堿激發礦渣-玻璃粉基泡沫混凝土性能研究

龔建清，楊 倩，郭 麗，范蘇杰，蔡光偉

(1.湖南大學土木工程學院，長沙 410082；2.湖南大學，綠色先進土木工程材料及應用技術湖南省重點實驗室， 長沙 410082；3.長沙市軌道交通集團有限公司，長沙 410082)

0 引 言

泡沫混凝土是將預制泡沫加入到水泥漿體中制備得到的多孔輕質混凝土。根據中國2019年泡沫混凝土行業研究報告，用于回填工程的泡沫混凝土占現澆泡沫混凝土產量的一半以上，并得到越來越多的關注和發展[1]。與傳統砂石填料相比，泡沫混凝土具有很多優點，例如密度可調節、流動性高、施工便利、硬化后的自立性等[2-3]。然而，泡沫混凝土低密高強的矛盾和回填應用的惡劣服役環境(凍融循環、動荷載作用和水的侵蝕等)，引起了人們對其強度、耐水性、抗凍性等性能的擔憂[4-6]。

大量研究表明，由于水化產物的特殊性質[7]及較低的滲透率[8]，堿激發礦渣水泥具有較高的抗壓強度[9]、優異的耐水性[10]及良好的抗凍性[11-12]，這些優點使其具有制備泡沫混凝土的潛在優勢。Mastali等[13]制備的密度為600～1 500 kg/m3的堿激發礦渣泡沫混凝土抗壓強度在2.5～13.0 MPa，與同密度的普通硅酸鹽水泥基泡沫混凝土相比，強度更高。He等[14]研究表明，干密度為600 kg/m3的堿激發礦渣泡沫混凝土吸水率在50.1%～52.6%之間，同時具有較好的耐久性。然而，盡管中國每年生產超過1億t的礦渣，但是市場需求很大，礦渣價格一直上漲，并且持續的高需求可能使得未來礦渣供應有限。因此需要尋找可用于部分替代堿激發膠凝材料中礦渣的材料。

廢玻璃中含有大量的無定形二氧化硅，是一種火山灰材料。在中國，2017年廢玻璃產出量為2 025.5萬t，回收利用量為926.8萬t，只有45.8%被回收利用[15]。而且人類活動產生的廢玻璃，其中超過90%為硅鈉鈣玻璃，具有相對穩定和相似的化學成分[16]。考慮材料的方便和環保，廢玻璃可以用作堿激發水泥中礦渣的廉價替代來源。

近年來，用玻璃粉部分替代礦渣作為膠凝材料來制備堿激發水泥已得到廣泛研究。Wang等[17]發現玻璃粉可以提高試塊的抗壓強度和抗硫酸鹽侵蝕的能力。因為玻璃粉的高二氧化硅含量使聚合反應更完全，漿體更致密。Zhang等[18]研究發現玻璃粉顯著降低了試塊的干燥收縮。Cercel等[19]報道，含玻璃粉的堿激發水泥的抗壓強度與超聲脈沖速度具有良好相關性，可以使用超聲波脈沖法來間接評價堿激發水泥的性能。Long等[20]研究了玻璃粉對堿激發水泥水化的影響，結果表明，用玻璃粉替代礦渣后主要結晶化合物包括菱鎂礦、水滑石和石英，玻璃粉代替礦渣不會顯著改變堿激發砂漿中的水化產物。

綜上所述，用玻璃粉部分替代礦渣制備堿激發礦渣水泥是可行的。但是，關于玻璃粉用于制備堿激發礦渣-玻璃粉基(alkali-activated slag-glass powder based， AASG)泡沫混凝土的性能研究尚未見報道。因此，本文對AASG泡沫混凝土的強度、耐久性和微觀結構進行全面研究，以拓寬玻璃粉的應用范圍。首先研究玻璃粉摻量的變化對AASG泡沫混凝土流動性、抗壓強度、吸水率、軟化系數、干燥收縮和抗凍性的影響，然后通過掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)儀來解釋AASG泡沫混凝土性能不同的原因。

1 實 驗

1.1 原材料

圖1 礦渣和玻璃粉的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of slag and glass powder

本研究中使用的膠凝材料是礦渣和玻璃粉，礦渣由中國湖南長沙固興力建材科技有限公司生產，玻璃粉來自中國山東棗莊孟慧建材科技有限公司。以上材料的化學組成如表1所示。圖1為礦渣和玻璃粉的粒徑分布圖，礦渣和玻璃粉的平均粒徑分別為10.63 μm和41.78 μm。礦渣和玻璃粉的形貌如圖2所示，顆粒形狀都不規則，邊緣尖銳，但玻璃粉顆粒表面光滑。

堿激發劑溶液由硅酸鈉溶液和氫氧化鈉溶液混合而成。硅酸鈉溶液由優瑞耐材有限公司生產，模數為2.3，氧化鈉和二氧化硅的質量分別占13.75%和29.90%。氫氧化鈉溶液是由稱量好的固體氫氧化鈉顆粒(純度96%(質量分數)，天津致遠有限公司)與自來水混合并攪拌均勻得到。發泡劑是山東青島樂高有限公司生產的植物復合發泡劑，試驗時用自來水以質量比1 ∶40進行稀釋。

表1 原材料的化學組成Table 1 Chemical composition of raw materials

圖2 礦渣和玻璃粉的形貌Fig.2 Morphologies of slag and glass powder

1.2 配合比

制備干密度為800 kg/m3的AASG泡沫混凝土。液固比為0.55，激發劑溶液的模數為1.5，堿當量為5%，泡沫摻量為膠凝材料質量的6.55%。玻璃粉摻量分別為礦渣質量的10%、20%、30%、40%，以未摻玻璃粉的AASG泡沫混凝土為基準組。詳細配合比如表2所示。

表2 AASG泡沫混凝土配合比Table 2 Mix proportion of AASG foamed concrete

1.3 試驗方法

首先，將礦渣和玻璃粉在攪拌機中低速攪拌5 min,在干粉混合攪拌均勻后，將堿激發劑和額外的水加入到攪拌機中，以140 r/min的速度混合2 min后，暫停30 s，再以285 r/min的速度攪拌90 s，獲得均勻流態的漿體。然后將預先制備和稱重好的泡沫快速倒入漿體中，以285 r/min的速度攪拌30 s。最后將漿體澆注到100 mm×100 mm×100 mm和40 mm×40 mm×160 mm的模具中，用塑料薄膜包裹密封。48 h后脫模，得到的AASG泡沫混凝土,放在標準養護室((20±2) ℃，相對濕度>95%)中養護。

依據《泡沫混凝土應用技術規程》(JGJ/T 341—2014)進行流動性試驗,根據《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)進行抗壓強度和干密度試驗,參照《泡沫混凝土制品性能試驗方法》(JC/T 2357—2016)進行吸水率和軟化系數試驗,根據《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》(GB/T 11969—2020)進行干燥收縮試驗,按ASTMC 666—97進行抗凍性試驗,根據ASTM C597—02進行超聲無損檢測。利用Sigma 300型掃描電子顯微鏡觀察噴金后AASG泡沫混凝土樣品的微觀結構，利用X射線衍射儀分析AASG泡沫混凝土樣品的產物組成。

2 結果和討論

2.1 流動性

玻璃粉摻量對AASG泡沫混凝土流動性的影響如圖3所示。從圖中明顯可以看出，玻璃粉摻量越高，AASG泡沫混凝土的流動性越高，流動度在199～250 mm。與對照組相比，摻入10%、20%、30%和40%的玻璃粉，漿體流動度分別提高5.0%、14.6%、18.6%和25.6%。玻璃粉對AASG泡沫混凝土流動性的改善主要歸因于以下三個方面：(1)玻璃固有的光滑表面(見圖2)會降低膠凝材料的吸水率[21]；(2)玻璃粉的平均粒徑比礦渣高(見圖1)，比表面積較小，從而吸附的自由水較少；(3)玻璃粉Ca含量較低，活性低于礦渣[22]，當玻璃粉摻量較高時，未反應的玻璃顆粒會讓漿體中的部分泡沫破裂，從而引入額外的自由水。因此，當在AASG泡沫混凝土中添加玻璃粉時，攪拌階段會產生更多的自由水，降低內部顆粒間的摩擦力，從而改善混合物的流動性。在現場澆筑中，尤其是用于回填工程，新拌泡沫混凝土的高流動性非常重要，通常要求泡沫混凝土的流動度在160～250 mm[4]之間。本研究中所有新拌混凝土都滿足流動性要求。

2.2 抗壓強度

圖4為玻璃粉摻量對AASG泡沫混凝土抗壓強度的影響。在7 d和28 d齡期下，抗壓強度都隨玻璃粉摻量的增加先增大后減小。對照組試塊7 d和28 d抗壓強度分別為3.21 MPa和4.71 MPa。當摻入20%的玻璃粉時，AASG泡沫混凝土強度最高，7 d和28 d抗壓強度分別為3.69 MPa和5.83 MPa，高于對照組15.0%和23.8%，后期強度提高較為明顯。先前的研究[17]也表明，在堿激發礦渣膠凝材料中使用玻璃粉部分替代礦渣時，最佳摻量在20%～30%。強度的提高可以歸因于玻璃粉的高二氧化硅含量和高堿含量(見表1)。玻璃粉可以提供更多的可溶性SiO2參與反應體系中，并向孔溶液中提供額外的Na+，作為堿激發劑，促進膠凝材料的溶解和水化反應，有利于C-(N-)A-S-H凝膠的形成，從而細化孔隙并減少連通孔[23-24]。然而，當玻璃粉摻量增至30%后，試塊抗壓強度開始呈現下降趨勢。當玻璃粉摻量為40%時，AASG泡沫混凝土7 d和28 d抗壓強度分別為2.63 MPa和4.15 MPa，低于對照組18.1%和11.9%。這有兩個方面的原因：一是玻璃粉中的鈣含量較低，玻璃粉摻量高時導致反應體系中鈣不足，生成的C-(N-)A-S-H的量會減少[18]；二是漿體的高流動性和未反應的玻璃顆粒導致泡沫消失或泡沫合并成大氣泡，使得內部的大孔和連通孔變多[25-26]，宏觀表現為G40試塊干密度最低。

圖3 玻璃粉摻量對AASG泡沫混凝土流動性的影響Fig.3 Effect of glass powder content on fluidity of AASG foamed concrete

圖4 玻璃粉摻量對AASG泡沫混凝土抗壓強度的影響Fig.4 Effect of glass powder content on compressive strength of AASG foamed concrete

2.3 干燥收縮

AASG泡沫混凝土干燥收縮和質量損失分別如圖5和圖6所示。可以發現，AASG泡沫混凝土的干燥收縮和質量損失主要發生在前21 d。隨玻璃粉摻量的增加，AASG泡沫混凝土的干燥收縮和質量損失先減小再增大。玻璃粉摻量為0%、10%、20%、30%和40%時，試塊的56 d收縮值分別為2.39 mm/m、2.25 mm/m、2.08 mm/m、2.36 mm/m和2.64 mm/m，質量損失分別為7.45%、7.10%、6.38%、6.65%和8.27%，最佳摻量為20%，G20試塊的56 d干燥收縮較對照組降低13.0%，質量損失低14.4%。這是由于玻璃粉替代礦渣，早期時玻璃粉活性低于礦渣，水化反應比礦渣緩慢，水化產生的水化產物減少，引起的收縮較小[27]；到反應后期，玻璃粉溶解和水化反應形成的強堿環境激活了玻璃粉的活性，使其后期活性提高，產生C-S-H凝膠的速率加快，增加了漿體中水分遷移難度[24]。而玻璃粉摻量增加到40%時，試塊干燥收縮和質量損失高于對照組。可能是由于玻璃粉摻量過多時基體強度降低，抵抗收縮應力的能力降低。

圖5 玻璃粉摻量對AASG泡沫混凝土干燥收縮值的影響Fig.5 Effect of glass powder content on dry shrinkage value of AASG foamed concrete

圖6 玻璃粉摻量對AASG泡沫混凝土質量損失的影響Fig.6 Effect of glass powder content on mass loss of AASG foamed concrete

2.4 吸水率和軟化系數

玻璃粉摻量對AASG泡沫混凝土吸水率的影響如圖7所示。可以發現，隨玻璃粉摻量的增加，AASG泡沫混凝土的吸水率呈現先降低再升高的趨勢。與對照組相比，摻10%、20%和30%玻璃粉的AASG泡沫混凝土吸水率分別降低11.2%、32.4%和9.4%，而玻璃粉摻量增加到40%時試塊吸水率提高12.3%。

圖8為不同玻璃粉摻量的AASG泡沫混凝土飽水前后的強度和軟化系數。可以看出軟化系數隨玻璃粉摻量的增加先增大再減小。當玻璃粉含量為0%、10%、20%、30%和40%時，樣品的軟化系數分別為86.2%、90.3%、93.9%、88.5%和84.6%，玻璃粉摻量20%時軟化系數最高。軟化系數的測試結果與吸水率結果一致。

圖8 玻璃粉摻量對AASG泡沫混凝土抗壓強度和 軟化系數的影響Fig.8 Effect of glass powder content on compressive strength and softening coefficient of AASG foamed concrete

從以上試驗結果可以看出，適當摻量的玻璃粉能提高AASG泡沫混凝土的耐水性。這是由于玻璃粉的高二氧化硅含量和高堿含量，可以促進C-(N-)A-S-H凝膠的形成，有利于細化孔隙并減少連通孔[24]。但是，當玻璃粉摻量過高時會使AASG泡沫混凝土耐水性變差：一方面是由于漿體的流動度過高，從而使漿體出現一定程度的離析，使得AASG泡沫混凝土中的缺陷增多；另一方面是由于未水化的玻璃粉顆粒會讓部分泡沫破裂，導致封閉氣孔減少，連通孔和大孔變多[25-26]。

2.5 抗凍性

2.5.1 質量損失率

圖9為不同凍融循環次數下玻璃粉摻量對AASG泡沫混凝土質量損失率的影響。在玻璃粉摻量相同的情況下，試塊的質量損失率隨著凍融循環次數的增加而增加。凍融循環15次時，玻璃粉摻量為20%的試塊的質量損失率最低，為0.72%。這可能是由于G20試塊強度較高并且吸水率較低，凍融循環產生的破壞較小，造成的質量損失較低。但是當凍融循環20次和25次時，試塊的質量損失率隨玻璃粉摻量的增加而增加。含有玻璃粉的試塊在凍融循環結束并烘干后，與對照組相比，表面有更明顯的掉粉剝落現象。這可能是因為玻璃粉中含較多的硅和鈉，活化產生的硅酸鈉凝膠與水接觸會變得不穩定，隨著在水中暴露時間的延長，硅酸鈉凝膠會逐漸分解[23]。此外，玻璃粉摻量較高時，試塊強度較低，也會讓試塊的整體耐水性下降。在玻璃粉摻量為30%和40%時，凍融循環25次后質量損失率分別為6.64%和7.09%。而根據《泡沫混凝土應用技術規程》JGJ/T 341—2014，當泡沫混凝土質量損失率達到5%時，視為其已被破壞。

2.5.2 強度損失率

玻璃粉對AASG泡沫混凝土凍融循環前后強度損失的影響如圖10所示。凍融循環次數一定時，強度損失率隨著玻璃粉摻量的增加先減小后增大；摻量一定時，強度損失率隨著凍融循環次數增加而增大。玻璃粉摻量為20%時，強度損失率最低，凍融循環25次后強度損失率為13.05%。一是因為AASG泡沫混凝土的強度較高，抵抗凍融引起的膨脹應力的能力較強，不易發生破壞；二是因為吸水率較低，凍融循環過程中發生的凍脹破壞較少，對試塊內部的破壞作用較弱。當玻璃粉摻量為40%時，強度損失率最高，凍融循環25次后強度損失率為18.31%。這歸因于AASG泡沫混凝土的低強度和高吸水率。

圖9 不同凍融循環次數下玻璃粉摻量對 AASG泡沫混凝土質量損失率的影響Fig.9 Effect of glass powder content on mass loss rate of AASG foamed concrete under different freeze-thaw cycles

圖10 不同凍融循環次數下玻璃粉摻量對 AASG泡沫混凝土強度損失率的影響Fig.10 Effect of glass powder content on strength loss rate of AASG foamed concrete under different freeze-thaw cycles

2.5.3 超聲無損檢測

圖11為不同凍融循環次數下AASG泡沫混凝土超聲波速度隨玻璃粉摻量的變化情況。從圖11(a)中可以看出，在凍融循環20次之前，所有試塊的超聲波速度和損傷程度的變化很小，但在凍融循環20次后迅速衰減。從圖11(b)中可以看出，添加玻璃粉可以提高試塊的超聲波速度，當玻璃粉的摻量達到一定值時，超聲波速度會降低。玻璃粉摻量為20%時，超聲波速度最大，凍融循環前和凍融循環25次后，超聲波速度分別為2.191 km/s和2.020 km/s，分別比對照組高0.112 km/s和0.179 km/s。超聲波速度的變化趨勢與凍融循環前后試塊強度的損失趨勢一致，這說明超聲波法可以間接反映凍融破壞程度，從而反映抗凍性。因為超聲波速度隨著混凝土中缺陷(如裂縫和孔隙)數量的變化而變化[28]。在凍融過程中，凍結的孔隙溶液會結冰膨脹，并迫使未結冰的孔隙溶液流向孔壁，從而產生靜水壓力，使孔壁發生塑性變形，隨著凍融循環次數的增加，孔隙逐漸加大，當靜水壓力超過混凝土強度時就開始出現微細裂縫[25]，宏觀表現為試塊超聲波速度下降。

圖11 不同凍融循環次數下玻璃粉摻量對AASG泡沫混凝土超聲波速度的影響Fig.11 Effect of glass powder content on ultrasonic velocity of AASG foamed concrete under different freeze-thaw cycles

2.6 微觀分析

2.6.1 SEM分析

圖12為通過SEM獲得的養護28 d的AASG泡沫混凝土的孔結構對比圖。可以清楚地看到，玻璃粉的摻入對孔徑大小和氣孔均勻性有明顯的影響。與對照組相比，G20組孔壁較厚，孔徑分布更加均勻，有較多均勻分布的小孔，連通孔和不規則孔數目較少。G40組孔隙孔徑更大，小孔數目更少。這說明試塊在成型的時候，小氣泡傾向于破裂，從而使大氣泡變大[25-26]。

圖12 AASG泡沫混凝土孔結構Fig.12 Pore structure of AASG foamed concrete

圖13為不同玻璃粉摻量的AASG泡沫混凝土產物形貌對比圖。玻璃粉替代礦渣后，會增加膠凝材料的硅含量并減少鈣含量，從而對水化反應有所影響。可以看出，與對照組相比，G20組微米級孔隙更小也更均勻。當玻璃粉摻量繼續增加達40%時，G40組生成的水化產物數量較少。這說明較大摻量玻璃粉替代礦渣后，反應體系中鈣不足，導致形成的C-(N-)A-S-H的量減少[18]。

綜上，玻璃粉摻量適當時，會改善AASG泡沫混凝土的孔結構，因此其具有較高的抗壓強度、較小的干燥收縮、較強的耐水性和較好的抗凍性[29]。

2.6.2 XRD分析

圖14 AASG泡沫混凝土XRD譜Fig.14 XRD patterns of AASG foamed concrete

圖14為不同玻璃粉摻量的AASG泡沫混凝土在養護28 d后的XRD譜。如圖所示，可以觀察到水滑石(hydrotalcite)、石英(quartz)、C-(N-)A-S-H、斜方鈣沸石(gismondine)、方解石(calcite)的存在。與對照組相比，摻玻璃粉的試塊中未發現新的特征峰，因此玻璃粉的摻入并沒有改變堿激發反應的產物類型。在玻璃粉摻量為20%時，C-(N-)A-S-H和水滑石特征峰強度變化幅度較小，而在玻璃粉摻量為40%時，二者均出現了明顯的降低趨勢。玻璃粉替代礦渣會增加反應體系中SiO2的含量但會降低Al2O3和CaO的含量，初始系統中化學成分的變化將會影響水化產物的形成[30]。水滑石減少可能是由于反應體系中鈣硅比的降低，Mg2+更多地參與C-S-H結構，從而減少了水滑石的形成[31]。二元混合物中玻璃粉含量高會導致反應體系中Al2O3和CaO不足，因此生成的C-(N-)A-S-H的量會減少。這就可以解釋40%摻量的玻璃粉替代礦渣后泡沫混凝土強度顯著降低的原因。

3 結 論

(1)AASG泡沫混凝土的流動性隨玻璃粉摻量的增加而增加，流動度在199～250 mm。

(2)玻璃粉可以改善AASG泡沫混凝土的抗壓強度。隨玻璃粉摻量的增加，抗壓強度先增加后降低。摻量為20%時，7 d和28 d抗壓強度達最大值，分別為3.69 MPa和5.83 MPa，與對照組相比分別提高15.0%和23.8%。

(3)適當玻璃粉的摻入可以降低AASG泡沫混凝土的干燥收縮，并改善耐水性和抗凍性。玻璃粉摻量為20%時，干燥收縮值、干燥質量損失和吸水率最低，軟化系數最高，抗凍性最佳。

(4)SEM分析表明，玻璃粉摻量為20%時，孔結構得到優化，微觀結構更加致密。此外，玻璃粉的摻入并沒有改變堿激發反應的產物類型，主要反應產物為C-(N-)A-S-H和水滑石。