碱激发再生微粉泡沫混凝土综述

虞 犇王 露朱 优杨荣臻

（1.江苏华泰路桥建设集团有限公司，江苏 扬州 225002；2.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

随着城镇化建设的加速发展，中国年均将产生约15亿t建筑废弃物，目前中国建筑废弃物资源化利用率不到10%，而欧美国家的建筑废弃物资源化利用率已达75%。为高效处置这些建筑废弃物，推动社会经济的可持续发展，建筑垃圾加工生产新骨料已逐渐成为建筑固体废弃物资源化利用的主要方法之一[1]。近年来国家对建筑垃圾的处置和利用予以财政、政策和技术上的支持，相关部门相继颁布了《再生骨料应用技术规程》（JGJ/T 240-2011）、《道路用建筑垃圾再生骨料无机混合料》（JC/T 2281-2014）和《建筑垃圾再生骨料实心砖》（JG/T 505-2016）等技术规程，逐渐做到了有序消纳、合理使用、规范管理，并获得了较明显的效果。不过，在制造再生骨料的过程中，经过粉碎、筛分后会形成大量的建筑垃圾微粉，而这种粉状物材料按照要求进行粉磨至相应的细度后，可以作为再生微粉使用。尽管《混凝土和砂浆用再生微粉》（JG/T 573-2020）明确了再生微粉在水泥基材料中应用时细度、需水量比、MB值、活性指数等性能指标，但是由于其活性低、吸水率大、细度不均匀、成分较为复杂，除少量用于路基路面处理外，再生微粉仍未得到有效利用[2-5]。

现有研究表明，使用硅酸钠、氢氧化钠等碱性激发剂激发粉煤灰和矿粉可以制备出干密度600～1800kg/m3、导热系数0.47～1.65W/(m·K)、28d抗压强度在1.3～14.5MPa的碱激发矿粉/粉煤灰泡沫混凝土，基本符合《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）中关于A06以上的等级要求。而且，新拌浆体具有更大的黏度，能更好地将气泡与浆体结合，形成大量气密均匀的孔隙，使泡沫混凝土具有更好的保温性能。因此，利用建筑垃圾破碎过程中产生的再生微粉替代粉煤灰或矿粉，制备出碱激发胶凝材料，作为碱激发泡沫混凝土的主要原材料，可以制备出节能、环保、轻质、保温、隔热等性能优良的泡沫混凝土，是绿色胶凝材料发展的一个新方向。

1 碱激发再生微粉影响因素

通过碱性激发剂对再生微粉进行增溶活化，可以提高再生微粉中大量SiO2和Al2O3的潜在活性，水泥基材料的系统组成也可以通过粉末复合进行优化，最大限度地发挥再生微粉的潜在活性[6-8]。碱性激发剂Na2SO4、NaOH、Ca（OH）2和NaHCO3对再生微粉有一定的活性激发作用，且各自最佳激发剂量分别为3%、3%、2.5%、2.5%。矿物掺合料（粉煤灰和矿粉）可以改善再生微粉料浆的工作性，矿渣粉对再生微粉胶凝材料料浆的强度有显著影响。

1.1 激发剂

研究表明再生微粉的活性较低，当激发剂掺量＞25%时，随着其掺量的增加，砂浆抗压强度显著降低；不同种类的激发剂对再生微粉激发效果不同，Na2CO3激发效果最好，CaSO4次之，三乙醇胺最差，三乙醇胺能较好地增加砂浆3d抗压强度；复合激发剂（Na2CO3+CaSO4）对于激发再生微粉活性有显著的作用，当Na2CO3、CaSO4复合比例为3∶1，掺量为5%时激发效果最佳，当再生微粉掺量小于50%时，砂浆28d抗压强度能够达到32MPa。

用最佳剂量碱激发处理过的再生微粉作为掺合料以10%～30%的比例取代水泥，与未激发再生微粉的水泥胶砂强度的对比可知，Na2SO4作为碱激发剂时再生微粉掺量在10%以内强度比未激发再生微粉的强度增加1%，Ca（OH）2作为碱激发剂时的再生微粉掺量在15%以内强度比未激发再生微粉的强度高，强度增长率达6%。表明通过掺入Ca（OH）2和Na2SO4碱性激发剂能够有效激发再生微粉的活性，提升其利用价值，是一种直接且有效的手段。可以发现合适的激发剂和掺量可以大大提高再生微粉活性，使再生微粉胶凝材料的强度显著提高。

1.2 养护制度

温度对化学反应的速率有一定的影响，当反应温度越高时，反应的速率就越快，对于再生微粉反应来说也是如此，再生微粉胶凝材料性能的影响因素除了原材料的组成、激发剂的种类和掺量外，养护制度也是影响其性能的重要因素。目前，国内外学者开始广泛研究制备再生微粉胶凝材料，由反应动力学方程可知，反应活化能随着温度的升高而降低，提高温度能有效地促进反应的进行，对缩聚反应有较大的影响，不同的养护时间和温度对于其力学性能有一定的影响，通过适当延长养护时间和提高温度可以提高再生微粉胶凝材料的早期强度[9、10]。

研究发现蒸汽养护对再生微粉胶凝材料的性能及微观结构有很大的影响。一般情况下，反应温度升高，可使再生微粉胶凝材料的水化速率显著提升，对再生微粉胶凝材料的强度提高有非常有利的作用。而且再生微粉的活性受养护温度影响很大，在20℃下激发再生微粉活性发挥最好，生成胶凝性物质多，其砂浆体系孔隙率最低，强度最高。养护温度在40℃、60℃、80℃下，生成胶凝性物质速度太快，胶凝性物质胶结再生微粉砂浆不均匀，砂浆内部孔隙率升高，抗压强度降低。激发再生微粉制品的适宜养护温度为20℃。养护温度对于再生微粉活性影响很大，因此，研究合适的养护制度对于提高再生微粉胶凝材料的性能及节能减排具有重要的意义。

2 碱激发泡沫混凝土研究现状

2.1 国内研究概况

湖南科技大学、中山大学、广州大学等研究机构利用粉煤灰、矿粉等固体废弃物制备了碱激发泡沫混凝土，现有固废基泡沫混凝土主要包括：（1）碱激发再生红砖粉泡沫混凝土；（2）碱激发粉煤灰泡沫混凝土；（3）碱激发矿渣粉泡沫混凝土；（4）碱激发偏高岭土泡沫混凝土等[11-14]，如表1所示。

表1 固废基泡沫混凝土性能

2.1.1 碱激发再生红砖粉泡沫混凝土

国内学者将石灰、二水石膏等激发剂作为活化材料，制备再生红砖粉制备泡沫混凝土，掺25%CaO的泡沫混凝土能显著降低泡沫混凝土的表观密度，增加孔隙率，提高抗压强度。掺加20%的二水石膏可以稳定泡沫混凝土的抗压强度和干表观密度。当添加NaOH时，会导致泡沫混凝土快速凝结。

2.1.2 碱激发粉煤灰泡沫混凝土

以粉煤灰为原料，在常温下通过物理发泡法可以制备得到干表观密度在850～950kg/m3的低钙粉煤灰基碱激发泡沫混凝土，并测得其28d抗压强度在4～9MPa。已有学者研究了碱激发剂和用水量、温度、表面活性剂等对材料的影响，结果表明，表面活性剂对碱激发粉煤灰泡沫混凝土的影响最大。

2.1.3 碱激发矿渣粉泡沫混凝土

以矿渣为主要原料，在60℃高温下养护6h，可制备 干 表 观 密 度600～650kg/m3、28d龄 期 抗 压 强 度＞3.5MPa的碱激发泡沫混凝土。以矿渣为原料，不掺水泥，制备碱激发泡沫混凝土。当密度为600kg/m3时，28d抗压强度可达6.5MPa，导热系数为0.178W/（m·K），收缩值为0.87mm/m。

2.1.4 碱激发偏高岭土泡沫混凝土

当使用铝粉作为发泡剂时，当密度＜1200kg/m3时，碱激发偏高岭土泡沫混凝土的28d抗压强度保持在1.3～14.5MPa。与传统硅酸盐水泥相比，碱激发偏高岭土制备的泡沫混凝土具有强度高的优点。

2.2 国外研究概况

碱激发泡沫混凝土是一个相对较新的领域。国外对碱激发泡沫混凝土的研究相对较少。从2010年开始，来自美国、墨西哥、马来西亚和意大利的学者[15-18]用混合矿渣（矿渣粉煤灰）和铝粉原位发泡制备了泡沫混凝土。干密度为534～1030kg/m3，强度为1.8～5.1MPa。认为决定泡沫混凝土强度的最重要因素是密度。发现十二烷基硫酸钠（SLS）发泡剂具有良好的发泡效果。与普通硅酸盐水泥泡沫混凝土相比，碱激发泡沫混凝土具有更好的保温性能。矿渣的加入可以提高混凝土的抗压强度，硬化后的混凝土具有优良的力学性能、导热性和稳定性。此外，密度和抗压强度之间的关系可以通过图像处理技术确定。宏观孔径分布对泡沫混凝土的完整性和流动性起着重要作用，充分利用固体废弃物具有良好的环保性能。

3 结束语

碱激发泡沫混凝土作为城市改造中拆旧时处置建筑垃圾微粉的新兴技术手段，与传统的挖掘、破除、清运、回填等方法相比，具有工作量小、操作简便、附加值较高等优势。因此使用建筑垃圾微粉碎生产发泡混凝土，不失为一种经济、高效和科学的好方法。不过，目前已有大量科学研究与工程应用证实，在节能领域发泡水泥制品的最大干密度一般在300～800kg/m3左右，而28d抗压强度一般在0.5～3MPa左右。在碱激发泡沫混凝土的生产中，抗压能力和干密度之间的问题十分明显，已成为约束可再生微粉生产泡沫混凝土的主要问题之一。因此，解决碱激发再生微粉泡沫混凝土强度与干密度之间矛盾，是实现碱激发再生微粉泡沫混凝土广泛应用的重要途径。激发再生微粉制品的适宜养护温度为20℃，合适的激发剂和掺量可以大大提高再生微粉活性，使再生微粉胶凝材料的强度显著提高，养护温度对于再生微粉活性影响很大。