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泡沫混凝土砌块制备中铜渣碱激发技术及性能研究。采用机械发泡结合SLS发泡剂和XG稳定剂，研究不同泡沫体积（40%-60%）及硅模数对碱激发铜渣-GGBFS体系 cellular concrete的力学性能（3-4.75MPa）、密度（850-1300kg/m3）及热传导性（0.27-0.33W/mK）的影响，证实铜渣碱激发技术可制备高强低热导绿色建材。
Dhiraj Surendra Mahajan | Salman Muhammad
印度理工学院孟买分校土木工程系，孟买 400076，印度
摘要
蜂窝混凝土砌块是最受欢迎和需求最大的砌块材料之一。传统的蜂窝砌块是基于OPC-石灰粘合剂的，通过化学发泡或机械发泡工艺生产。工业废料的碱活化可以提供一种可持续的替代粘合剂方案。本研究探讨了利用碱活化的铜渣（CS，非铁金属渣）生产蜂窝混凝土砌块的可行性。这些砌块采用机械发泡法制备（使用月桂基硫酸钠（SLS）作为发泡剂），碱浓度为6%，硅灰模量不同，发泡体积分别为40%、50%和60%。黄原胶（XG）被用作泡沫稳定剂。28天固化后的泡沫样品的X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）数据表明，前驱体发生了溶解，并形成了反应产物。当泡沫块中铜渣含量为100%且密度为1100-1300 kg/m3时，其最大抗压强度达到了约3 MPa至约4.75 MPa。通过添加高炉矿渣粉（GGBFS）可以调整泡沫块的密度。GGBFS的添加提高了强度，并改善了密度、吸水率和干燥收缩性能。在泡沫块密度分别为约1050 kg/m3（50%铜渣含量）和约850 kg/m3（60%铜渣含量）的情况下，其热导率分别为0.33 W/mK和0.27 W/mK。4D X射线图像显示，孔隙分布均匀，几乎呈球形，尺寸在15至200 μm之间，与光学显微镜分析结果一致。碱活化的铜渣基蜂窝砌块通过回收利用工业废料，为可持续建筑应用提供了一种环保解决方案。
引言
泡沫块中的孔隙是通过两种方法之一机械形成的：预发泡或混合发泡[1]。与化学发泡相比，机械发泡能够更好地控制泡沫混凝土的性能，从而产生更细小、更稳定的气泡[2][3]。直接发泡方法的主要问题是气泡的稳定性，因为湿泡沫在热力学上不稳定，可能通过三种机制发生坍塌：排水、奥斯特瓦尔德熟化（粗化或不成比例反应）和聚结[4]。基础混合物的一致性受原材料和水灰比的影响，也会影响泡沫混凝土的稳定性[5]。胶体颗粒通过吸附气泡并降低界面能来帮助稳定泡沫[6]。对于给定的表面活性剂，添加纳米颗粒（纳米SiO?）和增稠剂可以提高泡沫的稳定性，从而获得稳定的泡沫混凝土[7][8]。
泡沫混凝土在建筑领域越来越受欢迎，但通常需要大量的波特兰水泥。最近，人们研究了利用粉煤灰和矿渣等工业废料制成的碱活化粘合剂，作为水泥的可持续替代品[9][10][11]。尽管碱活化剂（尤其是硅酸钠）会带来环境和经济负担，但先前的研究表明，当硅酸钠含量得到优化时，含有大量工业副产品的碱活化系统仍能比基于波特兰水泥的材料产生更低的整体环境影响[10]。硅酸钠的环境影响和成本也与其生产方法和能源强度密切相关。由于常用前驱材料如高炉矿渣粉和粉煤灰的广泛使用，迫切需要寻找替代前驱材料，并深入理解它们在特定应用中的潜力[12]。
铜渣（CS）是非铁金属生产过程中的副产品，通常通过填埋处理。研究表明，从富含铁的废料中制备的碱活化材料随着活化溶液中初始硅含量的增加，其抗压强度会显著提高[13][14]。然而，存在一个最佳的SiO?/Na?O比例，这一比例部分取决于前驱材料的化学组成和矿物学特性。调节机械发泡产生的无机泡沫性能的一种常用方法是调整预发泡体的数量和密度，或微调与粘合剂浆料的混合工艺[15][16]。不过，无机泡沫的最终性能可能因粘合剂材料的具体反应机制而有所不同[9]。结合不同的前驱材料来制备泡沫块也可能产生潜在的新产品。目前关于碱活化泡沫混凝土的研究较少，特别是使用铜渣作为前驱材料的研究，这突显了通过碱活化材料（特别是铜渣）来研究活化剂剂量和泡沫含量对物理、机械和微观结构性能影响的必要性。
本研究利用机械发泡技术，研究了用碱溶液活化的铜渣（CS）制备蜂窝混凝土砌块的过程。分别添加了高炉矿渣粉（GGBFS）和黄原胶以提高反应性和泡沫稳定性。对这些砌块的物理、机械和热性能以及微观结构特性进行了评估。研究结果表明，碱活化的铜渣-GGBFS体系可作为高性能蜂窝混凝土应用的可持续替代方案。
材料与方法
用于制备碱活化泡沫混凝土砌块的前驱材料是从印度古吉拉特邦Dahej的一家铜冶炼厂获得的铜渣（CS）。原始的颗粒状铜渣在实验室规模的球磨机中研磨至粒度约为5000 cm2/g。高炉矿渣粉（GGBFS）购自位于印度孟买附近的JSW钢铁厂。氢氧化钠（SH）颗粒和硅酸钠（SS）溶液分别从Loba Chemie Pvt. Ltd和Merck Life Science Pvt. Ltd购买。
物理表征
2显示了铜渣（CS）和高炉矿渣粉（GGBFS）的比重和比表面积。铜渣的比重为4.08，高于通常用于砂浆和混凝土中的OPC、粉煤灰和其他硅酸盐材料。较高的比重是由于其中含有大量的FeO[40]。铜渣的Blaine细度约为5200 cm2/g，高于GGBFS的约3800 cm2/g。为了提高细度，铜渣被进一步研磨。
结论与未来展望
用黄原胶稳定的SLS生成的泡沫与所有碱活化混合物均相容，密度变化范围为4–14%。通过光学显微镜和4D X射线显微镜观察，确认了泡沫的稳定性和添加的泡沫含量。硅灰模量的增加促进了反应动力学，这一点通过TGA、XRD和FTIR得到了证实。
抗压强度和干密度受泡沫体积的显著影响。在铜渣含量为100%、发泡体积为40%的情况下，砌块的最大抗压强度分别达到了约4.70 MPa和约3.10 MPa。
作者贡献声明
Salman Muhammad：撰写——初稿撰写、审稿与编辑、可视化处理、验证、监督、资源协调、方法论设计、资金筹集、概念构思。
Dhiraj Surendra Mahajan：撰写——原始草稿撰写、可视化处理、验证、软件应用、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
