地質聚合物泡沫混凝土氣孔結構形成機理研究

徐 方, 顧功輝, 黃曉明, 張軍輝, 朱 婧

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院, 湖北 武漢 430074; 2.東南大學 交通學院, 江蘇 南京 211189; 3.長沙理工大學 公路養護技術國家工程實驗室, 湖南 長沙 410114; 4.湖北交通職業技術學院, 湖北 武漢 430079)

泡沫混凝土是一種新型墻體保溫材料.目前泡沫混凝土中常用的膠凝材料是水泥,這不僅增加成本,還對大氣產生污染[1-3].地質聚合物是以粉煤灰等硅鋁質固體廢棄物為原材料,在常溫常壓制得的一種環境友好型膠凝材料[4-6].有學者采用地質聚合物取代水泥來制備地質聚合物泡沫混凝土(GFC)[7-9].影響泡沫混凝土性能的根本因素是其內部的氣孔結構[10-11].相關學者對此已有一定基礎的研究.如宋學鋒等[12]研究發現,隨著泡沫摻量的增加,GFC的孔隙率、平均孔徑和圓度逐漸增大;張磊蕾等[13]研究發現,隨著EVA乳液的增加,泡沫混凝土孔徑呈增大趨勢,大孔數量明顯增加;李相國等[14]指出氣孔的形狀因子對泡沫混凝土的力學性能基本沒有影響,而平均孔間距對泡沫混凝土的力學性能影響顯著.

目前,關于GFC氣孔結構的研究大多集中在材料組成對孔結構參數的影響和孔結構特征對泡沫混凝土宏觀性能的影響2個方面,缺乏氣孔在料漿內部遷移變化規律的研究.鑒于此,本文制備了不同孔結構參數的預制泡沫,研究了其在凈漿內部的遷移規律和孔徑變化規律,并采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了GFC內部的孔結構形態,以探究GFC內部氣孔的成孔機理.

1 試驗

1.1 原材料

原材料為粉煤灰(FA)、礦粉(GGBFS)、水玻璃、NaOH、水和自制發泡劑.其中粉煤灰為國家Ⅰ級低鈣粉煤灰,礦粉為S95粒化高爐礦渣粉,兩者化學組成見表1;水玻璃為建筑用水玻璃,其SiO2和NaO2含量(質量分數,文中涉及的含量、水固比等均為質量分數或質量比)分別為27.40%和8.81%;NaOH(分析純)含量≥96.00%;自制發泡劑由十二烷基硫酸鈉(SDS,白色粉末狀物質,純度≥99.60%)、十二醇(黃色油性液體,純度≥97.85%)、羧甲基纖維素鈉(CMC,淡黃色纖維狀物質,純度≥97.00%)、無水乙醇(純度≥99.70%)和水按一定比例配制而成.

表1 粉煤灰和礦粉的化學組成Table 1 Chemical composition of FA and GGBFS w/%

1.2 試驗方法

首先，采用壓縮空氣法制備預制泡沫;然后，將NaOH溶于水玻璃中制得的復合堿激發劑置入攪拌鍋內中,與粉煤灰、礦粉和水進行攪拌,得到地質聚合物凈漿;最后，向地質聚合物凈漿中加入預制泡沫,慢攪4min,待泡沫與地質聚合物凈漿混合均勻后,即可得到GFC.先將GFC澆注于40mm×40mm×40mm 和φ50×100mm這2種模具中,24h后拆模,得到立方體試件和圓柱體試件;再將其放入標準養護箱(25℃,相對濕度95%)中，養護至規定齡期.

1.3 泡沫配合比設計

試驗設計了7組預制泡沫，其配合比如表2所示.

表2 預制泡沫配合比Table 2 Mix proportion of precast foam g

地質聚合物凈漿的水固比為0.28.其中,固體總含量固定為350.0g,包括粉煤灰180.6g(摻量為51.6%)、礦粉120.4g(摻量為34.4%)、復合堿激發劑固含量49.0g(摻量為14.0%).地質聚合物凈漿的宏觀性能見表3.

表3 地質聚合物凈漿的宏觀性能Table 3 Macroscopic properties of geopolymer paste

制備GFC試件時固定預制泡沫摻量,即在350.0g地質聚合物凈漿中摻入1100mL預制泡沫,從而系統分析不同配合比預制泡沫對GFC試件性能的影響規律.

1.4 性能測試方法

預制泡沫的宏觀性能依據JC/T 2199—2013《泡沫混凝土用泡沫劑》進行測試.預制泡沫和GFC試件的平均Feret直徑、圓度、孔隙率均先使用數碼相機進行斷面圖像采集,再將圖像導入圖形分析軟件Image Pro Plus中分析得到.GFC試件的微觀形貌采用SEM進行觀察;GFC試件的抗壓強度、導熱系數和干密度依據JG/T 266—2011《泡沫混凝土》進行測試.

2 結果與討論

2.1 預制泡沫性能表征

7組預制泡沫的性能見表4.

由表4可知：隨著SDS摻量的增加,預制泡沫的1h沉降距、1h泌水率和圓度先降低后增加,平均Feret直徑先增加后降低.這主要是因為,當SDS摻量小于3.00g/L時,在液氣分散體系中親水基分子與憎水基分子數量較少,液體表面活性劑分子不能趨于密集分散,因此只能形成少量泡沫,且泡沫液膜強度較低,泡沫周圍自由水較多,同時在泡沫消融過程中產生的自由水會擠壓泡沫,導致泡沫變形、破裂;當SDS摻量持續增加至臨界值 3.00g/L 時,溶液表面大多被活性劑分子覆蓋,憎水基朝外形成了1層碳鏈表面膜,減小了氣液相接觸,從而降低了表面張力,增大了發泡倍數和泡沫韌性;當SDS摻量超過臨界值3.00g/L時,泡沫劑溶液黏度增加,難以形成較多泡沫,泡沫1h泌水率增加,析液現象嚴重.

表4 預制泡沫的性能Table 4 Performance of precast foam

2.2 GFC成孔的時間變化過程

圖1 GFC試件的平均Feret直徑隨時間的變化Fig.1 Variation of average Feret diameter with time of GFC specimens

圖1顯示了GFC試件的平均Feret直徑隨時間的變化.由圖1可以看出,隨著預制泡沫穩定性和孔結構的變化,GFC試件孔結構的穩定時間也隨之有規律地發生變化.結合表4和圖1可以發現：當發泡倍數較低,泡沫穩定性差,且泡沫液膜強度較低時,大量泡沫在凈漿的擠壓作用下快速破碎,縮短了泡沫在凈漿中的穩定時間,同時由于泡沫液膜強度較低,大量小孔在凈漿擠壓作用下合并成大孔,導致孔徑增幅倍數較大;當發泡倍數較高、泡沫穩定性較好,且泡沫液膜強度較高時,泡沫的合并時間延長,延長了凈漿中泡沫的穩定時間,同時由于泡沫液膜強度較高,泡沫的合并現象減弱,導致孔徑增幅倍數降低.SY1組泡沫的孔結構穩定時間和孔徑增幅倍數明顯小于其他組別,這主要是由于其1h沉降距為48.06mm,1h泌水率為81.46%,泡沫極其不穩定,當泡沫摻入凈漿時帶入了大量自由水,導致泡沫在凈漿中迅速破滅.

2.3 GFC成孔的空間變化過程

為探究GFC空間成孔機理與空間成孔過程,將GFC制成φ50×100mm的圓柱體試件,待試件凝結硬化后,將試件由上自下均勻截取A、B、C3個截面,得到3個截面的孔結構參數.圖2為GFC試件平均Feret直徑的空間分布.由圖2可以看出：當預制泡沫1h沉降距和1h泌水率較大時,泡沫極易破碎,破碎產生的自由水由于重力作用運動到中下部,加速了下部泡沫的破滅;當預制泡沫穩定性逐漸提高,發泡倍數逐漸增大時,泡沫液膜強度較高,泡沫充滿了整個凈漿,凈漿固定泡沫的能力減弱,凈漿和泡沫混合均勻,因此整個試件的孔徑無明顯分層現象.

圖2 GFC試件內部平均Feret直徑的空間分布Fig.2 Variation of average Feret diameter with space of GFC specimens

2.4 GFC微觀孔結構特征分析

分別以預制泡沫SY1和SY4制備的GFC試件氣孔整體微觀形貌如圖3所示.由圖3可以看出,與預制泡沫SY1相比,預制泡沫SY4穩定性較好,發泡倍數較高,由其制備的GFC試件內部氣孔分布更為均勻,連通孔較少,孔隙率也更高.

分別以預制泡沫SY1和SY4制備的GFC試件單孔微觀形貌如圖4所示.由圖4可見,隨著泡沫穩定性的提高和發泡倍數的增加,GFC試件的孔徑逐漸變大,這與前文所述GFC試件的性能變化規律相一致.

圖3 GFC試件氣孔整體微觀形貌Fig.3 Overall pore microscopic morphology of GFC specimen

圖4 GFC試件單孔微觀形貌Fig.4 Single pore microscopic morphology of GFC specimen

2.5 GFC試件宏觀性能分析與評價

GFC試件的干密度、7d立方體抗壓強度和導熱系數見圖5.由圖5可知：隨著預制泡沫穩定性的提高,GFC試件的宏觀性能也逐漸得到提升,這與前文的微觀指標變化規律相一致.需要說明的是,預制泡沫SY1沉降距和泌水率較大,孔結構不穩定,發泡倍數較低,在凈漿內部難以形成氣孔,故GFC試件的干密度和導熱系數較大;同時由于泡沫摻量大,被壓碎的泡沫產生了大量自由水,增大了GFC的水固比,加之連通孔的存在,導致SY1組的抗壓強度相比于相同密度等級的凈漿強度有大幅下降,但仍高于內部含有大量氣孔的SY2～SY7組的強度.而預制泡沫SY4的沉降距和泌水率均較小,泡沫穩定性較好,因此在凈漿中可以大量存活下來并形成均勻的封閉氣孔,使得GFC試件具有較高的抗壓強度(1.2MPa)、較低的干密度(391kg/m3)與導熱系數(0.048W/(m·K)).

對照JG/T 266—2011中的泡沫混凝土宏觀性能指標可知,當預制泡沫(SY4)1h沉降距為22.71mm,1h泌水率為43.62%,平均圓度為1.8456,平均Feret直徑為0.2380mm時,將其摻入地聚合物凈漿中，所得到的GFC試件相關指標滿足規范要求.

圖5 GFC試件的宏觀性能Fig.5 Macro properties of GFC specimens under different precast foams

3 結論

(1)當SDS摻量為3.00g/L時,可以得到1h沉降距為22.71mm,1h泌水率為43.62%,平均圓度為1.8456,平均Feret直徑為0.2380mm的預制泡沫.該預制泡沫穩定性較高,氣孔分布均勻.

(2)當預制泡沫穩定性較差且發泡倍數較小時,其在凈漿中的穩定時間較短,GFC的孔徑增幅較大,且孔徑分層明顯;當預制泡沫穩定性逐漸提高且泡沫孔徑逐漸增大時,其在凈漿中的穩定時間也逐漸增加,同時由于泡沫液膜強度較高,降低了GFC的孔徑增幅倍數,且此時GFC試件孔徑分層現象減緩,試件內部孔徑分布趨于均勻.

(3)將SDS摻量為3.00g/L的預制泡沫按1100mL 摻入地質聚合物凈漿后,得到的GFC試件7d抗壓強度為1.2MPa,干密度為391kg/m3,導熱系數為0.048W/(m·K),滿足相關規范要求.