姜林伯，廖洪強(qiáng)，任國宏，周冬冬

(1.山西大學(xué)，資源與環(huán)境工程研究所，國家環(huán)境保護(hù)煤炭廢棄物資源化高效利用技術(shù)重點實驗室，煤電污染控制及廢棄物資源化利用山西省重點實驗室，山西低附加值煤基資源高值利用協(xié)同創(chuàng)新中心，山西 太原 030006；2.北京科技大學(xué)，北京 100083)

0 引 言

近年來，節(jié)能保溫建筑材料的開發(fā)和應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注，如何獲得高強(qiáng)度、低密度的建筑保溫材料一直是人們追求的目標(biāo)，有關(guān)學(xué)者開展了大量研究工作[1-2]，主要是集中在原料配方中加入硅灰、粉煤灰玻璃微珠等，但會造成生產(chǎn)成本增加。廖洪強(qiáng)等[3]提出一種加壓發(fā)泡的方法，可實現(xiàn)低成本獲得高強(qiáng)度建筑保溫材料，表現(xiàn)出較強(qiáng)工業(yè)應(yīng)用前景。但是，加壓發(fā)泡尚缺乏系統(tǒng)基礎(chǔ)研究，尤其是缺乏工藝條件之間的關(guān)聯(lián)優(yōu)化規(guī)律研究。

本研究利用粉煤灰、電石渣、脫硫石膏作為原料，以鋁粉為發(fā)泡劑，研究了加壓發(fā)泡過程中不同壓力、鋁粉摻量、水灰比、發(fā)泡溫度等工藝參數(shù)對發(fā)泡體強(qiáng)度、密度、塌模特性以及脫模時間的影響，以期為加壓發(fā)泡技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗原料

粉煤灰：煤粉爐粉煤灰，粒徑D50=15.61 μm，長治市某發(fā)電廠；電石渣：山西某化工廠；脫硫石膏：長治市某電廠；鋁粉：發(fā)泡劑，銀灰色松散顆粒狀，市售。主要化學(xué)成分見表1。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 儀器及設(shè)備

玻璃恒溫水浴鍋、攪拌機(jī)、加壓發(fā)泡裝置、水熱養(yǎng)護(hù)箱、水泥蒸壓釜、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、切割機(jī)、恒應(yīng)力壓力試驗機(jī)、高清照相機(jī)。

加壓發(fā)泡裝置為自主研制。其原理為：在發(fā)泡漿體的模具上方設(shè)置加壓裝置，該加壓裝置主要由下承壓板、彈簧、彈簧導(dǎo)桿、壓力計、上承壓板、上承壓板定位導(dǎo)柱、定位導(dǎo)柱、手搖式升降機(jī)構(gòu)和模具托盤組成，如圖1 所示。

圖1 加壓發(fā)泡裝置

實驗時，先將裝有料漿的模具放于加壓發(fā)泡裝置下方，手搖右側(cè)搖桿調(diào)節(jié)下承壓板高度，使承壓板進(jìn)入模具中設(shè)定位置，當(dāng)漿體發(fā)泡體積膨脹時，漿體膨脹力作用在承壓板上，承壓板壓縮彈簧，彈簧產(chǎn)生向下的壓力，使?jié){體在加壓條件下進(jìn)行發(fā)泡，壓力計再測試出承壓板所受的向上膨脹力，也就是漿體發(fā)泡所受的下壓力。

1.3 實驗方法

按 m(粉煤灰)∶m(電石渣)=7∶3 稱取總量 600 g，外摻脫硫石膏5%(30 g)，養(yǎng)護(hù)箱設(shè)定溫度，將模具刷油、蓋上保鮮袋、放入養(yǎng)護(hù)箱預(yù)熱；加入適量水并調(diào)節(jié)攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min，緩慢加入粉煤灰制成粉煤灰漿料，之后保持轉(zhuǎn)速不變加入電石渣、脫硫石膏及剩余水，提高轉(zhuǎn)速至3000 r/min，勻速攪拌3 min；稱取鋁粉并加入鋁粉質(zhì)量10 倍的水?dāng)嚢杈鶆蛑瞥射X液，然后加入漿料中攪拌30 s，迅速倒入提前預(yù)熱的模具中，并用加壓裝置進(jìn)行加壓發(fā)泡，待加壓結(jié)束用保鮮膜封好模具，放入水熱養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行靜養(yǎng)初凝，靜養(yǎng)結(jié)束后，取出脫模，并將脫模試塊放入壓蒸釜中進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)(升溫至200 ℃蒸壓6 h，釜內(nèi)壓強(qiáng)1.25 MPa)。蒸壓養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，將試塊放入干燥箱中烘干，之后用切割機(jī)將試塊的六面切割平整，制成標(biāo)準(zhǔn)試塊，測試絕干密度與抗壓強(qiáng)度。實驗工藝流程如圖2 所示。

圖2 實驗工藝流程

1.4 性能測試

本實驗在固定粉煤灰、電石渣和脫硫石膏原料量及配比前提下，研究發(fā)泡壓力、鋁粉摻量、水灰比、發(fā)泡溫度等對發(fā)泡體塌模特性、靜養(yǎng)時間、絕干密度和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。試塊的絕干密度、抗壓強(qiáng)度參照J(rèn)C/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》進(jìn)行測試。同時，通過相機(jī)拍照方法，測試不同工藝條件下所得試塊斷面的孔結(jié)構(gòu)特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡壓力對試塊性能的影響

實驗鋁粉摻量(按占粉煤灰和電石渣總質(zhì)量計)為0.1%，水灰比0.5，發(fā)泡溫度50 ℃，養(yǎng)護(hù)箱溫度設(shè)定為70 ℃。漿體在注模后隨即進(jìn)行加壓發(fā)泡，加壓時間20 min，分別施加0、5、10、15、20 N 的壓力，再進(jìn)行水熱靜養(yǎng)與蒸壓養(yǎng)護(hù)，發(fā)泡壓力對試塊的抗壓強(qiáng)度和絕干密度的影響見表2。

表2 發(fā)泡壓力對試塊抗壓強(qiáng)度和絕干密度的影響

由表2 可知，當(dāng)施加發(fā)泡壓力后，試塊的抗壓強(qiáng)度與密度均明顯提高。與常壓發(fā)泡相比，發(fā)泡壓力達(dá)10 N 時，抗壓強(qiáng)度從3.1 MPa 提高到10.4 MPa，提高幅度高達(dá)235.5%；絕干密度從533.3 kg/m3提高到824.7 kg/m3，增幅為54.6%，強(qiáng)度提高幅度約為密度增加幅度的4.3 倍。發(fā)泡壓力達(dá)到15 N 和20 N時，抗壓強(qiáng)度分別為8.7、8.9 MPa，較壓力為10N 時分別降低了1.7、1.5 MPa，而對應(yīng)絕干密度則增加不明顯，增加幅度約為3%。實驗結(jié)果表明，漿體在適當(dāng)壓力下發(fā)泡，可顯著提高試塊的抗壓強(qiáng)度，但同時絕干密度也一定程度的增加，當(dāng)漿體發(fā)泡壓力進(jìn)一步提高時，試塊的抗壓強(qiáng)度反而有所降低，但此時的絕干密度則變化不大。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在加壓發(fā)泡過程中，漿體發(fā)泡受到壓力作用，使得漿體中少部分水分析出，導(dǎo)致漿體實際水灰比有所降低，使得試塊的抗壓強(qiáng)度與絕干密度共同提高。

實驗采用高清相機(jī)對不同發(fā)泡壓力下試塊的橫截面進(jìn)行放大觀察，拍攝高度20 cm，放大倍數(shù)為10 倍，照片見圖3。

圖3 不同發(fā)泡壓力下所得試塊斷面結(jié)構(gòu)

從圖3 可以看出，與常壓發(fā)泡試塊相比，加壓會使試塊氣泡孔徑明顯變小，孔壁結(jié)構(gòu)更加均勻致密，連通孔也較少，這必然導(dǎo)致試塊的抗壓強(qiáng)度與絕干密度提高。當(dāng)壓力更高時，試塊的孔徑并沒有明顯的繼續(xù)變小，這使得試塊的密度沒有更大幅度的增加，另外，壓力的增大可能會使水分更多的擠出，導(dǎo)致試塊的膠凝性降低，使其抗壓強(qiáng)度下降，具體機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

2.2 鋁粉摻量對加壓發(fā)泡試塊性能的影響

鋁粉是發(fā)泡混凝土常用的發(fā)泡劑，鋁粉摻量會直接影響發(fā)泡混凝土的發(fā)氣量、孔隙率、干密度和抗壓強(qiáng)度，尤其是在鋁粉摻量較大的情況下[4-5]。本實驗設(shè)計了在水灰比為0.5、發(fā)泡溫度50 ℃、養(yǎng)護(hù)溫度70 ℃、加壓時間20 min 的條件下，發(fā)泡壓力分別為0、10 N，鋁粉摻量分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%對試塊抗壓強(qiáng)度、絕干密度及塌模情況的影響。見表3。

由表3 可知，常壓發(fā)泡時，鋁粉摻量到0.3%時漿體即出現(xiàn)塌模現(xiàn)象，而在10 N 壓力下發(fā)泡，鋁粉摻量到0.9%后漿體仍未出現(xiàn)塌?，F(xiàn)象，這說明加壓發(fā)泡可顯著抑制漿體塌模，有利于工業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)。同時，隨著鋁粉摻量增加，加壓發(fā)泡和常壓發(fā)泡試塊的抗壓強(qiáng)度和絕干密度均降低。在加壓發(fā)泡條件下，鋁粉摻量從0.1%按照0.2%等量增加到0.9%時，試塊的抗壓強(qiáng)度分別降低約28%、24%、15%和9%，對應(yīng)絕干密度分別降低約16%、13%、8%和5%，強(qiáng)度降低幅度明顯高于密度的降低幅度，說明加壓發(fā)泡時，應(yīng)控制在較低的鋁粉摻量下進(jìn)行，這樣有利于獲得較高強(qiáng)度的試塊。實驗表明，當(dāng)采用10 N加壓發(fā)泡、鋁粉摻量控制在0.1%～0.5%時，可獲得抗壓強(qiáng)度5.0～10.4 MPa，對應(yīng)密度為 586.7～824.7 kg/m3的高性能發(fā)泡混凝土。

表3 鋁粉摻量對加壓發(fā)泡混凝土抗壓強(qiáng)度、絕干密度的影響

10 N 加壓發(fā)泡下，不同鋁粉摻量所對應(yīng)試塊的微觀結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 加壓發(fā)泡情況下不同鋁粉摻量所得試塊的斷面結(jié)構(gòu)

由圖4 可以看出，隨著鋁粉摻量的增加，試塊內(nèi)部的孔徑明顯變大，這是因為鋁粉摻量增加，漿體產(chǎn)氣量增大，試塊內(nèi)部發(fā)泡過程變得更為劇烈，泡孔體積增大，使得試塊的密度與強(qiáng)度均降低。

2.3 水灰比對加壓發(fā)泡試塊性能的影響

何立糧等[6]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡混凝土料漿的水灰比會影響漿體的流動性、氣孔孔徑以及試塊的抗壓強(qiáng)度。周冬冬等[7]也通過實驗得出，在水灰比較大的情況下，漿體發(fā)泡時間整體縮短，發(fā)泡倍率和發(fā)泡速度整體增大。水灰比較低時，發(fā)泡體積和發(fā)泡速度降低，發(fā)泡終止的時間也更長。

本實驗在10 N 壓力下加壓發(fā)泡20 min，鋁粉摻量為0.1%，發(fā)泡溫度50 ℃，水熱養(yǎng)護(hù)箱溫度設(shè)定為70 ℃，同時設(shè)計與本實驗相同條件下的常壓發(fā)泡對比實驗，考察水灰比分別為 0.50、0.55、0.60、0.65 及 0.70 時對試塊抗壓強(qiáng)度及絕干密度的影響，結(jié)果見表4。

表4 水灰比對試塊抗壓強(qiáng)度和絕干密度的影響

由表4 可見，隨著水灰比的增加，常壓和10 N 壓力下發(fā)泡的試塊的抗壓強(qiáng)度與絕干密度均降低。對常壓發(fā)泡而言，水灰比從0.50 按照0.05 等量增加至0.60 時，抗壓強(qiáng)度分別降低約19%、28%和56%，對應(yīng)絕干密度分別降低約4%、6%和8%，但水灰比達(dá)0.70 時，漿體出現(xiàn)了塌?，F(xiàn)象；對10 N 加壓發(fā)泡而言，水灰比從0.50 按照0.05 等量增加至0.70 時，抗壓強(qiáng)度分別降低約6%、10%、24%和40%，對應(yīng)絕干密度分別降低約0.8%、0.2%、5%和 11%，在水灰比為 0.50～0.60 時，加壓發(fā)泡下試塊的強(qiáng)度和密度降低幅度相對較小，平均降幅分別為8%和0.5%；而在水灰比為0.60～0.70 時，加壓發(fā)泡下試塊的強(qiáng)度和密度降低幅度相對較大，平均降幅分別為32%和8%。為了獲得高強(qiáng)低密高性能試塊，加壓發(fā)泡的水灰比可控制在0.50～0.60。在其他實驗條件相同的情況下，與常壓發(fā)泡相比，加壓發(fā)泡下的抗壓強(qiáng)度與密度均增加，其中，抗壓強(qiáng)度增加約80%，絕干密度增加約40%。在水灰比≥0.70 時，常壓發(fā)泡出現(xiàn)塌模現(xiàn)象，而此時的加壓發(fā)泡沒有出現(xiàn)塌模，說明加壓發(fā)泡能夠有效提高試塊強(qiáng)度，并抑制發(fā)泡漿體的塌模。

加壓發(fā)泡下不同水灰比對應(yīng)試塊的微觀結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 不同水灰比所得試塊的斷面結(jié)構(gòu)

由圖5 可以看出，水灰比較大，試塊的孔徑也較大，這是因為水灰比較大時，氣體發(fā)泡所受的阻力不斷降低，導(dǎo)致氣泡孔徑和漿體發(fā)泡倍率變大、發(fā)泡速率提高，發(fā)泡時間變短，這也是試塊抗壓強(qiáng)度與密度均降低的原因。加壓20 min 后，試塊已基本發(fā)泡完成，但水灰比較小的試塊還在擠出小氣泡，證明其發(fā)泡速度較慢，發(fā)泡終止的時間也較長。當(dāng)加壓30 min后，試塊已基本發(fā)泡完成。

2.4 發(fā)泡溫度對加壓發(fā)泡試塊性能的影響

發(fā)泡溫度對發(fā)泡混凝土的發(fā)泡速度以及發(fā)泡效果有較大影響，發(fā)泡溫度不僅影響漿體在發(fā)泡過程中的膠凝反應(yīng)速度，同時還影響發(fā)泡過程的產(chǎn)氣速度和氣體膨脹體積[8]。適宜的溫度可促進(jìn)膠凝材料中鈣礬石的生成，使發(fā)泡混凝土具有良好的力學(xué)性能[9]。為了探究加壓發(fā)泡條件下發(fā)泡溫度對試塊性能的影響，本實驗設(shè)計10 N 壓力下加壓發(fā)泡20 min，鋁粉摻量為0.1%，水灰比為0.5，同時設(shè)計與本實驗相同條件下常壓發(fā)泡對比實驗，發(fā)泡溫度分別為24、50、70、90 ℃時對試塊抗壓強(qiáng)度和絕干密度的影響見表5。

表5 發(fā)泡溫度對試塊抗壓強(qiáng)度和絕干密度的影響

由表5 可以看出，不論加壓與否，隨發(fā)泡溫度升高，試塊的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，且在發(fā)泡溫度為50℃時，試塊的抗壓強(qiáng)度最高。對常壓發(fā)泡而言，發(fā)泡溫度從24℃按照約20 ℃等量升高至90 ℃時，對應(yīng)抗壓強(qiáng)度變化幅度分別為45.8%、-11.4%和-29.0%，對應(yīng)絕干密度變化幅度分別為11.2%、-2.2%和19.2%，在養(yǎng)護(hù)溫度為90 ℃時，試塊密度明顯增加，而強(qiáng)度明顯降低，說明漿體出現(xiàn)了塌模現(xiàn)象；對10 N 加壓發(fā)泡而言，發(fā)泡溫度從24 ℃按照約20 ℃等量增加至90 ℃時，對應(yīng)抗壓強(qiáng)度變化幅度分別為67.7%、-16.3%和-9.2%，對應(yīng)絕干密度變化幅度分別為6.4%、1.2%和1.0%。為了獲得高強(qiáng)低密高性能試塊，加壓發(fā)泡的發(fā)泡溫度可控制在50 ℃附近。

加壓發(fā)泡下的不同發(fā)泡溫度所對應(yīng)試塊的微觀結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 不同發(fā)泡溫度所對應(yīng)試塊的斷面結(jié)構(gòu)

由圖6 可以看出，當(dāng)發(fā)泡溫度從24 ℃升高到50 ℃時，試塊氣孔整體變化不大，但試塊的結(jié)構(gòu)變得更加致密，使得試塊強(qiáng)度和密度增加。但發(fā)泡溫度從50 ℃升高到70 ℃和90 ℃時，試塊斷面顯示出更多的大孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布不均的微觀形貌，這說明發(fā)泡溫度過高，發(fā)泡過于劇烈，易導(dǎo)致大氣泡形成，使得試塊孔結(jié)構(gòu)分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致試塊強(qiáng)度降低。

2.5 加壓發(fā)泡與常壓發(fā)泡對脫模時間的影響

脫模時間是發(fā)泡混凝土生產(chǎn)的重要指標(biāo)，一般脫模時間縮短有利于提高生產(chǎn)效率，增加產(chǎn)能。實驗固定鋁粉摻量為0.1%，水灰比為0.5，發(fā)泡溫度50 ℃，加壓(10 N)發(fā)泡與常壓發(fā)泡對脫模時間的影響見表6。

表6 加壓發(fā)泡與常壓發(fā)泡對脫模時間的影響

由表6 可見，在本實驗條件下，對于常壓發(fā)泡試塊，水熱養(yǎng)護(hù)的溫度越高，脫模時間越短，且養(yǎng)護(hù)溫度從50 ℃每隔10℃升高至90 ℃時，試塊的脫模時間從420 min 縮短至50 min，變化幅度高達(dá)88%。但在90 ℃高溫靜養(yǎng)下，試塊會出現(xiàn)塌模的情況。雖然靜養(yǎng)溫度升高有利于縮短脫模時間，但過高的養(yǎng)護(hù)溫度不僅會提高成本，而且容易出現(xiàn)塌模情況。對加壓發(fā)泡而言，50 ℃靜養(yǎng)溫度時對應(yīng)脫模時間為60 min，僅為常壓發(fā)泡靜養(yǎng)脫模時間的1/7，大大提高了試塊的生產(chǎn)效率。此外，加壓發(fā)泡條件下，靜養(yǎng)溫度從50 ℃每隔10 ℃升高至90℃時，試塊的脫模時間從60 min 縮短至35 min，變化幅度約42%。結(jié)果表明，與常壓發(fā)泡相比，加壓發(fā)泡可顯著縮短試塊的靜養(yǎng)時間，大大提高生產(chǎn)效率。

3 結(jié) 論

(1)與常壓發(fā)泡相比，加壓發(fā)泡可有效抑制漿體發(fā)泡塌模，同時可顯著縮短試塊的靜養(yǎng)時間，顯著提高試塊的抗壓強(qiáng)度，但同時試塊密度也明顯增大。

(2)與相同條件下的常壓發(fā)泡相比，10 N 的加壓發(fā)泡下，試塊抗壓強(qiáng)度最高能達(dá)到10.4 MPa，較常壓發(fā)泡提高了235.5%，密度為 824.7 kg/m3，較常壓發(fā)泡高了57.2%；50 ℃靜養(yǎng)溫度時對應(yīng)脫模時間為60 min，僅為常壓發(fā)泡靜養(yǎng)脫模時間的1/7，可大大提高了試塊的生產(chǎn)效率。

(3)優(yōu)化的發(fā)泡壓力為10 N，鋁粉摻量為0.1%～0.5%，水灰比為0.5～0.6，發(fā)泡溫度為50 ℃時，可以制備抗壓強(qiáng)度為5～10 MPa，絕干密度為500～850 kg/m3的高性能發(fā)泡混凝土。