地质聚合物泡沫混凝土气孔结构形成机理研究

徐 方, 顾功辉, 黄晓明, 张军辉, 朱 婧

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院, 湖北 武汉 430074; 2.东南大学 交通学院, 江苏 南京 211189; 3.长沙理工大学 公路养护技术国家工程实验室, 湖南 长沙 410114; 4.湖北交通职业技术学院, 湖北 武汉 430079)

泡沫混凝土是一种新型墙体保温材料.目前泡沫混凝土中常用的胶凝材料是水泥,这不仅增加成本,还对大气产生污染[1-3].地质聚合物是以粉煤灰等硅铝质固体废弃物为原材料,在常温常压制得的一种环境友好型胶凝材料[4-6].有学者采用地质聚合物取代水泥来制备地质聚合物泡沫混凝土(GFC)[7-9].影响泡沫混凝土性能的根本因素是其内部的气孔结构[10-11].相关学者对此已有一定基础的研究.如宋学锋等[12]研究发现,随着泡沫掺量的增加,GFC的孔隙率、平均孔径和圆度逐渐增大;张磊蕾等[13]研究发现,随着EVA乳液的增加,泡沫混凝土孔径呈增大趋势,大孔数量明显增加;李相国等[14]指出气孔的形状因子对泡沫混凝土的力学性能基本没有影响,而平均孔间距对泡沫混凝土的力学性能影响显著.

目前,关于GFC气孔结构的研究大多集中在材料组成对孔结构参数的影响和孔结构特征对泡沫混凝土宏观性能的影响2个方面,缺乏气孔在料浆内部迁移变化规律的研究.鉴于此,本文制备了不同孔结构参数的预制泡沫,研究了其在净浆内部的迁移规律和孔径变化规律,并采用扫描电子显微镜(SEM)观察了GFC内部的孔结构形态,以探究GFC内部气孔的成孔机理.

1 试验

1.1 原材料

原材料为粉煤灰(FA)、矿粉(GGBFS)、水玻璃、NaOH、水和自制发泡剂.其中粉煤灰为国家Ⅰ级低钙粉煤灰,矿粉为S95粒化高炉矿渣粉,两者化学组成见表1;水玻璃为建筑用水玻璃,其SiO2和NaO2含量(质量分数,文中涉及的含量、水固比等均为质量分数或质量比)分别为27.40%和8.81%;NaOH(分析纯)含量≥96.00%;自制发泡剂由十二烷基硫酸钠(SDS,白色粉末状物质,纯度≥99.60%)、十二醇(黄色油性液体,纯度≥97.85%)、羧甲基纤维素钠(CMC,淡黄色纤维状物质,纯度≥97.00%)、无水乙醇(纯度≥99.70%)和水按一定比例配制而成.

表1 粉煤灰和矿粉的化学组成Table 1 Chemical composition of FA and GGBFS w/%

1.2 试验方法

首先，采用压缩空气法制备预制泡沫;然后，将NaOH溶于水玻璃中制得的复合碱激发剂置入搅拌锅内中,与粉煤灰、矿粉和水进行搅拌,得到地质聚合物净浆;最后，向地质聚合物净浆中加入预制泡沫,慢搅4min,待泡沫与地质聚合物净浆混合均匀后,即可得到GFC.先将GFC浇注于40mm×40mm×40mm 和φ50×100mm这2种模具中,24h后拆模,得到立方体试件和圆柱体试件;再将其放入标准养护箱(25℃,相对湿度95%)中，养护至规定龄期.

1.3 泡沫配合比设计

试验设计了7组预制泡沫，其配合比如表2所示.

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

地质聚合物净浆的水固比为0.28.其中,固体总含量固定为350.0g,包括粉煤灰180.6g(掺量为51.6%)、矿粉120.4g(掺量为34.4%)、复合碱激发剂固含量49.0g(掺量为14.0%).地质聚合物净浆的宏观性能见表3.

表3 地质聚合物净浆的宏观性能Table 3 Macroscopic properties of geopolymer paste

制备GFC试件时固定预制泡沫掺量,即在350.0g地质聚合物净浆中掺入1100mL预制泡沫,从而系统分析不同配合比预制泡沫对GFC试件性能的影响规律.

1.4 性能测试方法

预制泡沫的宏观性能依据JC/T 2199—2013《泡沫混凝土用泡沫剂》进行测试.预制泡沫和GFC试件的平均Feret直径、圆度、孔隙率均先使用数码相机进行断面图像采集,再将图像导入图形分析软件Image Pro Plus中分析得到.GFC试件的微观形貌采用SEM进行观察;GFC试件的抗压强度、导热系数和干密度依据JG/T 266—2011《泡沫混凝土》进行测试.

2 结果与讨论

2.1 预制泡沫性能表征

7组预制泡沫的性能见表4.

由表4可知：随着SDS掺量的增加,预制泡沫的1h沉降距、1h泌水率和圆度先降低后增加,平均Feret直径先增加后降低.这主要是因为,当SDS掺量小于3.00g/L时,在液气分散体系中亲水基分子与憎水基分子数量较少,液体表面活性剂分子不能趋于密集分散,因此只能形成少量泡沫,且泡沫液膜强度较低,泡沫周围自由水较多,同时在泡沫消融过程中产生的自由水会挤压泡沫,导致泡沫变形、破裂;当SDS掺量持续增加至临界值 3.00g/L 时,溶液表面大多被活性剂分子覆盖,憎水基朝外形成了1层碳链表面膜,减小了气液相接触,从而降低了表面张力,增大了发泡倍数和泡沫韧性;当SDS掺量超过临界值3.00g/L时,泡沫剂溶液黏度增加,难以形成较多泡沫,泡沫1h泌水率增加,析液现象严重.

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

2.2 GFC成孔的时间变化过程

图1 GFC试件的平均Feret直径随时间的变化Fig.1 Variation of average Feret diameter with time of GFC specimens

图1显示了GFC试件的平均Feret直径随时间的变化.由图1可以看出,随着预制泡沫稳定性和孔结构的变化,GFC试件孔结构的稳定时间也随之有规律地发生变化.结合表4和图1可以发现：当发泡倍数较低,泡沫稳定性差,且泡沫液膜强度较低时,大量泡沫在净浆的挤压作用下快速破碎,缩短了泡沫在净浆中的稳定时间,同时由于泡沫液膜强度较低,大量小孔在净浆挤压作用下合并成大孔,导致孔径增幅倍数较大;当发泡倍数较高、泡沫稳定性较好,且泡沫液膜强度较高时,泡沫的合并时间延长,延长了净浆中泡沫的稳定时间,同时由于泡沫液膜强度较高,泡沫的合并现象减弱,导致孔径增幅倍数降低.SY1组泡沫的孔结构稳定时间和孔径增幅倍数明显小于其他组别,这主要是由于其1h沉降距为48.06mm,1h泌水率为81.46%,泡沫极其不稳定,当泡沫掺入净浆时带入了大量自由水,导致泡沫在净浆中迅速破灭.

2.3 GFC成孔的空间变化过程

为探究GFC空间成孔机理与空间成孔过程,将GFC制成φ50×100mm的圆柱体试件,待试件凝结硬化后,将试件由上自下均匀截取A、B、C3个截面,得到3个截面的孔结构参数.图2为GFC试件平均Feret直径的空间分布.由图2可以看出：当预制泡沫1h沉降距和1h泌水率较大时,泡沫极易破碎,破碎产生的自由水由于重力作用运动到中下部,加速了下部泡沫的破灭;当预制泡沫稳定性逐渐提高,发泡倍数逐渐增大时,泡沫液膜强度较高,泡沫充满了整个净浆,净浆固定泡沫的能力减弱,净浆和泡沫混合均匀,因此整个试件的孔径无明显分层现象.

图2 GFC试件内部平均Feret直径的空间分布Fig.2 Variation of average Feret diameter with space of GFC specimens

2.4 GFC微观孔结构特征分析

分别以预制泡沫SY1和SY4制备的GFC试件气孔整体微观形貌如图3所示.由图3可以看出,与预制泡沫SY1相比,预制泡沫SY4稳定性较好,发泡倍数较高,由其制备的GFC试件内部气孔分布更为均匀,连通孔较少,孔隙率也更高.

分别以预制泡沫SY1和SY4制备的GFC试件单孔微观形貌如图4所示.由图4可见,随着泡沫稳定性的提高和发泡倍数的增加,GFC试件的孔径逐渐变大,这与前文所述GFC试件的性能变化规律相一致.

图3 GFC试件气孔整体微观形貌Fig.3 Overall pore microscopic morphology of GFC specimen

图4 GFC试件单孔微观形貌Fig.4 Single pore microscopic morphology of GFC specimen

2.5 GFC试件宏观性能分析与评价

GFC试件的干密度、7d立方体抗压强度和导热系数见图5.由图5可知：随着预制泡沫稳定性的提高,GFC试件的宏观性能也逐渐得到提升,这与前文的微观指标变化规律相一致.需要说明的是,预制泡沫SY1沉降距和泌水率较大,孔结构不稳定,发泡倍数较低,在净浆内部难以形成气孔,故GFC试件的干密度和导热系数较大;同时由于泡沫掺量大,被压碎的泡沫产生了大量自由水,增大了GFC的水固比,加之连通孔的存在,导致SY1组的抗压强度相比于相同密度等级的净浆强度有大幅下降,但仍高于内部含有大量气孔的SY2～SY7组的强度.而预制泡沫SY4的沉降距和泌水率均较小,泡沫稳定性较好,因此在净浆中可以大量存活下来并形成均匀的封闭气孔,使得GFC试件具有较高的抗压强度(1.2MPa)、较低的干密度(391kg/m3)与导热系数(0.048W/(m·K)).

对照JG/T 266—2011中的泡沫混凝土宏观性能指标可知,当预制泡沫(SY4)1h沉降距为22.71mm,1h泌水率为43.62%,平均圆度为1.8456,平均Feret直径为0.2380mm时,将其掺入地聚合物净浆中，所得到的GFC试件相关指标满足规范要求.

图5 GFC试件的宏观性能Fig.5 Macro properties of GFC specimens under different precast foams

3 结论

(1)当SDS掺量为3.00g/L时,可以得到1h沉降距为22.71mm,1h泌水率为43.62%,平均圆度为1.8456,平均Feret直径为0.2380mm的预制泡沫.该预制泡沫稳定性较高,气孔分布均匀.

(2)当预制泡沫稳定性较差且发泡倍数较小时,其在净浆中的稳定时间较短,GFC的孔径增幅较大,且孔径分层明显;当预制泡沫稳定性逐渐提高且泡沫孔径逐渐增大时,其在净浆中的稳定时间也逐渐增加,同时由于泡沫液膜强度较高,降低了GFC的孔径增幅倍数,且此时GFC试件孔径分层现象减缓,试件内部孔径分布趋于均匀.

(3)将SDS掺量为3.00g/L的预制泡沫按1100mL 掺入地质聚合物净浆后,得到的GFC试件7d抗压强度为1.2MPa,干密度为391kg/m3,导热系数为0.048W/(m·K),满足相关规范要求.