A P的掺人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， S A P释放的水分即使补充 J ， 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 。 表 4 泡沫混凝土配合比 享 7 28 龄期 d 抗压强度的测试 A1 C1 C2 C3 C4 样品 图 8 导热系数的测试 Al Cl C2 C3 C4 样品 图 9收缩的测试 x 寸 其进行测试 ， 结果制品密度为 6 0 0 k g m ， 2 8 d抗压 强度为 5 5 MP a ， 导热 系数 为 0 1 4 2 W ( m K) ， 收 缩为 0 4 5 m m m， 总体性能 良好 ， 达到初始 的期望。 对在标准养护条件下养护 2 8 d的试样 D l 进行 X R D 和 S E M 的微观测试 ， 得到 X R D图谱如图 1 0 。 S E M 图像如 图 1 1 、 1 2 。 从 图 1 0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s i 被矿渣提供的 A l 取代 ， 剩余一个价位 由水玻璃硅酸钠提 供 的 N a 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。 l 长石类产物I l 沸石类产物I I l C A S H I 。 l C S H l 。 l - 山 I ， I I 1 5 1 0 2 O 3 O 4 0 5 0 6 O 7 O 8 0 图 1 0 X R D测试图像 1 5 9 9 6 3 0 O 0 O 一口 目) 凰 婿 9 6 3 0 0 O O 一 巷一 通 婚娶 咖 咖 0 6 5 4 3 2 1