近日，我院刘运林教授团队在权威期刊《Construction and Building Materials》（中科院一区TOP期刊，2023年影响因子7.9）发表题为“Foaming processes and properties of geopolymer foam concrete: Effect of the activator”的论文。安徽省装配式建筑研究院为论文的第一完成单位。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.131830

题目

Foaming processes and properties of geopolymer foam concrete: Effect of the activator

地聚物泡沫混凝土的发泡过程和性能：活化剂的影响

出版年份：2023年

来源：Construction and Building Materials

作者：Yun-Lin Liu , Chang Liu , Lan-Ping Qian , Ai-Guo Wang , Dao-Sheng Sun , Dong Guo*

作者单位：安徽省装配式建筑研究院、港澳宝奥苹果手机

摘要

团队采用化学发泡法成功制备了一种常温固化地聚物泡沫混凝土（GFC）。以粉煤和矿渣作为基体，融合了水玻璃和NaOH混合液作为碱性激发剂，铝粉作为发泡剂。探究碱性活化剂的不同性质，包括 Na₂O 含量（从4% 到7%）和模量比（从 1.1 到1.5），并对结果特性进行了比较，以研究它们的影响。得出团队所制备的地聚物泡沫混凝土密度、抗压强度和导热系数范围为280.8 ~ 865.8 kg/m3、1.10 ~ 8.13 MPa 和 0.088 ~ 0.20 W/(m ×K) 之间。此外，团队还专注于探索发泡过程中GFC的细微特性变化，其中包括气体的生成速率和混凝土的流变性质。这些因素共同作用，最终决定了GFC的孔隙特征，如孔隙率、孔径分布和孔隙形状，进一步影响了其宏观性能，包括密度、抗压强度和导热能力。我们的实验结果揭示了一个有趣的现象：在较高温度下，混合浆料的气体生成速率加快，浆料粘度降低，而在较低温度下，则展现出相反的趋势。同时，当Na₂O含量增加，模数比降低时，我们观察到了气体产生率的提高和粘度的下降，这导致了孔隙率的增加、抗压强度的降低以及热导率的减少。

发泡过程中单个孔隙的受力分析

研究背景

孔隙特征由浇注/发泡阶段孔隙与地聚物浆料的相互作用决定。在浇注/发泡阶段，孔隙与地聚物物浆受力情况。物理发泡产生的气泡受到浮力、粘滞阻力和重力（即排水力）。而重力和浮力的差异导致气泡的垂直运动和气泡大小的不均匀分布。气泡大小沿高度分布不均匀。在极端情况下，由于小气泡的凝聚，气泡的体积和浮力会大幅增加，然后较大的气泡会漂浮到表面并破裂，从地聚物泡沫混凝土中大量逸出的气体可能会导致塌膜。因此，在物理发泡混凝土中，孔隙的凝聚对体系稳定起到负面作用。相比之下，人们对化学发泡混凝土发泡过程中孔隙与浆体之间的相互作用关注不多。综合来看，现有研究大多涉及地聚物泡沫混凝土的制备技术和成分设计，目的是优化其宏观性能。虽然已知孔隙的大小和形状对混凝土性能有很大影响，但是在制备过程中，气体和粘合剂如何相互作用，进而影响这些孔隙的细节，这方面的研究还不够。这种相互作用对确定混凝土的最终质量和性能至关重要。

制备过程

试件横截面图像

Na₂O 含量对 GFC 孔隙特征的影响：a) 孔径分布；b) 孔隙率、平均孔径和圆度。

主要结论

(1)成功制备了干密度为280.8kg/m³ ~ 865.8kg/m³和28d强度为1.10MPa ~ 8.13MPa的地聚物泡沫混凝土。

(2)GFC的导热率和抗压强度与其孔隙率和平均孔径密切相关。随着孔隙率和平均孔径从 61.7% 和 327.8 μm 增加到 68.51% 和 1105.6 μm，导热系数和抗压强度从 0.20 W/(m × K) 和 8.13 MPa 下降到 0.09 W/(m × K) 和 1.1 MPa。

(3) 孔隙特征由 Al 粉末的气体产生率和发泡过程中地聚物浆料的流变特性决定。较低的粘度和较高的气体生成率有助于获得较高的孔隙率和较大的平均孔径。

(4) 活性剂对 GFC 强度的影响主要取决于孔隙特征的改变，而不是地聚物基体强度的改变。

(5) 较高的 Na₂O 含量和较低的模量比会导致较低的导热系数和较低的抗压强度。这可追溯到较高的气体形成率和较低的地聚物粘度。