謝祥雄，王英，陳健祺

（上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，上海 201418）

0 引 言

地聚物是一種由硅氧四面體[SiO4]與鋁氧四面體[AlO4]通過(guò)共價(jià)鍵（Si—O—Al）在三維網(wǎng)格狀聚合而成的凝膠體[1]。自地聚物提出以來(lái)，已有眾多學(xué)者對(duì)地聚物進(jìn)行研究并取得了大量成果[2]。地聚物輕質(zhì)混凝土是以地聚物材料為基體，通過(guò)物理或化學(xué)發(fā)泡技術(shù)制備而成的無(wú)機(jī)多孔材料?，F(xiàn)有市面上的輕質(zhì)混凝土多以水泥為膠凝材料，而水泥的生產(chǎn)過(guò)程不僅會(huì)產(chǎn)生大量的CO2，增加碳排放，而且是一個(gè)高能耗的過(guò)程。同時(shí)，傳統(tǒng)的水泥基輕質(zhì)混凝土其缺點(diǎn)在使用過(guò)程中也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，主要表現(xiàn)在干燥收縮大、耐久性不佳等方面。因此，用綠色環(huán)保的新型膠凝材料來(lái)替代水泥制備輕質(zhì)混凝土意義重大。

以工業(yè)固廢粉煤灰為主要原材料制備輕質(zhì)混凝土，從而部分或完全替代水泥，這與可持續(xù)發(fā)展概念相適應(yīng)，也為節(jié)能減排、新型綠色環(huán)保材料的發(fā)展提供了新的途徑，這一點(diǎn)早已有學(xué)者驗(yàn)證。Fernandez 和Palomo[3]的研究表明，以粉煤灰為主要原材料制備的地聚物，生產(chǎn)能耗只是普通水泥的10%～20%，而性能在很大程度上也優(yōu)于水泥。陳賢瑞等[4]以粉煤灰、偏高嶺土為原材料開發(fā)新型泡沫地聚物，采用化學(xué)發(fā)泡法制備了干密度150～305 kg/m3的超輕質(zhì)泡沫地聚物，研究并證實(shí)發(fā)泡劑用量對(duì)泡沫地聚物密度、強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)有重要影響且有很好的相關(guān)性。符一然[5]研究了水玻璃模數(shù)及摻量等因素對(duì)地聚物泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，證實(shí)抗壓強(qiáng)度隨水玻璃模數(shù)及摻量的增大呈先提高后降低的趨勢(shì)，分別在模數(shù)為1、摻量為9%時(shí)達(dá)到最高。陳立延等[6]研究了粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果表明，水灰比不變時(shí)，隨粉煤灰摻量從10%增加到30%，泡沫混凝土的密度、強(qiáng)度及吸水率都明顯降低，且滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式。姚力豪等[7]研究了硅灰對(duì)地聚物力學(xué)、抗磨損等性能的影響，結(jié)果表明，硅灰能填充孔隙，提高密實(shí)度；硅灰摻量為6%時(shí)，力學(xué)性能和抗磨損性能最佳。

本研究以堿激發(fā)偏高嶺土-粉煤灰為膠凝材料制備地聚物輕質(zhì)混凝土，通過(guò)調(diào)整配合比，研究偏高嶺土摻量對(duì)其力學(xué)性能的影響，為偏高嶺土-粉煤灰基地聚物輕質(zhì)混凝土材料的制備和性能研究提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

粉煤灰：Ⅱ級(jí)，主要技術(shù)性能見(jiàn)表1；偏高嶺土：1250 目，活性指數(shù)116%，主要化學(xué)成分見(jiàn)表2；水玻璃：模數(shù)3.21，SiO2含量為27.84%；氫氧化鈉：分析純，濃度96%；發(fā)泡劑：雙氧水，濃度30%；催化劑：二氧化錳；穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈉，相對(duì)分子質(zhì)量607.02；水：自來(lái)水。

表1 粉煤灰的主要技術(shù)性能

表2 偏高嶺土的主要化學(xué)成分%

1.2 地聚物輕質(zhì)混凝土的制備

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

以粉煤灰+偏高嶺土總質(zhì)量為100 g 進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，固定催化劑、穩(wěn)泡劑、水玻璃、水和發(fā)泡劑用量分別為0.49、0.035、20.00、1.40、28.00、7.00 g，改變偏高嶺土摻量（按占粉煤灰和偏高嶺土總質(zhì)量計(jì)），設(shè)計(jì)9 種配比；同時(shí)設(shè)計(jì)純水泥基對(duì)照組S-10。試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)如表3 所示。

表3 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

1.2.2 試塊制備

試驗(yàn)前先配制堿激發(fā)劑，為了滿足配合比需求，本試驗(yàn)將NaOH 固體溶于水和模數(shù)3.21 的水玻璃原液中，人工調(diào)配水玻璃模數(shù)至1.40，并使之完全溶解、冷卻至室溫待用。

根據(jù)配合比計(jì)算材料用量并稱重。試塊制作過(guò)程中，先將固體材料混合并攪拌均勻，然后加入對(duì)應(yīng)比例的堿激發(fā)劑和水，充分拌合；攪拌采用機(jī)器攪拌加以人工輔助的方式，先慢攪3 min，暫停15 s，后快攪3 min；加入雙氧水，快攪20 s 后裝模，覆蓋保鮮膜，粘貼試件編號(hào)，然后放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)場(chǎng)地。試件脫模后常溫養(yǎng)護(hù)至7、28 d。

1.3 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)儀器

干密度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件，將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的地聚物輕質(zhì)混凝土試件放置在烘箱（60±5）℃中烘干6 h，冷卻至室溫后稱重，精確到0.1 g，記錄干質(zhì)量，計(jì)算得到每個(gè)試件的干密度，每組6 個(gè)取平均作為試驗(yàn)結(jié)果。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件，達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的地聚物輕質(zhì)混凝土試件采用電液伺服系統(tǒng)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（DYW-2000 型）進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)前先將試件與抗壓夾具的各個(gè)面打掃干凈，之后將試件裝入抗壓夾具，抗壓夾具與壓力機(jī)壓板中心對(duì)齊，然后開始測(cè)試；測(cè)試方式為位移控制，加載速度設(shè)置為0.5 mm/min，持續(xù)加壓至試件破壞，記錄最大破壞荷載F，計(jì)算得到抗壓強(qiáng)度，每組6 個(gè)取平均作為試驗(yàn)結(jié)果。

導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，選取最佳試驗(yàn)配合比地聚物輕質(zhì)混凝土和對(duì)照組S-10 試件，制備外徑×內(nèi)徑×高=200 mm×40 mm×400 mm 的圓柱體試件，使用混凝土熱物理性能測(cè)定儀（HR-4A 型）測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 偏高嶺土摻量對(duì)地聚物輕質(zhì)混凝土干密度的影響（見(jiàn)表4）

表4 偏高嶺土摻量對(duì)地聚物輕質(zhì)混凝土干密度的影響

由表4 可見(jiàn)，不同偏高嶺土摻量的地聚物輕質(zhì)混凝土干密度在645.2～827.6 kg/m3之間，干密度隨偏高嶺土摻量的增加而小范圍增大，偏高嶺土摻量為35%時(shí)，試件干密度最大，為827.6 kg/m3，制備得到的G-35 地聚物輕質(zhì)混凝土如圖1所示。從理論上分析，地聚物輕質(zhì)混凝土是無(wú)機(jī)多孔材料，密度大小主要取決于材料內(nèi)部的孔隙率和孔徑分布，而孔隙情況則取決于發(fā)泡效果，這一點(diǎn)在許多學(xué)者的研究中得到驗(yàn)證。另外，試驗(yàn)過(guò)程中攪拌、振搗等人為因素造成材料內(nèi)部氣泡破裂也會(huì)影響成品混凝土的孔隙率。所以，本試驗(yàn)試件干密度變化整體而言在一個(gè)可以接受的范圍，可以認(rèn)為膠凝材料中粉煤灰和偏高嶺土的質(zhì)量比對(duì)干密度影響較小。

圖1 G-35 地聚物輕質(zhì)混凝土外觀形貌

2.2 偏高嶺土摻量對(duì)地聚物輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表5）

表5 偏高嶺土摻量對(duì)地聚物輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表5 可見(jiàn)，隨著偏高嶺土摻量的增加，試件抗壓強(qiáng)度逐漸提高，但增長(zhǎng)速率逐漸變緩。不同偏高嶺土摻量的地聚物輕質(zhì)混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度在0.89～3.75 MPa，其中G-50 試件的28 d 抗壓強(qiáng)度最大，為3.75 MPa。從理論上分析，偏高嶺土比粉煤灰的活性大，Si、Al 含量高，聚合過(guò)程中能產(chǎn)生更多的[SiO4]與[AlO4]，形成更穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[8]，從而提高混凝土的強(qiáng)度；相比之下，粉煤灰由于自身體系復(fù)雜，激發(fā)難度大，聚合效果更差?？梢?jiàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)分析

對(duì)比前期的試驗(yàn)結(jié)果可知，偏高嶺土摻量越大，地聚物輕質(zhì)混凝土的整體力學(xué)性能越好。但偏高嶺土摻量達(dá)到30%以上時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩慢，干密度變化較??；同時(shí)，鑒于偏高嶺土價(jià)格遠(yuǎn)高于粉煤灰，綜合考慮，選用G-35 配合比研究地聚物輕質(zhì)混凝土的導(dǎo)熱性能。

制備得到的G-35 地聚物輕質(zhì)混凝土圓柱體試件和S-10水泥基輕質(zhì)混凝土對(duì)照組試件如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試試件

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，偏高嶺土-粉煤灰基地聚物輕質(zhì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.136 W/（m·K），而同體積下的水泥基輕質(zhì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.195 W/（m·K）。同時(shí)，結(jié)合參考文獻(xiàn)[9]的研究成果可知，一般密度等級(jí)在700～800 kg/m3的輕質(zhì)混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)為0.180～0.220 W/（m·K），可見(jiàn)與同密度下的輕質(zhì)混凝土和同體積下的水泥基輕質(zhì)混凝土相比，偏高嶺土-粉煤灰基地聚物輕質(zhì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)更低，保溫隔熱性能更好。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）以堿激發(fā)粉煤灰、偏高嶺土等鋁硅質(zhì)原料為膠凝材料，采用化學(xué)發(fā)泡方法，可以制備干密度為645.2～827.6 kg/m3，28 d 抗壓強(qiáng)度為0.89～3.75 MPa 的地聚物輕質(zhì)混凝土。

（2）偏高嶺土摻量對(duì)地聚物輕質(zhì)混凝土的性能有較大影響，抗壓強(qiáng)度隨偏高嶺土摻量的增加逐漸提高，但增長(zhǎng)速率逐漸變緩；偏高嶺土摻量對(duì)干密度影響較小。

（3）偏高嶺土-粉煤灰基地聚物材料導(dǎo)熱系數(shù)低于同密度等級(jí)下的輕質(zhì)混凝土和同體積下的水泥基輕質(zhì)混凝土，有更好的保溫隔熱效果；其熱工性能參數(shù)將作為后續(xù)研究的重點(diǎn)。

（4）相比傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥輕質(zhì)混凝土，地聚物輕質(zhì)混凝土以工業(yè)廢料粉煤灰為原料，綠色環(huán)保、成本低廉，制備過(guò)程能耗低且對(duì)環(huán)境基本無(wú)污染，能實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)混凝土使用領(lǐng)域的拓寬。