堿礦渣加氣混凝土制備與性能研究

江 星，姚曉樂，王 磊，楊 凱，楊長輝

(1.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045；2.武漢市建筑節能辦公室，武漢 430015)

?

堿礦渣加氣混凝土制備與性能研究

江 星1，姚曉樂1，王 磊2，楊 凱1，楊長輝1

(1.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045；2.武漢市建筑節能辦公室，武漢 430015)

本文以化學發泡方法制備了堿礦渣加氣混凝土(AASAC)，研究了其孔結構與宏觀性能之間的關系。結果顯示：AASAC干密度范圍在400～700 kg/m3，其體積吸水率與孔隙率成線性相關性，28 d抗壓強度和干燥收縮值隨孔隙率增加而減小。加氣混凝土斷面圖像分析結果表明，引入氣孔圓度值接近于1以及氣孔孔徑在100 μm以內的氣孔比例越大，混凝土強度越高。

堿礦渣加氣混凝土； 化學發泡； 孔結構； 干密度； 干燥收縮

1 引 言

加氣混凝土是一種輕質多孔材料，容重范圍在300～1800 kg/m3，質輕且保溫是其最為突出的優點。目前，市場上主要以粉煤灰、砂或者石粉作為硅質材料制備加氣混凝土，近年來，國內外也有大量采用廢料或者廢渣替代傳統石灰基材料生產加氣混凝土的報道[1-4]。另外，一般用于生產泡沫混凝土的水泥基材料也可用來生產加氣混凝土[5-7]，但鮮有堿礦渣水泥發氣技術的研究報道。

堿礦渣水泥是以堿金屬化合物激發冶金工業廢渣而得到的一種水硬性膠凝材料[8,9]，與傳統的硅酸鹽水泥相比，堿礦渣水泥具有快速凝結的特點[10-12]，阻礙了其在工程中的推廣應用。但是，在加氣混凝土的制備過程中堿礦渣水泥可以發揮凝結時間短的優勢。黃政宇[8]等研究了硅酸鹽水泥與摻硫鋁酸鹽水泥和碳酸鋰的硅酸鹽水泥對加氣混凝土成型的影響，結果發現，由于硫鋁酸鹽水泥和碳酸鋰的加入縮短了凝結時間，起到防止塌模的作用。張欣[13]等對比不同促凝劑對硅酸鹽水泥化學發泡制備加氣混凝土的發泡和成型的影響，結果發現，促凝劑A的效果較好，試樣無開裂和塌模。楊長輝[14]等采用壓縮空氣的發泡方式制備出一種新型堿礦渣泡沫混凝土，結果發現，與普通水泥制備的泡沫混凝土相比，堿礦渣泡沫混凝土導熱系數相近、抗壓強度更高。

本文選取堿礦渣水泥制備AASAC，研究了發氣劑、催化劑和穩泡劑對AASAC密度的影響。通過斷面圖像處理，得到了AASAC的孔結構特性參數，分析比較了孔結構參數與加氣混凝土體積吸水率、抗壓強度和干縮值的關系。

2 試 驗

2.1 原材料

(1)礦渣：重慶鋼鐵集團生產的水淬高爐礦渣，密度為2.95 g/cm3，比表面積為460 m2/kg，質量系數為1.68，堿性系數為1.07，活性系數為0.37，結晶度為5.88%，礦渣的主要化學成分見表1；

(2)堿組分： NaOH，四川省德陽片堿；鈉水玻璃為工業產品，主要物理化學指標見表2，試驗中通過加入NaOH將其模數調至1.4；

(3)發泡劑：雙氧水，重慶川東化工(集團)有限公司生產，質量分數30%；

(4)催化劑：MnO2，重慶博藝化學試劑有限公司生產，分析純；

(5)穩泡劑：硬脂酸鈣，成都科龍化工試劑廠生產，分析純。

表1 礦渣化學組成Tab.1 Chemical composition of slag /wt%

表2 鈉水玻璃物理化學指標Tab.2 Chemical composition and physical properties of water glass

2.2 AASAC的制備

采用堿礦渣水泥制備加氣混凝土，水玻璃作為激發劑，堿當量為7%，溶礦比(水玻璃溶液、水和雙氧水的總質量與礦渣質量的比值)為0.54保證漿料稠度利于發氣。按照礦渣的質量分數，改變發氣劑、催化劑和穩泡劑的摻量，分別為1.7%～4.2%、0%～2.2%和0%～3.3%，具體配合比見表3。

表3 實驗配備比設計Tab.3 Mix proportion design /%

續表

AASAC制備方法：(1)按照試驗配合比稱取各種材料；(2)將礦渣、硬質酸鈣、二氧化錳倒入攪拌鍋中，干拌3 min；(3)把水玻璃溶液和水混合均勻倒入攪拌鍋中，慢速攪拌30 s，再快速攪拌90 s；(4)在高速攪拌的同時加入雙氧水，繼續快速攪拌30～45 s；(5) 將攪拌均勻的漿料迅速倒入試模，成型100 mm×100 mm×100 mm的試件；(6)試件在標準養護室放置2 d后脫模，并在標準條件下養護至試驗齡期。

2.3 測試方法

(1)干密度和抗壓強度測試方法

測定試塊28 d干密度和抗壓強度。具體實驗方法參照GB/T11969-2008《蒸汽加氣混凝土性能測試方法》。

(2)濕密度測試方式

本文中測試的濕密度指的是試件成型2 d后脫模時的表觀密度，通過計算脫模后尺寸為100 mm×100 mm×100 mm試件質量與試件體積的比值得出。

(3)吸水率測試方法

吸水率具體實驗方法參照GB/T11969-2008《蒸汽加氣混凝土性能測試方法》。體積吸水率根據式(1)計算，精確到0.1%。

W=(M-M0)/(ρv)

(1)

式中：W為試件的體積吸水率，%；M為試件吸水后的質量，kg；M0為試件烘干后的質量，kg；ρ為水的密度， kg/m3;v為試件的體積，m3。

(4)導熱系數測試方法

每組導熱系數試件由三塊試件組成，其尺寸為200 mm×200 mm×60 mm(2塊)和200 mm×200 mm×20 mm(1塊)。具體測試方法參照GB/T10294-2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》。

(5)孔結構測試方法

試件經過切割、打磨、拋光、清洗，干燥后用30倍讀數顯微鏡直接觀測并用數碼相機拍照。每塊試塊在離表面10 mm處和試塊中心取3×3=9個檢測點。用Photoshop圖像處理軟件進行黑白二值化處理，再用Image-Pro plus圖像分析軟件對二值化圖像進行分析，用 9 個檢測點的分析結果的平均值作為該組試件氣孔孔結構的統計結果[15]。

(6)干縮測試方法

試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，具體測試方法參照JGJ70-2009《建筑砂漿基本性能測試方法》。

3 結果與討論

3.1 雙氧水、硬脂酸鈣和二氧化錳對AASAC密度的影響

不同摻量的雙氧水、硬脂酸鈣和二氧化錳對AASAC干密度的影響如圖1所示。雙氧水對AASAC密度的影響見圖1(a)。AASAC的密度隨著雙氧水摻量的增加而降低。回歸分析表明，AASAC的干密度與雙氧水的摻量之間成非線性關系，當雙氧水摻量低于3.3%時，AASAC干密度隨摻量增大降低的幅度較大；當雙氧水摻量大于3.3%時，AASAC干密度隨摻量增大降低幅度較小。這與漆貴海[16]等和楊潔[17]等的研究結果一致。在AASAC體系中，影響加氣混凝土的干密度的主要因素有發氣劑、催化劑、穩泡劑、溶礦比、環境溫度和溶液的堿度等，在其他因素保持不變的情況下，一定范圍內，雙氧水增加，發氣量增大，因而AASAC的干密度降低。但是，發氣量增大的同時會導致攪拌過程中快速形成的大量氣泡因攪拌而破滅。另外隨著發氣量的增大，包裹氣泡的水膜以及穩泡劑減少，增大了氣泡破滅、串孔和逸出的幾率，所以AASAC的干密度和雙氧水的摻量之間成非線性關系。

由圖1(b)可知，AASAC密度隨著硬脂酸鈣摻量增大呈現先減小后增大的趨勢。當硬質酸鈣的摻量為0%時，雙氧水加入后出現了大量氣泡逸出、破泡的現象，最終漿料未能發氣脹大；當硬質酸鈣摻量為1.7%時，AASAC的干密度最低，為406.9 kg/m3，和硬質酸鈣摻量為0.8%、干密度為501.6 kg/m3的加氣混凝土相比，干密度降低了18.9%。繼續增大硬質酸鈣的摻量，AASAC的干密度從406.9 kg/m3增加到474.7 kg/m3，增幅為16.7%。可見，硬質酸鈣對AASAC的成型和密度影響顯著。硬脂酸鈣為固體粉末，易吸附在氣泡的表面，降低氣泡的表面能，從而起到穩定氣泡的作用[18]。此外，硬脂酸鈣加入后能增加漿料的整體粘度和期限剪切應力，保證氣泡上浮速度極小，使小氣泡不易合并成大氣泡，并使其不易逸出漿料表面[19]。所以，在保證氣泡穩定性、氣泡內壓力大于漿料極限剪切應力和漿料自重的條件下，AASAC的密度隨硬脂酸鈣摻量的增加而減小。當硬質酸鈣摻量過大時造成漿料的極限剪切應力較大時，將不利于漿體發氣，則試件的密度增大。

圖1 不同參數的摻量對AASAC密度的影響(a)H2O2;(b)calcium stearate;(c)MnO2Fig.1 The effect of the dosage of different parameters on density of AASAC

圖1(c)反映了催化劑對AASAC密度的影響，從圖中可以看出：AASAC的密度隨MnO2摻量的增加先減小后增大，這和黃政宇[8]等采用KMnO4作為激發劑得出的結果一致。當MnO2摻量為0.8%時，干密度最低，為429.4 kg/m3。當不摻二氧化錳時，漿料也能發氣，雙氧水摻量為2.5%可制得干密度為682.5 kg/m3的AASAC。雙氧水分解速率受溫度、pH值、催化劑的影響。模數為1.4的水玻璃溶液的pH值在13～14之間[20]，伴隨著礦渣的水化放熱使漿料溫度升高，雙氧水加入后即可分解，所以不摻催化劑也能發氣。加入催化劑可使雙氧水分解速率增大，利于干密度減小。催化劑摻量較大時，單位體積內催化劑濃度增大，氣源數目增多，造成發氣過于迅速，導致在攪拌階段氣泡破滅的數量增加以及大量氣泡的逸出，隨之干密度增大。

3.2 孔結構與宏觀性能研究

依據前文的研究，僅改變雙氧水的摻量制備出四種密度等級的AASAC，即400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3、700 kg/m3，研究了AASAC的孔結構與宏觀性能之間的關系，實驗配合比見表4。

表4 不同密度等級配備比設計Tab.4 Mix proportion design of different density /%

3.2.1 孔結構分析

不同密度等級的AASAC的斷面二值化圖、孔徑頻率分布直方圖和孔結構參數如圖2所示。由圖可知，隨著加氣混凝土密度的增加，相同分析面積內孔數目增加，即孔密度增大。另外，氣泡的平均孔徑和試件的孔隙率隨密度的增加而增大。從孔徑頻率分布直方圖可以看出隨著密度的增加，AASAC孔徑小于100 μm的孔所占的比例在增加，孔徑大于100 μm的孔所占的比例在減小，說明密度越大的AASAC大孔比例越大。高密度的AASAC雙氧水的摻量小，生成的氣體少，細小氣泡融合成大泡的概率低，所以造成孔密度和孔隙率低、平均孔徑大且大孔所占比例少。

圖2 AASAC斷面二值化圖、孔徑頻率分布直方圖及孔結構參數(a)D400;(b)D500;(c)D600;(d)D700Fig.2 Binary images of AASAC together with the frequency distribution diagrams and the pore structure parameters of the bubbles

3.2.2 孔結構對強度和體積吸水率影響研究

圖3 AASAC孔隙率與強度和體積吸水率之間的關系Fig.3 Water absorption and compressive strength with porosity of AASAC

圖4 不同密度等級AASAC的氣孔圓度值頻率分布直方圖Fig.4 Frequency distribution diagrams of roundness with density of AASAC

孔隙率和強度、體積吸水率之間的關系如圖3所示。從圖中可以看出AASAC的抗壓強度和體積吸水率均隨孔隙率的增加而減小。通過回歸曲線可以發現：AASAC體積吸水率與孔隙率線性相關(相關系數R=0.98)，抗壓強度隨著孔隙率的增加以指數級降低(相關系數R=0.99)，這與文獻[21]的研究結果相同。試件與水接觸后，毛細吸力是水在孔中傳遞的主要方式，大孔體積的增加使孔隙率增加[21]，從而減小了孔壁的厚度，存在于孔壁上的毛細孔的體積減小，相應的吸收的水的質量減少，表現為孔隙率較大的AASAC體積吸水率小。加氣混凝土的抗壓強度隨孔徑的增大而減小[22]，并且不規則孔對強度有負面影響，從圖2、圖4可知隨著密度的增加，AASAC的平均孔徑減小、氣孔圓度值在1～1.5的比例增加，此外，孔壁厚度的增加提高了抵抗荷載的能力，以上三個因素是強度提高的主要原因。

3.2.3 孔結構對干縮影響研究

如圖5所示，隨著孔隙率增加，AASAC的干燥收縮逐漸減小，文獻[23,24]發現加氣混凝土的干燥收縮隨密度的減小而減小，與本文得出的結果一致。加氣混凝土的收縮主要受孔結構和孔壁水化產物本身性能的影響，僅改變雙氧水摻量制備的不同密度等級加氣混凝土的水化產物相同，影響其收縮的主要歸因于孔結構的差異。Tada[23]等指出加氣混凝土的孔隙率越高，孔壁厚度及漿體的體積越小，固產生的收縮越小是必然的。

圖5 AASAC孔隙率與干縮的關系Fig.5 Variation of dry shrinkage with porosity of AASAC

4 結 論

(1)AASAC的制備過程中，發氣劑、穩泡劑和催化劑對密度的影響顯著。隨著雙氧水摻量的增加，密度以非線性方式降低；隨著穩泡劑和催化劑摻量的增加，密度先降低后增加；

(2)AASAC的孔結構與宏觀性能之間相關性明顯：隨著孔隙率的增加，抗壓強度、體積吸水率和干燥收縮降低。

[1] Kunchariyakun K,Asavapisit S,Sombatsompop K.Properties of autoclaved aerated concrete incorporating rice husk ash as partial replacement for fine aggregate[J].CementandConcreteComposites,2015,55:11-16.

[2]Drochytka R,Zach J,Korjenic A,et al.Improving the energy efficiency in buildings while reducing the waste using autoclaved aerated concrete made from power industry waste[J].EnergyandBuildings,2013,58(2):319-323.

[3]錢嘉偉,倪 文,許國東,等.天然石膏對銅尾礦加氣混凝土強度的影響研究[J].加氣混凝土,2013,(2):44-46.

[4]Kurama H,Topcu I,Karakurt C.Properties of the autoclaved aerated concrete produced from coal bottom ash[J].Journalofmaterialsprocessingtechnology,2009,209(2):767-773.

[5]王長龍,倪 文,喬春雨,等.鐵尾礦加氣混凝土的制備和性能[J].材料研究學報,2013,27(2):157-162.

[6]佟 鈺,張君男,田 鑫,等.廢棄混凝土回收制備輕質混凝土的實驗研究[J].硅酸鹽通報,2015,34(4):1066-1070.

[7]徐 文,劉興亞,朱清華.外墻外保溫用化學發泡泡沫混凝土板的試驗研究[J].混凝土,2012,(3):131-134.

[8]黃政宇,樊 峻,謝學欽.高性能低密度加氣混凝土的研究[J].材料導報,2013,27(12):136-140.

[9]蒲心誠.堿礦渣水泥與混凝土[M].科學出版社,2010.

[10]馬保國,亓 萌,李宗津.堿-礦渣水泥快速凝結的影響因素與機理研究[J].建筑材料學報,1999,(2):99-104.

[11]Roy D M.Alkali-activated cements opportunities and challenges[J].Cement&ConcreteResearch,1999,29(2):249-254.

[12]楊長輝,蒲心誠.論堿礦渣水泥及混凝土的緩凝問題及緩凝方法[J].重慶建筑大學學報,1996,18(3):67-72.

[13]張 欣,葉劍鋒,周海兵,等.化學發泡制備超輕憎水泡沫混凝土研究[J].新型建筑材料,2013,40(3):49-51.

[14]楊長輝,王 磊,田 義,等.堿礦渣泡沫混凝土性能研究[J].新型建筑材料,2016,35(2):555-560.

[15]方永浩,王 銳,龐二波,等.水泥-粉煤灰泡沫混凝土抗壓強度與氣孔結構的關系[J].硅酸鹽學報,2010,38(4):621-626.

[16]漆貴海,林力勛,彭小芹,等.堿磷渣加氣混凝土體積密度影響因素的研究[J].武漢理工大學學報,2009,07:52-55.

[17]楊 潔,孫振平,黃暉皓,等.若干主要因素對蒸壓加氣混凝土性能的影響[J].新型建筑材料,2012,(4):70-73.

[18]劉 騫.短鏈兩親分子及表面活性劑與親水顆粒協同穩定的泡沫[D].山東:山東大學,2010.

[19]黃士元,楊錦偉,麻 毅.加氣混凝土料漿的流變性與發氣穩定性的研究[J].建筑節能,1978,4.

[20]Chang J.A study on the setting characteristics of sodium silicate-activated slag pastes[J].CementandConcreteResearch,2003,33(7):1005-1011.

[21]Alexanderson J.Relations between structure and mechanical properties of autoclaved aerated concrete[J].CementandConcreteResearch,1979,9(4):507-514.

[22]Visagie M,Kearsely E.Properties of foamed concrete as influenced by air-void parameters[J].Concrete/Beton,2002,101:8-14.

[23]Tada S,Nakano S.Microstructural approach to properties of moist cellular concrete[J].ProceedingsAutoclavedAeratedConcrete,MoistureandPropertiesAmsterdam:Elsevier,1983:71-89.

[24]Schubert P.Shrinkage behaviour of aerated concrete[J].AutoclavedAeratedConcrete,MoistureandPropertiesAmsterdam:Elsevier,1983:207-217.

Preparation and Properties of Alkali-activated Slag Aerated Concrete

JIANGXing1,YAOXiao-le1,WANGLei2,YANGKai1,YANGChang-hui1

(1.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;2.Building Energy Conservation Office,Wuhan 430015,China)

This paper prepared alkali-activated slag aerated concrete(AASAC) by chemical foaming,the relationship between pore structure and the macroscopic properties were investigated.It is found that the alkali-activated slag aerated concrete with dry bulk density level between 400 kg/m3to 700 kg/m3,the water absorption with porosity had linear correlation,its 28 d compressive strength and dry shrinkage decreased with porosity.The section of AASAC were determined by image process and analysis software,the results showed that the more pore with roundness colse to 1 and pore aperture is less than 100 μm,the higher the concrete strength.

alkali-activated slag aerated concrete;chemical foaming;pore structure;dry bulk density;dry shrinkage

重慶市建委(城科字2012第6-6號)

江 星(1991-)，男，碩士研究生.主要從事堿性膠凝材料與混凝土方面研究.

楊長輝，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3229-06