偏高岭土-粉煤灰基地聚物轻质混凝土试验及性能研究

谢祥雄，王英，陈健祺

（上海师范大学建筑工程学院，上海 201418）

0 引 言

地聚物是一种由硅氧四面体[SiO4]与铝氧四面体[AlO4]通过共价键（Si—O—Al）在三维网格状聚合而成的凝胶体[1]。自地聚物提出以来，已有众多学者对地聚物进行研究并取得了大量成果[2]。地聚物轻质混凝土是以地聚物材料为基体，通过物理或化学发泡技术制备而成的无机多孔材料。现有市面上的轻质混凝土多以水泥为胶凝材料，而水泥的生产过程不仅会产生大量的CO2，增加碳排放，而且是一个高能耗的过程。同时，传统的水泥基轻质混凝土其缺点在使用过程中也逐渐显现出来，主要表现在干燥收缩大、耐久性不佳等方面。因此，用绿色环保的新型胶凝材料来替代水泥制备轻质混凝土意义重大。

以工业固废粉煤灰为主要原材料制备轻质混凝土，从而部分或完全替代水泥，这与可持续发展概念相适应，也为节能减排、新型绿色环保材料的发展提供了新的途径，这一点早已有学者验证。Fernandez 和Palomo[3]的研究表明，以粉煤灰为主要原材料制备的地聚物，生产能耗只是普通水泥的10%～20%，而性能在很大程度上也优于水泥。陈贤瑞等[4]以粉煤灰、偏高岭土为原材料开发新型泡沫地聚物，采用化学发泡法制备了干密度150～305 kg/m3的超轻质泡沫地聚物，研究并证实发泡剂用量对泡沫地聚物密度、强度和导热系数有重要影响且有很好的相关性。符一然[5]研究了水玻璃模数及掺量等因素对地聚物泡沫混凝土抗压强度的影响，证实抗压强度随水玻璃模数及掺量的增大呈先提高后降低的趋势，分别在模数为1、掺量为9%时达到最高。陈立延等[6]研究了粉煤灰掺量对泡沫混凝土性能的影响，结果表明，水灰比不变时，随粉煤灰掺量从10%增加到30%，泡沫混凝土的密度、强度及吸水率都明显降低，且满足一定的数学关系式。姚力豪等[7]研究了硅灰对地聚物力学、抗磨损等性能的影响，结果表明，硅灰能填充孔隙，提高密实度；硅灰掺量为6%时，力学性能和抗磨损性能最佳。

本研究以碱激发偏高岭土-粉煤灰为胶凝材料制备地聚物轻质混凝土，通过调整配合比，研究偏高岭土掺量对其力学性能的影响，为偏高岭土-粉煤灰基地聚物轻质混凝土材料的制备和性能研究提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

粉煤灰：Ⅱ级，主要技术性能见表1；偏高岭土：1250 目，活性指数116%，主要化学成分见表2；水玻璃：模数3.21，SiO2含量为27.84%；氢氧化钠：分析纯，浓度96%；发泡剂：双氧水，浓度30%；催化剂：二氧化锰；稳泡剂：硬脂酸钠，相对分子质量607.02；水：自来水。

表1 粉煤灰的主要技术性能

表2 偏高岭土的主要化学成分%

1.2 地聚物轻质混凝土的制备

1.2.1 配合比设计

以粉煤灰+偏高岭土总质量为100 g 进行配合比设计，固定催化剂、稳泡剂、水玻璃、水和发泡剂用量分别为0.49、0.035、20.00、1.40、28.00、7.00 g，改变偏高岭土掺量（按占粉煤灰和偏高岭土总质量计），设计9 种配比；同时设计纯水泥基对照组S-10。试验配合比设计如表3 所示。

表3 试验配合比设计

1.2.2 试块制备

试验前先配制碱激发剂，为了满足配合比需求，本试验将NaOH 固体溶于水和模数3.21 的水玻璃原液中，人工调配水玻璃模数至1.40，并使之完全溶解、冷却至室温待用。

根据配合比计算材料用量并称重。试块制作过程中，先将固体材料混合并搅拌均匀，然后加入对应比例的碱激发剂和水，充分拌合；搅拌采用机器搅拌加以人工辅助的方式，先慢搅3 min，暂停15 s，后快搅3 min；加入双氧水，快搅20 s 后装模，覆盖保鲜膜，粘贴试件编号，然后放置于标准养护场地。试件脱模后常温养护至7、28 d。

1.3 试验方法和试验仪器

干密度试验采用100 mm×100 mm×100 mm 立方体试件，将达到养护龄期的地聚物轻质混凝土试件放置在烘箱（60±5）℃中烘干6 h，冷却至室温后称重，精确到0.1 g，记录干质量，计算得到每个试件的干密度，每组6 个取平均作为试验结果。

抗压强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm 立方体试件，达到养护龄期的地聚物轻质混凝土试件采用电液伺服系统电子万能试验机（DYW-2000 型）进行抗压强度测试。试验前先将试件与抗压夹具的各个面打扫干净，之后将试件装入抗压夹具，抗压夹具与压力机压板中心对齐，然后开始测试；测试方式为位移控制，加载速度设置为0.5 mm/min，持续加压至试件破坏，记录最大破坏荷载F，计算得到抗压强度，每组6 个取平均作为试验结果。

导热系数试验根据前期试验结果，选取最佳试验配合比地聚物轻质混凝土和对照组S-10 试件，制备外径×内径×高=200 mm×40 mm×400 mm 的圆柱体试件，使用混凝土热物理性能测定仪（HR-4A 型）测试导热系数。

2 试验结果与分析

2.1 偏高岭土掺量对地聚物轻质混凝土干密度的影响（见表4）

表4 偏高岭土掺量对地聚物轻质混凝土干密度的影响

由表4 可见，不同偏高岭土掺量的地聚物轻质混凝土干密度在645.2～827.6 kg/m3之间，干密度随偏高岭土掺量的增加而小范围增大，偏高岭土掺量为35%时，试件干密度最大，为827.6 kg/m3，制备得到的G-35 地聚物轻质混凝土如图1所示。从理论上分析，地聚物轻质混凝土是无机多孔材料，密度大小主要取决于材料内部的孔隙率和孔径分布，而孔隙情况则取决于发泡效果，这一点在许多学者的研究中得到验证。另外，试验过程中搅拌、振捣等人为因素造成材料内部气泡破裂也会影响成品混凝土的孔隙率。所以，本试验试件干密度变化整体而言在一个可以接受的范围，可以认为胶凝材料中粉煤灰和偏高岭土的质量比对干密度影响较小。

图1 G-35 地聚物轻质混凝土外观形貌

2.2 偏高岭土掺量对地聚物轻质混凝土抗压强度的影响（见表5）

表5 偏高岭土掺量对地聚物轻质混凝土抗压强度的影响

由表5 可见，随着偏高岭土掺量的增加，试件抗压强度逐渐提高，但增长速率逐渐变缓。不同偏高岭土掺量的地聚物轻质混凝土28 d 抗压强度在0.89～3.75 MPa，其中G-50 试件的28 d 抗压强度最大，为3.75 MPa。从理论上分析，偏高岭土比粉煤灰的活性大，Si、Al 含量高，聚合过程中能产生更多的[SiO4]与[AlO4]，形成更稳定的三维网状结构[8]，从而提高混凝土的强度；相比之下，粉煤灰由于自身体系复杂，激发难度大，聚合效果更差。可见，试验结果与理论分析相吻合。

2.3 导热系数分析

对比前期的试验结果可知，偏高岭土掺量越大，地聚物轻质混凝土的整体力学性能越好。但偏高岭土掺量达到30%以上时，抗压强度增长较缓慢，干密度变化较小；同时，鉴于偏高岭土价格远高于粉煤灰，综合考虑，选用G-35 配合比研究地聚物轻质混凝土的导热性能。

制备得到的G-35 地聚物轻质混凝土圆柱体试件和S-10水泥基轻质混凝土对照组试件如图2 所示。

图2 导热系数测试试件

经过试验测试，偏高岭土-粉煤灰基地聚物轻质混凝土的导热系数为0.136 W/（m·K），而同体积下的水泥基轻质混凝土的导热系数为0.195 W/（m·K）。同时，结合参考文献[9]的研究成果可知，一般密度等级在700～800 kg/m3的轻质混凝土，导热系数为0.180～0.220 W/（m·K），可见与同密度下的轻质混凝土和同体积下的水泥基轻质混凝土相比，偏高岭土-粉煤灰基地聚物轻质混凝土的导热系数更低，保温隔热性能更好。

3 结 语

（1）以碱激发粉煤灰、偏高岭土等铝硅质原料为胶凝材料，采用化学发泡方法，可以制备干密度为645.2～827.6 kg/m3，28 d 抗压强度为0.89～3.75 MPa 的地聚物轻质混凝土。

（2）偏高岭土掺量对地聚物轻质混凝土的性能有较大影响，抗压强度随偏高岭土掺量的增加逐渐提高，但增长速率逐渐变缓；偏高岭土掺量对干密度影响较小。

（3）偏高岭土-粉煤灰基地聚物材料导热系数低于同密度等级下的轻质混凝土和同体积下的水泥基轻质混凝土，有更好的保温隔热效果；其热工性能参数将作为后续研究的重点。

（4）相比传统的硅酸盐水泥轻质混凝土，地聚物轻质混凝土以工业废料粉煤灰为原料，绿色环保、成本低廉，制备过程能耗低且对环境基本无污染，能实现轻质混凝土使用领域的拓宽。