发泡地聚物的制备及性能研究

何成寿

（厦门市建筑废土站， 福建 厦门 361004）

地聚物是以铝硅酸盐或工业废弃物为原料，以硅酸钠和氢氧化钠为激发剂制备而成的一种硅氧四面体[SiO4]4-和铝氧四面体[AlO4]2-结构单元构成三维立体网状结构的无机胶凝材料[1-2]。与硅酸盐水泥相比，其有着原料易得、工艺简单、能耗低、早强快硬、耐腐蚀、耐高温等优点。因此，地聚物在耐热保温材料、核废料处理、重金属离子固定等领域应用十分广泛[3-4]。本文以矿渣-粉煤灰地聚物为基础，以双氧水为发泡剂，研究发泡剂不同掺量下地聚物的性能。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 粉煤灰

选用福建同益公司粉煤灰，其化学组成如表1 所示。

表1 化学组成（%）

1.1.2 矿渣

选用自天津北辰某工厂，其主要化学组成如表2所示。

表2 主要氧化物含量（%）

1.1.3 碱性激发剂

氢氧化钠采用大茂公司分析纯化学试剂，白色颗粒固体。液体硅酸钠采用优索化工公司分析纯化学试剂，呈黏稠状，模数为3.3。本试验Na2O/SiO2之比采用水玻璃进行调节，水玻璃溶液模数为1.6。

1.1.4 发泡剂

选用质量浓度为30%的双氧水为发泡剂。

1.2 配合比设计

配合比设计采用正交试验的方法进行，如表3 所示。

表3 试验配合比

1.3 试验方法

粉煤灰、矿渣在搅拌锅中混合均匀，倒入碱激发剂溶液，快速搅拌2min，加入发泡剂快速搅拌30s 后，将浆料倒入模具中（50mm×30mm×30mm 长方体试块），置室温发泡24h 后，抹平试块表面、脱模置60℃干燥箱中养护。

2 结果与讨论

2.1 发泡剂掺量对地聚物干密度的影响

图1 发泡剂掺量对地聚物干密度的影响

由图1 可知，随着发泡剂掺量的增加地聚物的干密度逐渐减少。当发泡剂掺量从3.0%增加到5.0%时，地聚物的干密度下降了13.8%，减小为0.6291g/cm3。随着发泡剂掺量的增多，气体产生量也随之增加，气体逸出留下的气孔就会越多，进而形成轻质多孔的地聚物。

2.2 发泡剂掺量对地聚物抗压强度的影响

试验研究了地聚物在龄期1d、3d 和7d 的抗压强度，结果如图2 所示。

图2 发泡剂掺量对地聚物抗压强度的影响

由图2 可知，当龄期一定时，发泡地聚物的抗压强度随着发泡剂掺量的增多逐渐减小；当发泡剂掺量一定时，随着养护时间的增加发泡地聚物的抗压强度呈先增大后减小的趋势：

（1）当龄期为1d 时，发泡地聚物的抗压强度从3.71MPa 下降到了3.08MPa，下降了17%；当龄期为3d时，抗压强度从4.04MPa下降到了3.13MPa，下降了22.5%；当龄期为7d 时，抗压强度从3.52MPa 下降到了2.81MPa，下降了20.2%。发泡剂掺量越多，其分解产生气体就越多，留下的气孔也就越多，在限定的体积空间内，将使得孔壁越薄，导致抗压强度越小。

（2）当发泡剂掺量一定时，龄期3d 的发泡地聚物抗压强度大于龄期1d 的，由于硅铝酸盐聚合反应时，非晶相在强碱作用下，形成富硅、富铝低聚体，并进一步发生缩聚反应形成致密的网状结构，故抗压强度有所增加；但随着养护时间的延长，抗压强度开始减小，因为长期干燥下，结晶体会失去结晶水，在材料内部形成不稳定结构，强度开始下降。因此，养护时间以3d 为宜。

2.3 发泡剂掺量对地聚物孔隙率的影响

图3发泡剂掺量对地聚物孔隙率的影响

从图3 可知，随着发泡剂掺量的增加，孔隙率逐渐增大。发泡剂掺量从3.0%增加到5.0%时，孔隙率从63.2%增长到84.1%。由于发泡剂掺量在碱性环境下分解成氧气，并固化在浆体中，增加试块的孔隙率，掺量从3.0%增加到3.5%尤为明显，孔隙率增加了20.6%，但随着掺量持续增加，孔隙率增速放缓。

2.4 发泡地聚物的抗压强度与孔结构的关系

常用于描述多孔材料抗压强度与孔隙率关系的主要有以下3 个经验公式[5]:

式中：fc为多孔材料的抗压强度；fc,0为材料假设的孔隙率为零时的抗压强度；P 为孔隙率；P0为假设强度降低为零时的孔隙率；n、kS、kH为经验系数。

图4 3d抗压强度与孔隙率的拟合结果

图4 为发泡地聚物龄期为3d 时抗压强度与孔隙率之间用上述3 个经验公式拟合的结果，三种拟合相关系数R2均大于0.9，即这三种模型拟合抗压强度与孔隙率具有较高的相关性，其中多项式拟合结果最优， R2达到了0.99。

3 结论

1.随着发泡剂掺量的增加，发泡地聚物的干密度呈逐渐减少的趋势，而孔隙率逐渐增大。当发泡剂的掺量从3.0%增加到5.0%时，孔隙率从63.2%增长到84.1%，但随着掺量持续增加，孔隙率增速放缓。

2.龄期一定时，发泡地聚物的抗压强度随着发泡剂掺量的增多逐渐减小。发泡剂掺量一定时，随着养护时间的增加发泡地聚物的抗压强度呈先增大后减小的趋势。

3.通过拟合发现，抗压强度和孔隙率满足多项式拟合关系，公式为y=-0.00162x2+0.19342x-1.7049，相关系数R2=0.99。