輔助膠凝材料在泡沫混凝土中的應(yīng)用與研究進(jìn)展

朱嘉煒，趙孟君，陳菁，陳博洋

（揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州225127）

0 引言

建筑業(yè)的快速發(fā)展， 使得其對(duì)水泥的需求量日益增加，但水泥在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生CO2，對(duì)環(huán)境帶來不利影響。因此，為了響應(yīng)政府節(jié)能減排的號(hào)召， 相關(guān)學(xué)者開始對(duì)建筑固廢和工業(yè)固廢進(jìn)行研究， 主要是將其制備為粉體用于取代部分水泥制備水泥基材料使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 我國建筑領(lǐng)域在2017 年產(chǎn)生的建筑固廢已經(jīng)達(dá)18 億t， 且有不斷增長的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2020 年底將突破50 億t。由于建筑固廢存在大量粉塵、不易自然降解的特性，傳統(tǒng)的處理方式會(huì)帶來一系列環(huán)境問題。與此同時(shí)，我國粉煤灰年產(chǎn)量基本保持在5～7 億t，如果處理不當(dāng)會(huì)造成城市空氣污染， 危害人民身體健康。因此，對(duì)建筑固廢和工業(yè)固廢的資源化利用迫在眉睫。

1 輔助膠凝材料的基本性質(zhì)

1.1 物理性能

粉煤灰是燃煤發(fā)電站所產(chǎn)生的飛灰， 通過排放的煙氣收集得到，其具有潛在活性，可在堿性環(huán)境中反應(yīng)生成具有膠凝性的組分。再生粉體是通過對(duì)建筑固廢進(jìn)行分級(jí)破碎和除雜篩分，在制備再生骨料過程中得到的粒徑＜0.16 mm 的疏松粉狀物[1]。由于原料來源、種類、制備工藝和設(shè)備器具的不同，其物理性質(zhì)存在著一定的差異。表1 為一些學(xué)者通過測(cè)試研究所得的建筑固廢和工業(yè)固廢中常見膠凝材料的主要性質(zhì)。其中再生粉體的干表觀密度為2 515 kg/m3，比表面積在4 500～7 500 cm2/g。

1.2 化學(xué)成分

原材料的種類對(duì)再生粉體化學(xué)成分影響較大，不同原料之間存在一定的差異，但均以CaO、SiO2、Al2O3為主。與水泥相比，再生粉體SiO2含量較高，CaO 含量較低； 與粉煤灰相比，SiO2含量相近，CaO含量較高[2]。水泥，粉煤灰和再生粉體三者化學(xué)成分相似， 且再生粉體含有的SiO2和CaCO3是組成水泥的主要化學(xué)成分，再生粉體中的Ca(OH)2也是水泥水化過程中的產(chǎn)物，同時(shí)能夠促進(jìn)水泥的水化[3]，具有形成膠凝產(chǎn)物的能力。表2 為一些學(xué)者[4-5]研究測(cè)試所得建筑固廢和工業(yè)固廢中膠凝材料的主要化學(xué)成分。

表1 輔助膠凝材料的主要物理性質(zhì)

表2 膠凝材料的主要化學(xué)成分

1.3 活性激發(fā)

再生粉體的主要成分有硬化水泥石以及砂石骨料粉末等， 其活性以及膠凝性能受未水化的水泥顆粒影響較大， 已有相關(guān)學(xué)者采取了不同方法對(duì)其進(jìn)行激發(fā)，呂雪源[6]選取了四種不同的溫度段（200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃）對(duì)再生粉體處理，研究再生粉體的膠砂強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)再生粉體摻量低于30%時(shí)，與II 級(jí)粉煤灰相比其活性基本相同，熱處理后，活性明顯提高且在溫度為600 ℃時(shí)達(dá)到最高。李超[7]將不同細(xì)度的粉煤灰摻入水泥基材料中，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入10%比表面積為803 m2/kg 的磨細(xì)粉煤灰，抗壓強(qiáng)度比原抗壓強(qiáng)度高1.2 倍。

劉棟等學(xué)者[8]利用Na2SO4、NaOH、Ca（OH）2、Na HCO3四種化學(xué)激發(fā)劑對(duì)再生粉體進(jìn)行堿激發(fā)，結(jié)合宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)表征結(jié)果確定激發(fā)劑的最佳用量。而孫麗蕊[9]分別按照水泥膠砂強(qiáng)度的試驗(yàn)方法以及再生粉體的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量制成標(biāo)準(zhǔn)水泥凈漿， 以一定配合比加入堿性激發(fā)劑NaOH 以及Na2SO4對(duì)再生粉體進(jìn)行活性激發(fā)試驗(yàn)。與對(duì)照組對(duì)比，再生粉體的活性均未得到提高，主要由于測(cè)試中的再生粉體中未水化水泥顆粒等活性物質(zhì)較少，所以加入堿性激發(fā)劑對(duì)再生粉體的活性激發(fā)影響不大。

綜上可知，再生粉體和粉煤灰有一定的火山灰活性，可以用于制備水泥基材料。通過選擇合適的激發(fā)方式，可以一定程度上提高再生粉體和粉煤灰利用率和性能。

2 輔助膠凝材料在泡沫混凝土中的應(yīng)用

2.1 輔助膠凝材料對(duì)泡沫混凝土流動(dòng)度的影響

李博[10]研究發(fā)現(xiàn)，在相同水膠比下，不摻粉煤灰的泡沫混凝土流動(dòng)性較差，摻入粉煤灰的泡沫混凝土流動(dòng)性較好， 且粉煤灰摻量為30%時(shí)泡沫混凝土的流動(dòng)性最優(yōu)。張肖明[11]等制備了不同建筑固廢再生粉體取代率的泡沫混凝土，研究了再生粉體取代率對(duì)泡沫混凝土流動(dòng)度等性能的影響，分別以0%、20%、30%、40%等質(zhì)量取代水泥制備泡沫混凝土，按JFJ/T341—2014《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》測(cè)試了試件的流動(dòng)度。研究結(jié)果表明，隨著取代率的增加，泡沫混凝土的流動(dòng)性逐漸降低；隨著泡沫混凝土密度的增加，再生粉體對(duì)泡沫混凝土的流動(dòng)性影響呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。李青[12]還研究了摻入羥丙基甲基纖維素(HPMC)對(duì)再生粉體泡沫混凝土的改性影響，當(dāng)HPMC 含量不超過0.05%時(shí)，能顯著提高再生粉體泡沫混凝土的整體質(zhì)量，改善漿體的粘稠性與流動(dòng)性，提高氣泡的穩(wěn)定性與分散均勻性。

2.2 輔助膠凝材料對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

泡沫混凝土的力學(xué)性能以抗壓強(qiáng)度為主。由于建筑固廢和工業(yè)固廢成分來源不同，泡沫混凝土的強(qiáng)度會(huì)存在一定差異。

水泥是泡沫混凝土強(qiáng)度的主要來源，高艷娜以礦粉∶粉煤灰∶石灰∶石膏=4∶4∶3∶1 的基準(zhǔn)配合比制備了泡沫混凝土，當(dāng)水泥摻量在20%～40%時(shí)，隨著水泥摻量的提高，試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增長到50%時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

張松等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)， 對(duì)于泡沫摻量相同的泡沫混凝土，當(dāng)再生粉體摻量小于10%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度隨再生粉體摻量增加而增加； 當(dāng)再生粉體摻量為10%時(shí)，其28 d 抗壓強(qiáng)度最優(yōu)，可達(dá)3.09 MPa，相比提高11.6%；當(dāng)摻量在10%～25%之間時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

呂雪原試驗(yàn)表明， 當(dāng)再生粉體摻量不超過20%時(shí)， 再生粉體對(duì)泡沫混凝土具有積極作用；低水膠比條件下，再生粉體具有明顯的活性，有利于促進(jìn)混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展； 當(dāng)膠凝材料用量提高時(shí)，則會(huì)降低再生粉體對(duì)混凝土強(qiáng)度的促進(jìn)作用。

2.3 輔助膠凝材料對(duì)泡沫混凝土導(dǎo)熱性能的影響

再生粉體取代率的增長對(duì)同密度等級(jí)泡沫混凝土導(dǎo)熱性能的影響較小， 因?yàn)樵谄渌麠l件一致的情況下，導(dǎo)熱系數(shù)與泡沫混凝土的密度相關(guān)，而泡沫混凝土自身密度受再生粉體摻量影響較小，所以對(duì)同密度的泡沫混凝土而言， 增加再生粉體的摻量對(duì)自身導(dǎo)熱性能影響有限。石司琴[13]研究了工業(yè)固廢鋼渣作為集料制備泡沫混凝土， 重點(diǎn)研究了其保溫性能。水泥漿體本身導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量的傳遞效果緩慢， 鋼渣泡沫混凝土引入的氣泡決定了其保溫性能， 并且均勻粒徑的鋼渣能夠加速內(nèi)部熱量傳播， 大粒徑的鋼渣對(duì)泡沫混凝土的保溫性能提升有利。胡馳研究發(fā)現(xiàn)，摻入工業(yè)固廢中的粉煤灰漂珠有利于提高泡沫混凝土的保溫隔熱性能， 泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨粉煤灰漂珠摻量增加而降低。

2.4 輔助膠凝材料對(duì)泡沫混凝土吸水率的影響

通過破碎研磨處理建筑固廢和工業(yè)固廢得到的再生微粉，其孔隙率比較大，會(huì)導(dǎo)致用其制備的泡沫混凝土的吸水率較大， 從而降低泡沫混凝土耐久和保溫隔熱等多項(xiàng)性能。通過研究吸水率與再生粉體摻量之間的關(guān)系， 降低泡沫混凝土的吸水率有助于提高制品的性能。

邵洪江等學(xué)者研究了利用粉煤灰、石灰、水泥生產(chǎn)泡沫混凝土的配合比并測(cè)定了不同配合比時(shí)粉煤灰泡沫混凝土吸水率等性能， 從而有助于實(shí)現(xiàn)粉煤灰的資源化利用， 降低生產(chǎn)成本。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)粉煤灰摻量在40%～60%時(shí)，隨粉煤灰和泡沫劑摻量的增加，試件吸水率顯著提高。董素芬探究了通過利用再生EPS 顆粒改善磚粉泡沫混凝土的性能，將再生EPS 顆粒加入泡沫混凝土中，含水率在EPS 摻量＞2%時(shí)大幅下降， 吸水率隨著EPS 摻量增大而增大。對(duì)比同密度不摻入EPS 顆粒的磚粉泡沫混凝土，兩者的抗碳化性能、抗凍融性能、導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)， 但摻入EPS 顆粒可以大大提高試件的抗壓強(qiáng)度，提高含水率和吸水率，提升磚粉泡沫混凝土的整體性能。

3 結(jié)語

建筑固廢和工業(yè)固廢中的再生粉體和粉煤灰具有輔助膠凝材料特性，可用于制備水泥基材料。利用建筑固廢和工業(yè)固廢取代部分水泥制備泡沫混凝土，不僅可以節(jié)約資源還能緩解溫室效應(yīng)。將再生粉體和粉煤灰作為輔助膠凝材料制備泡沫混凝土，可為固廢的資源化利用提供一條新的途徑。