碱活化与发泡处理对铜渣基可持续蜂窝混凝土块化学性质、微观结构及力学性能的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Effect of Alkali Activation and Foaming on the Chemistry, Microstructure, and Mechanical Properties of Copper Slag–Based Sustainable Cellular Concrete Blocks

铜渣碱激发泡沫混凝土块制备及性能研究。采用机械发泡法制备含铜渣（CS）和矿渣粉（GGBFS）的泡沫混凝土块，考察泡沫体积（40%-60%）及硅酸模数（6%）对性能的影响。结果表明：100% CS体系泡沫体积40%时抗压强度达4.75MPa，密度1100-1300kg/m3；掺入GGBFS可优化密度并提升力学性能；热导率0.27-0.33W/mK。XRD和FTIR证实碱激发反应生成C-S-H凝胶，4D X射线验证泡沫结构分布均匀。为工业固废资源化提供新途径。

　　

Dhiraj Surendra Mahajan | Salman Muhammad

印度孟买印度理工学院土木工程系，邮编400076

摘要

蜂窝混凝土块是目前最受欢迎和需求最大的砌块材料之一。传统的蜂窝块是基于OPC-石灰粘合剂的，通过化学发泡或机械发泡工艺生产。利用工业废渣进行碱活化可以提供一种可持续的替代方案。本研究探讨了使用碱活化的铜渣（CS，非铁金属渣）生产蜂窝混凝土块的可行性。这些块材采用机械发泡技术制备（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。通过添加粒化高炉矿渣粉（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）和约850 kg/m3（60%铜渣）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，孔径范围在15至200 μm之间，与光学显微镜分析得到的孔隙结构一致。碱活化的铜渣基蜂窝混凝土块通过回收废渣为可持续建筑应用提供了环保解决方案。

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，可能会通过三种机制发生塌陷：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]。对于特定的表面活性剂，添加纳米二氧化硅（nano-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渣作为水泥替代品的碱活化粘合剂[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然可以降低整体环境影响[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。由于常用的前驱体如粒化高炉矿渣粉（GGBFS）和粉煤灰的广泛使用，寻找替代前驱体材料及其在特定应用中的潜力变得尤为重要[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，随着活化溶液中初始硅含量的增加，碱活化材料的抗压强度呈线性提高[13],[14]。然而，存在一个最佳的SiO?/Na?O比例，这受到前驱体材料化学成分和矿物学特性的影响。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的数量和密度，或微调与粘合剂浆料的混合工艺[15],[16]。然而，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异[9]。结合不同前驱体制备泡沫块也可能带来潜在的新产品。目前关于碱活化泡沫混凝土的研究有限，特别是使用铜渣作为前驱体的研究较少，这突显了有必要探讨通过碱活化材料（特别是铜渣）生产泡沫混凝土的可行性，以研究活化剂剂量和泡沫含量对物理、机械和微观结构性能的影响。

本研究利用机械发泡技术，研究了用碱溶液活化的铜渣（CS）制备蜂窝混凝土块的过程。添加了粒化高炉矿渣粉（GGBFS）和黄原胶（XG）以提高反应性和泡沫稳定性。对制备的块材进行了物理、机械和热性能以及微观结构特性的评估。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块的铜渣（CS）来自印度古吉拉特邦Dahej的一个铜冶炼厂。获得的原始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。粒化高炉矿渣粉（GGBFS）来自印度孟买附近的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）和粒化高炉矿渣粉（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、其他硅酸盐水泥（SCMs）、粉煤灰和GGBFS。较高的比重是由于其中含有大量的FeO[40]。铜渣的布莱恩细度（Blaine fineness）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。

结论与未来研究方向

用XG稳定的SLS生成的泡沫与所有碱活化混合物兼容，密度变化范围为4–14%。通过光学显微镜和4D X射线显微镜观察到的孔隙率及添加的泡沫含量证实了泡沫的稳定性。硅灰模量的增加促进了反应动力学，这一点通过热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）得到了验证。 抗压强度和干密度受泡沫体积的显著影响。当铜渣含量为100%且发泡体积为40%时，块材的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——审稿与编辑、可视化处理、数据验证、项目监督、资源协调、方法论设计、资金筹集、概念构思。 Dhiraj Surendra Mahajan：撰写——初稿撰写、可视化处理、数据验证、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财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。