粉煤灰地质聚合物轻质发泡材料的制备与性能研究_许泽胜
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配比见表 2。将 NaOH 溶解在水中，然后将 NaOH 溶液与水玻 璃混合，搅拌均匀，冷却至室温，成为液体激发剂。将表面活性 剂与激发剂混合均匀。混料时先将粉煤灰与发泡剂混合均匀， 然后加入激发剂，搅拌均匀。将原料混合均匀成浆体，将浆体 倒入模具中，用塑料自封袋密封，放入养护箱中养护，控制养
·80· 新型建筑材料 2009．12
水泥发泡材料的研究与应用已经有相当长的时间，地质 聚合物材料与普通水泥相类似，是一种很好的胶凝材料。与 普通水泥相比，地质聚合物的耐高温性和抗压强度更高，导热
收稿日期：2009-05-31，修改日期：2009-10-26 作者简介：许泽胜，男，1964 年生，湖北武汉人，博士，副教授，主要从事 矿物材料研究。
许泽胜，等：粉煤灰地质聚合物轻质发泡材料的制备与性能研究
护温度为 40～80 ℃，24 h 后脱模，在空气中自然干燥 7 d 后， 得到地质聚合物轻质材料。将样品切割成规则形状，用万能 实验机（WE-10B，中国长春实验仪器厂）测试抗压强度。用千 分尺测量样品的体积，用电子天平称量样品质量，求出表观
（1.School of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology Beijing，Beijing 100083，China； 2.Hami Coal Industry Authority，Hami 839000，Xinjiang，China）
从热力学角度看，发泡剂产生许多气泡使体系表面积增 大，而导致体系自由能增加，体系趋于不稳定，所以小气泡会 合并成大气泡以减少表面能，当浆体凝固后，样品中的气孔就 大小不均，而且有较多的大气孔，使样品的性质不均匀。加入 表面活性剂可以降低体系的表面能而使体系趋于稳定，同时 气泡表面也更有弹性，难以破裂，所以凝固后样品中的气孔分 布更均匀，很少有大气孔出现。
样品 A3 经北京建材院质检站检测，其常温下的导热系数
为 0.08987 W（/ m·K），与水泥膨胀蛭石和珍珠岩制品相比，样
品的抗压强度、导热系数和密度都表现出优良性能（见表 5）。
表 5 无机保温材料性能比较
项目
密度 抗压强度 使用温度 常温导热系数
（/ g/cm3） /Mቤተ መጻሕፍቲ ባይዱa
/℃
/[W（/ m·K）]
A3 样品
0.76
2.57
800
0.08987
水泥珍珠岩制品 0.3～0.4 0.5～1.0 ≤600 0.058～0.087
优等品 水泥膨胀
一等品 蛭石制品
合格品
≤0.35 ≤0.48 ≤0.55
≥0.4 ≥0.4 ≥0.4
≤0.090 ≤0.112 ≤0.142
3结语
采用发泡剂，辅以非离子、阳离子或阴离子型表面活性剂 为稳泡剂，制备的粉煤灰地质聚合物泡沫材料，在养护温度 80 ℃时，性能较优，抗压强度较高，密度较低；加入表面活性 进行稳泡，孔径尺寸下降，尤其是阴离子表面活性剂使孔径由 4～10 mm 降到 2 mm 以下，抗压强度大幅度上升，最高增幅为 195%，密度的升幅则相对较小，最高增幅为 36%。同时在本试 验范围，增加用水量，抗压强度下降，而密度变化则不大；增加 发泡剂用量，抗压强度下降而密度上升。该高强度多孔保温材 料导热系数小于 0.09 W（/ m·K），最高使用温度达 800 ℃。
0前言
建筑能耗约占总能耗的 11%~25%[1]，随着我国提出的建 设资源节约型社会的要求和国家节能降耗政策的相继出台， 节能型建筑材料势必将成为今后新型建材的发展方向[2]。目 前，常用的建筑保温材料主要是有机聚合物发泡材料，如聚苯 乙烯、聚氨酯和酚醛树酯等，这类材料保温性能好、密度小、防 水性能好，但是与无机保温材料相比，其耐热性、防火性等方 面仍有比较大的差距；同时泡沫聚合物类保温材料所带来的 环境问题也不容忽视，性能与环境安全性的矛盾始终存在[3]。 而研究高抗压强度、低成本、高防火性、低密度的泡沫材料是 亟待解决的课题[2]。
参考文献：
[1] 邹钰.我国建筑节能材料发展现状 [J].房材与应用，2006（3）：
59-61.
[2] 李峰，胡琳娜.发泡水泥材料的研究进展[J].混凝土，2008（5）：80-
82.
[3] 马秀宝.泡沫聚合物保温材料的研究进展及其应用[J].环境技术，
2004（4）：14-17.
[4] Hardjito D，Rangan B V.Development and properties of Low-
alcium fly ash-based geopolymer concrete[R].2005，Faculty of En-
gineering Curtin University of Technology：Perth，Australia.
[5] Panias D，Giannopoulou I P，Perraki T. Effect of synthesis pa-
活性剂和非离子表面活性剂均为市售。
表 1 粉煤灰的化学成分
%
SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 TiO2 K2O MgO SrO Na2O BaO Loss
50.92 32.40 6.20 6.94 1.54 0.53 0.27 0.24 0.18 0.17 2.85
1.2 试验 所有样品中粉煤灰 200 g，硅酸钠溶液 48 mL，其它原料
图 3 地质聚合物泡沫样品照片
N E W B U I L D I N G M A T E R I A L S ·81·
许泽胜，等：粉煤灰地质聚合物轻质发泡材料的制备与性能研究
2.3 用水量对样品抗压强度和密度的影响（见表 3）
表 3 用水量对样品抗压强度和密度的影响
用水量/g 抗压强度/MPa 密度（/ g/cm3） 表面活性剂种类
于密度的降幅。 2.4 发泡剂用量对样品抗压强度和密度的
影响（见表 4）
表 4 发泡剂用量对样品抗压强度和密度的影响
发泡剂用量/g 抗压强度/MPa 密度（/ g/cm3） 表面活性剂种类
0.728
2.30
0.364
2.57
0.79
阴离子表面活性剂
0.76
阴离子表面活性剂
从表 4 可以看出，发泡剂用量从 0.364 g 增加 0.728 g 时，样 品的密度从 0.76 g/cm3 增加到 0.79 g/cm3，增加了约 3.8%，但抗 压强度却从 2.57 MPa 下降到 2.30 MPa，下降了约 10.5%。 2.5 耐高温性能
性低、成本更低，尤其是粉煤灰地质聚合物。因此，研究制备地 质聚合物轻质发泡保温材料，也将成为解决上述问题的一条 途径。本文主要研究了不同种类的发泡剂和稳泡剂对粉煤灰 地质聚合物轻质发泡保温材料的密度和抗压强度的影响。
1 原料与试验
1.1 原料
粉煤灰（FA）取自福建某热电厂，化学成分见表 1；硅酸钠
溶液、固体氢氧化钠、发泡剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面
图 2 为表面活性剂对样品抗压强度和密度的影响。
2 结果与讨论
2.1 养护温度对样品强度和密度的影响 图 1 为养护温度对样品 7 d 抗压强度和密度的影响。
图 1 养护温度对样品抗压强度和密度的影响
从图 1 可知，样品抗压强度随温度的升高而提高，密度 在 80 ℃时最低，此时样品的抗压强度密度比最高，为 1.54，说 明养护温度在 80 ℃时最优。
对样品 A3 进行耐高温试验，把样品放入马弗炉中分别 在 200、400、600 和 800 ℃条件下煅烧 1 h。煅烧后观测样品的 外观形貌，发现表面有微小裂纹，可能是气体膨胀或水分散失
所致。测量、计算样品的线性变化率结果见图 4。
图 4 样品 A3 在煅烧后的线性收缩率
从图 4 可看出，样品发生收缩，收缩率随温度升高而逐渐 增加，收缩率在 4%以内。样品收缩主要是基体因水分散失而发 生收缩所致，地质聚合物在 800 ℃下的收缩率为 10%～18%[6-7]， 而地质聚合物多孔材料的收缩率则要低得多。因为样品中的气 孔主要是闭孔（见图 3），当加热时气孔中的气体产生膨胀，能 够抵消一部分基体所产生的收缩，所以多孔材料收缩率低。 2.6 导热系数
rameters on the mechanical properties of fly ash-based geopoly-
全国中文核心期刊
粉煤灰地质聚合物轻质发泡材料的 制备与性能研究
许泽胜 1，贾屹海 1，卡哈尔·艾买提 1，2，侯镇锋 1，韩敏芳 1
[1.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083； 2.哈密地区煤炭工业管理局，新疆 哈密 839000]
摘要：以粉煤灰地质聚合物为基体，加入发泡剂和稳泡剂，制备了轻质发泡材料。主要研究了温度、表面活性剂、碱用量、水量
关键词：粉煤灰；地质聚合物；发泡；表面活性剂
中图分类号：TU55+1.3
文献标识码：A
文章编号：1001－702X（2009）12－0080-03
Synthesis of light foam materials based on fly ash-geopolymer and its properties study XU Zesheng1，JIA Yihai1，KAHAER·Aimeiti1，2，HOU Zhengfeng1，HAN Minfang1
图 2 表面活性剂对样品抗压强度和密度的影响
从图 2 可知，加入 5 g 阴离子表面活性剂后样品的密度 从 0.56 g/cm3 增加到 0.76 g/cm3，增幅为 36%；抗压强度也从 0.87 MPa 提高到 2.57 MPa，提高幅度为 195%。加入表面活性 剂对样品抗压强度的增幅明显高于密度的增幅，主要是因为 表面活性剂使样品中的气孔变得更小，孔径更均匀。从地质聚 合物泡沫样品照片（见图 3）可以看出，空白样孔径都在 4～10 mm，加入非离子表面活性剂的样品孔径都在 1～4 mm，加入阴 离子表面活性剂的样品孔径都在 2 mm 以下，而加入阳离子 表面活性剂样品的孔径在 3～5 mm。因此，通过加入不同种类 的表面活性剂可以调整发泡材料的密度和抗压强度，其中以 阴离子表面活性剂效果最优。
密度。用马弗炉对样品进行煅烧，对样品的耐高温性能进行 研究。
表 2 样品原料配比和实验安排
样品 NaOH 编号 /g A1 16.00 A2 16.00 A3 16.00 A4 16.00 A5 16.00 A6 16.00 A7 16.00 A8 16.00 A9 16.00 A10 16.00 A11 16.54
H2O 发泡剂 表面活性剂 温度 表面活性剂
/g
/g
/mL
/℃
种类
20 0.364
0
40 无表面活性剂
20 0.364
0
60 无表面活性剂
20 0.364
0
80 无表面活性剂
20 0.364
0
100 无表面活性剂
15 0.364
5
80
非离子
15 0.364
5
80
阴离子
15 0.364
5
80
阳离子
24 0.364
20
2.57
24
1.48
0.76
阴离子表面活性剂
0.66
阴离子表面活性剂
从表 3 可以看出，用水量从 20 g 增加到 24 g 时，样品的 抗压强度从 2.57 MPa 下降到 1.48 MPa，降幅约 42%，而密度 从 0.76 g/cm3 下降到 0.66 g/cm3，降幅约 13%。用水量增加，原 料混合物浆体稠度降低，样品中的气泡将有所增大，密度降 低，但样品基体抗压强度因水量增加而大大降低[5]，幅度远大
0
80 无表面活性剂
19 0.364
5
80
阴离子
15 0.728
5
80
阴离子
15 0.728
5
80
阴离子
样品抗压强度随温度升高而升高[4]，气孔也随温度升高而 膨胀，气孔膨胀同时受到基体固化速率的影响，而温度升高固 化速率加快，气孔膨胀受到限制，这些因素对样品的最终抗压 强度和密度的影响是交互的，只有当这些因素达到一个平衡 时，样品的抗压强度密度比为最高，即抗压强度较高，密度较 低。 2.2 表面活性剂的影响
对材料性能的影响。结果表明，表面活性剂对样品的性能影响最大，加入表面活性剂后，样品的孔径从 4～10 mm 降低到 1～2 mm 以
下，抗压强度最高达 2.57 MPa（密度为 0.76 g/cm3），导热系数小于 0.09 W（/ m·K），使用温度高达 800 ℃，是很好的耐高温、高强度多
孔保温材料。
·80· 新型建筑材料 2009．12
水泥发泡材料的研究与应用已经有相当长的时间，地质 聚合物材料与普通水泥相类似，是一种很好的胶凝材料。与 普通水泥相比，地质聚合物的耐高温性和抗压强度更高，导热
收稿日期：2009-05-31，修改日期：2009-10-26 作者简介：许泽胜，男，1964 年生，湖北武汉人，博士，副教授，主要从事 矿物材料研究。
许泽胜，等：粉煤灰地质聚合物轻质发泡材料的制备与性能研究
护温度为 40～80 ℃，24 h 后脱模，在空气中自然干燥 7 d 后， 得到地质聚合物轻质材料。将样品切割成规则形状，用万能 实验机（WE-10B，中国长春实验仪器厂）测试抗压强度。用千 分尺测量样品的体积，用电子天平称量样品质量，求出表观
（1.School of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology Beijing，Beijing 100083，China； 2.Hami Coal Industry Authority，Hami 839000，Xinjiang，China）
从热力学角度看，发泡剂产生许多气泡使体系表面积增 大，而导致体系自由能增加，体系趋于不稳定，所以小气泡会 合并成大气泡以减少表面能，当浆体凝固后，样品中的气孔就 大小不均，而且有较多的大气孔，使样品的性质不均匀。加入 表面活性剂可以降低体系的表面能而使体系趋于稳定，同时 气泡表面也更有弹性，难以破裂，所以凝固后样品中的气孔分 布更均匀，很少有大气孔出现。
样品 A3 经北京建材院质检站检测，其常温下的导热系数
为 0.08987 W（/ m·K），与水泥膨胀蛭石和珍珠岩制品相比，样
品的抗压强度、导热系数和密度都表现出优良性能（见表 5）。
表 5 无机保温材料性能比较
项目
密度 抗压强度 使用温度 常温导热系数
（/ g/cm3） /Mቤተ መጻሕፍቲ ባይዱa
/℃
/[W（/ m·K）]
A3 样品
0.76
2.57
800
0.08987
水泥珍珠岩制品 0.3～0.4 0.5～1.0 ≤600 0.058～0.087
优等品 水泥膨胀
一等品 蛭石制品
合格品
≤0.35 ≤0.48 ≤0.55
≥0.4 ≥0.4 ≥0.4
≤0.090 ≤0.112 ≤0.142
3结语
采用发泡剂，辅以非离子、阳离子或阴离子型表面活性剂 为稳泡剂，制备的粉煤灰地质聚合物泡沫材料，在养护温度 80 ℃时，性能较优，抗压强度较高，密度较低；加入表面活性 进行稳泡，孔径尺寸下降，尤其是阴离子表面活性剂使孔径由 4～10 mm 降到 2 mm 以下，抗压强度大幅度上升，最高增幅为 195%，密度的升幅则相对较小，最高增幅为 36%。同时在本试 验范围，增加用水量，抗压强度下降，而密度变化则不大；增加 发泡剂用量，抗压强度下降而密度上升。该高强度多孔保温材 料导热系数小于 0.09 W（/ m·K），最高使用温度达 800 ℃。
0前言
建筑能耗约占总能耗的 11%~25%[1]，随着我国提出的建 设资源节约型社会的要求和国家节能降耗政策的相继出台， 节能型建筑材料势必将成为今后新型建材的发展方向[2]。目 前，常用的建筑保温材料主要是有机聚合物发泡材料，如聚苯 乙烯、聚氨酯和酚醛树酯等，这类材料保温性能好、密度小、防 水性能好，但是与无机保温材料相比，其耐热性、防火性等方 面仍有比较大的差距；同时泡沫聚合物类保温材料所带来的 环境问题也不容忽视，性能与环境安全性的矛盾始终存在[3]。 而研究高抗压强度、低成本、高防火性、低密度的泡沫材料是 亟待解决的课题[2]。
参考文献：
[1] 邹钰.我国建筑节能材料发展现状 [J].房材与应用，2006（3）：
59-61.
[2] 李峰，胡琳娜.发泡水泥材料的研究进展[J].混凝土，2008（5）：80-
82.
[3] 马秀宝.泡沫聚合物保温材料的研究进展及其应用[J].环境技术，
2004（4）：14-17.
[4] Hardjito D，Rangan B V.Development and properties of Low-
alcium fly ash-based geopolymer concrete[R].2005，Faculty of En-
gineering Curtin University of Technology：Perth，Australia.
[5] Panias D，Giannopoulou I P，Perraki T. Effect of synthesis pa-
活性剂和非离子表面活性剂均为市售。
表 1 粉煤灰的化学成分
%
SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 TiO2 K2O MgO SrO Na2O BaO Loss
50.92 32.40 6.20 6.94 1.54 0.53 0.27 0.24 0.18 0.17 2.85
1.2 试验 所有样品中粉煤灰 200 g，硅酸钠溶液 48 mL，其它原料
图 3 地质聚合物泡沫样品照片
N E W B U I L D I N G M A T E R I A L S ·81·
许泽胜，等：粉煤灰地质聚合物轻质发泡材料的制备与性能研究
2.3 用水量对样品抗压强度和密度的影响（见表 3）
表 3 用水量对样品抗压强度和密度的影响
用水量/g 抗压强度/MPa 密度（/ g/cm3） 表面活性剂种类
于密度的降幅。 2.4 发泡剂用量对样品抗压强度和密度的
影响（见表 4）
表 4 发泡剂用量对样品抗压强度和密度的影响
发泡剂用量/g 抗压强度/MPa 密度（/ g/cm3） 表面活性剂种类
0.728
2.30
0.364
2.57
0.79
阴离子表面活性剂
0.76
阴离子表面活性剂
从表 4 可以看出，发泡剂用量从 0.364 g 增加 0.728 g 时，样 品的密度从 0.76 g/cm3 增加到 0.79 g/cm3，增加了约 3.8%，但抗 压强度却从 2.57 MPa 下降到 2.30 MPa，下降了约 10.5%。 2.5 耐高温性能
性低、成本更低，尤其是粉煤灰地质聚合物。因此，研究制备地 质聚合物轻质发泡保温材料，也将成为解决上述问题的一条 途径。本文主要研究了不同种类的发泡剂和稳泡剂对粉煤灰 地质聚合物轻质发泡保温材料的密度和抗压强度的影响。
1 原料与试验
1.1 原料
粉煤灰（FA）取自福建某热电厂，化学成分见表 1；硅酸钠
溶液、固体氢氧化钠、发泡剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面
图 2 为表面活性剂对样品抗压强度和密度的影响。
2 结果与讨论
2.1 养护温度对样品强度和密度的影响 图 1 为养护温度对样品 7 d 抗压强度和密度的影响。
图 1 养护温度对样品抗压强度和密度的影响
从图 1 可知，样品抗压强度随温度的升高而提高，密度 在 80 ℃时最低，此时样品的抗压强度密度比最高，为 1.54，说 明养护温度在 80 ℃时最优。
对样品 A3 进行耐高温试验，把样品放入马弗炉中分别 在 200、400、600 和 800 ℃条件下煅烧 1 h。煅烧后观测样品的 外观形貌，发现表面有微小裂纹，可能是气体膨胀或水分散失
所致。测量、计算样品的线性变化率结果见图 4。
图 4 样品 A3 在煅烧后的线性收缩率
从图 4 可看出，样品发生收缩，收缩率随温度升高而逐渐 增加，收缩率在 4%以内。样品收缩主要是基体因水分散失而发 生收缩所致，地质聚合物在 800 ℃下的收缩率为 10%～18%[6-7]， 而地质聚合物多孔材料的收缩率则要低得多。因为样品中的气 孔主要是闭孔（见图 3），当加热时气孔中的气体产生膨胀，能 够抵消一部分基体所产生的收缩，所以多孔材料收缩率低。 2.6 导热系数
rameters on the mechanical properties of fly ash-based geopoly-
全国中文核心期刊
粉煤灰地质聚合物轻质发泡材料的 制备与性能研究
许泽胜 1，贾屹海 1，卡哈尔·艾买提 1，2，侯镇锋 1，韩敏芳 1
[1.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083； 2.哈密地区煤炭工业管理局，新疆 哈密 839000]
摘要：以粉煤灰地质聚合物为基体，加入发泡剂和稳泡剂，制备了轻质发泡材料。主要研究了温度、表面活性剂、碱用量、水量
关键词：粉煤灰；地质聚合物；发泡；表面活性剂
中图分类号：TU55+1.3
文献标识码：A
文章编号：1001－702X（2009）12－0080-03
Synthesis of light foam materials based on fly ash-geopolymer and its properties study XU Zesheng1，JIA Yihai1，KAHAER·Aimeiti1，2，HOU Zhengfeng1，HAN Minfang1
图 2 表面活性剂对样品抗压强度和密度的影响
从图 2 可知，加入 5 g 阴离子表面活性剂后样品的密度 从 0.56 g/cm3 增加到 0.76 g/cm3，增幅为 36%；抗压强度也从 0.87 MPa 提高到 2.57 MPa，提高幅度为 195%。加入表面活性 剂对样品抗压强度的增幅明显高于密度的增幅，主要是因为 表面活性剂使样品中的气孔变得更小，孔径更均匀。从地质聚 合物泡沫样品照片（见图 3）可以看出，空白样孔径都在 4～10 mm，加入非离子表面活性剂的样品孔径都在 1～4 mm，加入阴 离子表面活性剂的样品孔径都在 2 mm 以下，而加入阳离子 表面活性剂样品的孔径在 3～5 mm。因此，通过加入不同种类 的表面活性剂可以调整发泡材料的密度和抗压强度，其中以 阴离子表面活性剂效果最优。
密度。用马弗炉对样品进行煅烧，对样品的耐高温性能进行 研究。
表 2 样品原料配比和实验安排
样品 NaOH 编号 /g A1 16.00 A2 16.00 A3 16.00 A4 16.00 A5 16.00 A6 16.00 A7 16.00 A8 16.00 A9 16.00 A10 16.00 A11 16.54
H2O 发泡剂 表面活性剂 温度 表面活性剂
/g
/g
/mL
/℃
种类
20 0.364
0
40 无表面活性剂
20 0.364
0
60 无表面活性剂
20 0.364
0
80 无表面活性剂
20 0.364
0
100 无表面活性剂
15 0.364
5
80
非离子
15 0.364
5
80
阴离子
15 0.364
5
80
阳离子
24 0.364
20
2.57
24
1.48
0.76
阴离子表面活性剂
0.66
阴离子表面活性剂
从表 3 可以看出，用水量从 20 g 增加到 24 g 时，样品的 抗压强度从 2.57 MPa 下降到 1.48 MPa，降幅约 42%，而密度 从 0.76 g/cm3 下降到 0.66 g/cm3，降幅约 13%。用水量增加，原 料混合物浆体稠度降低，样品中的气泡将有所增大，密度降 低，但样品基体抗压强度因水量增加而大大降低[5]，幅度远大
0
80 无表面活性剂
19 0.364
5
80
阴离子
15 0.728
5
80
阴离子
15 0.728
5
80
阴离子
样品抗压强度随温度升高而升高[4]，气孔也随温度升高而 膨胀，气孔膨胀同时受到基体固化速率的影响，而温度升高固 化速率加快，气孔膨胀受到限制，这些因素对样品的最终抗压 强度和密度的影响是交互的，只有当这些因素达到一个平衡 时，样品的抗压强度密度比为最高，即抗压强度较高，密度较 低。 2.2 表面活性剂的影响
对材料性能的影响。结果表明，表面活性剂对样品的性能影响最大，加入表面活性剂后，样品的孔径从 4～10 mm 降低到 1～2 mm 以
下，抗压强度最高达 2.57 MPa（密度为 0.76 g/cm3），导热系数小于 0.09 W（/ m·K），使用温度高达 800 ℃，是很好的耐高温、高强度多
孔保温材料。