碱激发花岗岩石粉泡沫混凝土性能研究

黄绍龙 ，罗宵 ，卢吉 ，黄修林 ，卞周宏 ，唐涛

（1.湖北大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062；2.武汉市市政建设集团有限公司，湖北 武汉 430023）

0 引言

花岗岩石粉是由石材开采和加工过程中产生的一种工业废弃物，长期以来，花岗岩石粉一直没有得到合理有效的利用，长时间堆放积累对生态环境带来严重的污染，对附近居民的身体健康和生活环境带来极大的威胁[1-4]。

泡沫混凝土一般使用矿物掺合料替代部分水泥制备，不仅减少废弃矿物的资源浪费，还可以降低水泥用量、节约成本。但近几年来，优质的矿物掺合料如矿渣、粉煤灰等慢慢开始紧缺，现急需寻找一种可替代它们的优质掺合料。花岗岩石粉是一种低活性的粉料，若直接作为掺合料制备泡沫混凝土，对其抗压强度很不利。通过分析水玻璃对花岗岩石粉的活性激发作用，研究泡沫密度、花岗岩石粉掺量、水玻璃掺量对泡沫混凝土平均孔径和抗压强度的影响，得到制备高强度泡沫混凝土墙板的配比。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：华新 P·O42.5水泥。

（2）花岗岩石粉：麻城石材厂提供，密度为2730 kg/m3，烧失量为0.86%，勃式比表面积390 m2/kg，主要化学成分见表1。

表1 花岗岩石粉的主要化学成分 %

（3）发泡剂：复合型发泡剂，稀释倍数60倍。

（4）减水剂：固含量30%的聚羧酸减水剂。

（5）水玻璃：模数为1.2，波美度40%。

1.2 测试方法

（1）抗压强度：参照JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》进行测试，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

（2）孔结构测试：首先将试验样品标准养护28 d后在80℃左右干燥1 d，用锯条沿着样品中心线切开，并用细砂纸抹平，用小型除尘器吸净样品中心面的粉末。然后利用光学显微镜进行观察拍照（见图1），每组试验样品取3块，每块随机拍摄5组图片。并通过软件对拍摄图片进行黑白二值化处理，见图2，其中黑色区域代表气孔，白色区域代表浆体，最后通过统计与计算得到泡沫混凝土的平均孔径[5]。

图1 孔结构照片（×200倍）

图2 孔结构二值化处理（×200倍）

（3）物相和微观形貌：采用D8 ADVANCE型X-ray衍射仪测试浆体的物相组成变化；利用JSM-7100F型扫描电镜观察浆体的微观形貌。

1.3 试验设计

为研究泡沫密度、花岗岩石粉掺量及水玻璃掺量对泡沫混凝土孔结构和抗压强度的影响，通过调节泡沫量制备湿密度为（600±25）kg/m3的泡沫混凝土，其试验配比见表2。

表2 花岗岩石粉泡沫混凝土试验配比

2 试验结果与分析

2.1 水玻璃掺量对浆体性能的影响

不同掺量水玻璃激发花岗岩石粉对浆体抗压强度的影响见图3。

图3 水玻璃掺量对浆体抗压强度的影响

由图3可见，随着水玻璃掺量的增加，花岗岩石粉浆体的3、7和28 d的抗压强度先提高后降低。当水玻璃掺量为3%时抗压强度达到最大值，28 d强度达到64 MPa。继续增加水玻璃的掺量，花岗岩石粉浆体抗压强度开始下降，当水玻璃掺量为5%时，其28 d抗压强度低于未加入水玻璃浆体的抗压强度。

不同掺量水玻璃激发花岗岩石粉水泥浆体水化3 d的XRD图谱和SEM照片分别见图4、图5。

图4 不同掺量水玻璃激发花岗岩石粉水泥浆体水化3 d的XRD图谱

图5 不同掺量水玻璃激发花岗岩石粉水泥浆体水化3 d的SEM照片

由图4可见，水化3 d时，浆体中水化铝酸钙峰值随着水玻璃掺量增加先升高后降低；Ca（OH）2的峰值随着水玻璃掺量增加先降低后升高；不同晶体类型水化硅酸钙峰随着水玻璃掺量有着不同的变化，但水化硅酸钙总量基本没什么变化。总体看来，水化产物的总量随着水玻璃掺量的增加先增多后减少。

由图5可见，水玻璃掺量为3%时，花岗岩石粉浆体形貌更加致密[6]。

2.2 泡沫密度对泡沫混凝土性能的影响（见图6、图7）

图6 泡沫密度对泡沫混凝土平均孔径的影响

由图6可见，泡沫混凝土的平均孔径随着泡沫密度升高先减小后增大。当泡沫密度为60 g/L时，泡沫混凝土平均孔径最小，为 150 μm。

图7 泡沫密度对泡沫混凝土抗压强度的影响

由图7可见，同期龄的泡沫混凝土抗压强度随着泡沫密度的增大先升高后降低，当泡沫密度为50 g/L和60 g/L时，泡沫混凝土的抗压强度非常接近。当泡沫密度为60 g/L时，泡沫混凝土的小孔比率高，平均孔径最小，这可能使其抗压强度接近于密度为50 g/L的泡沫混凝土。这说明，密度为60 g/L的泡沫在浆体环境中其稳定性能要优于密度为50 g/L的泡沫，其孔结构更加优异。但泡沫密度的增大导致泡沫混凝土自由水含量升高，连通孔的数量增加，使其抗压强度无法超过泡沫密度为50 g/L的泡沫混凝土；当泡沫密度为70 g/L时，泡沫稳定性能下降，浆体的自由水增加，导致泡沫混凝土孔结构变差和连通孔数量继续增加，导致泡沫混凝土抗压强度下降。

2.3 花岗岩石粉掺量对泡沫混凝土性能影响（见图8、图9）

由图8可见，花岗岩石粉掺量增大，泡沫混凝土平均孔径也随着增大。这可能是由于随着花岗岩石粉掺量的增加，浆体流动性能增大，使泡沫混凝土中的气泡容易合并产生大气泡。

图8 花岗岩石粉掺量对泡沫混凝土孔径分布的影响

图9 花岗岩石粉掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响

由图9可见，掺量为30%的碱激发花岗岩石粉泡沫混凝土的抗压强度较不加碱激发剂的纯水泥泡沫混凝土稍有降低。随着花岗岩石粉掺量的增加，碱激发泡沫混凝土的抗压强度呈下降的趋势。花岗岩石粉掺量对泡沫混凝土抗压强度产生的影响，主要是由于其碱激发花岗岩石粉浆体的流动性得到提高，粘度下降，浆体的的自由水增多，导致浆体初凝时连通孔增多，从而导致泡沫混凝土抗压强度降低。

2.4 水玻璃掺量对泡沫混凝土性能的影响（见图 10、图 11）

图10 水玻璃掺量对泡沫混凝土平均孔径的影响

图11 水玻璃掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响

由图10可见，泡沫混凝土的平均孔径随着水玻璃的掺量增加而增大。这说明，水玻璃掺量的增加对泡沫混凝土的孔结构是不利的，增大了大孔径的数量和平均孔径。水玻璃激发泡沫混凝土孔结构变化的主要原因是水玻璃掺量提高了浆体的pH值，对泡沫稳定性能造成破坏，由小孔径合并大孔径的速度加快，导致大孔径数量和平均孔径增大[7-8]。

由图11可见，水玻璃掺量增加，泡沫混凝土的抗压强度先升高后降低，水玻璃掺量为2.5%时泡沫混凝土抗压强度最高，28 d抗压强度为3.9 MPa。水玻璃一方面能够激发花岗岩石粉的活性，提高泡沫混凝土浆体的抗压强度，另一方面水玻璃对泡沫混凝土的孔结构具有不利的影响，降低孔的均匀性和大小，降低了泡沫混凝土的抗压强度。在二者共同作用下，水玻璃掺量为2.5%时，泡沫混凝土的抗压强度最高。

3 结论

（1）模数为1.2的水玻璃对花岗岩石粉活性有激发作用。花岗岩石粉浆体的抗压强度随水玻璃掺量增加先升高后降低，当水玻璃掺量为3%时，浆体的28d抗压强度达最大值64MPa。

（2）随着泡沫密度增大，泡沫混凝土的平均孔径先减小后增大，其抗压强度先提高后降低。当泡沫密度为50～60 g/L时，花岗岩石粉泡沫混凝土的平均孔径较小、抗压强度较高。

（3）随着花岗岩石粉掺量增大，泡沫混凝土的平均孔径增大，抗压强度降低。当花岗岩石粉掺量为30%时，其抗压强度较纯水泥泡沫混凝土强度降幅较小。

（4）随模数为1.2的水玻璃掺量增加，花岗岩石粉泡沫混凝土平均孔径逐渐增大。当水玻璃掺量为2.5%时，泡沫混凝土的抗压强度最高，28 d抗压强度达到3.9 MPa。

[1] 英丕杰，刘福胜.花岗岩石粉水工混凝土工作性能试验研[J].人民黄河，2014（2）：36-2.

[2] 全江伟.花岗岩矿石废料混凝土砌块受力性能研究[D].郑州：郑州大学，2011.

[3] 齐秀山.花岗岩石粉资源化利用试验研究[D].青岛：青岛理工大学，2014.

[4] 戴鹏.花岗岩石粉复合矿物掺合料对水泥胶砂性能的影响[J].粉煤灰，2016（5）：29-34.

[5] 关凌岳.泡沫混凝土孔结构表征与调控方法及其性能研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.

[6] 李相国.改性花岗岩石粉对水泥的性能影响[J].混凝土，2013（8）：87-90.

[7] 石川.泡沫混凝土及复合墙板的研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[8] 郭凯.碱激发多孔水泥基墙体保温材料的研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.