基于双正交试验的农业废弃物与煤矸石协同利用制备泡沫混凝土性能研究
一、研究背景与目的
研究背景：泡沫混凝土具有轻质、节能、保温等优点，在建筑工程中应用广泛，但存在易开裂、长期耐久性能不足等缺陷。同时，传统泡沫混凝土依赖大量水泥，成本高、碳排放大。煤矸石是我国产量最大的工业固体废弃物，长期堆存占用土地、污染环境，可作为水泥替代材料用于制备泡沫混凝土，但其胶凝活性低，现有研究多关注力学性能，对耐久性研究不足。秸秆等农业废弃物纤维产量大、增韧效果好，可改善泡沫混凝土性能，但将煤矸石与秸秆纤维协同用于泡沫混凝土的研究较少。我国北方地区煤炭与农业生产集中，煤矸石和秸秆废弃物大量共存，开展二者协同资源化利用研究具有重要现实意义。研究目的：通过双正交试验，系统研究煤矸石掺量、水胶比、泡沫掺量对煤矸石泡沫混凝土力学、保温及耐久性能的影响，并进一步探讨纤维类型、掺量和长度的作用规律；结合微观测试揭示材料作用机理，确定最优配合比；制备出以工业固废和农业废弃物为原料、性能优良的绿色保温泡沫混凝土，为北方寒冷地区固废协同利用及节能墙体材料开发提供理论支撑。二、材料与方法
2.1.材料
本研究选用山东山水水泥集团有限公司的P⋅O 42.5 R硅酸盐水泥。煤矸石(CG)采自山东济宁兖州某矿区，经破碎、磨矿、筛分等工序加工成粉，粒度为200目。使用动物蛋白基发泡剂，其性能指标详见表2。实验中使用的纤维包括市售聚丙烯(PP)纤维、来自中国山东作物秸秆的植物秸秆纤维(ST)和氢氧化钠处理的秸秆纤维(PST)。ST纤维在5wt %NaOH溶液中浸泡24小时，用水冲洗至中性pH，并在80◦C下干燥2小时，以获得可用的PST纤维。纤维的物理性能如表3所示。2.2.泡沫混凝土制备
发泡剂以1:40的比例用水稀释，用起泡机产生均匀的泡沫。水泥和CG按比例称重，在搅拌机中搅拌2分钟，得到均匀干燥的混合物。然后加水，将混合物再搅拌2分钟。然后将泡沫与水泥砂浆混合，再搅拌2分钟，形成均匀的浆液。将这种浆液倒入模具中，并用塑料薄膜覆盖，以防止水分流失。试件保存在(20±2)◦C、相对湿度大于95%的标准养护室内，直至达到合适的龄期进行性能测试。泡沫混凝土的制备过程如图1所示。2.3.测试方法
抗压强度与抗折强度分别取6 个、3 个试件的平均值，精度 0.01 MPa；按 GB/T 17671-2021，采用 DY-208-M30 压力试验机对 81 个 40 mm×40 mm×160 mm 试件，在 3、7、28 d 龄期进行测试。导热系数依据 GB/T 10294-2008 测定，试件尺寸 300 mm×300 mm×30 mm，经 105 ℃烘干 3 d 预处理。吸水率按 ASTM C1585-2013 测试，抗氯离子渗透采用电通量法，依据 GB/T50082-2009 测试 28 d 龄期，冻融循环试验按 JC/T 2125-2012 进行。养护 28 d 后，采用 SEM 观察微观形貌，XRD 分析物相组成，MIP 测试孔径分布。三、实验方法及材料
3.1.泡沫混凝土力学性能分析
图3显示了FC强度随时间的变化，显示抗压和抗折强度随年龄增长而增加。3 d时，抗压强度范围为1.18 ~ 1.53MPa，抗弯强度范围为0.47 ~ 0.98 MPa，如图3a和b所示。A9试样28天抗压强度最低，抗弯强度相对较低，A8试样28天抗压强度和抗弯强度最高，分别为2.15 MPa和1.2 MPa;分别为。因此，FC的最佳参数确定为CG含量20%，w/b比0.4，泡沫含量0.5%。如图4，影响泡沫混凝土力学性能的因素主次为：泡沫掺量＞水胶比＞煤矸石掺量，泡沫掺量增加会使孔隙增多、强度明显下降。水胶比过高或过低均不利于水化，会降低基体强度；适量煤矸石可通过二次水化生成C-S-H 凝胶提升强度，掺量过高则会形成空洞削弱强度。3.2.泡沫混凝土的保温性能分析
图5给出了FC的热导率。数据显示，A7样品的导热系数最低，为0.142 W/(m·K)表明其绝缘性能优越。相反，A9样品组的导热系数最高，为0.163 W/(m⋅K)。各因素对导热系数的影响顺序为:w/b比>泡沫含量> CG含量。随着w/b比的增大FC的导热系数先减小后增大。3.3.泡沫混凝土耐久性分析
水渗入泡沫混凝土的孔隙，随后冻结，导致基质膨胀。随着连续的冻融循环，泡沫混凝土裂缝的发生增多，最终导致结构破坏。图7显示了在冻融循环的早期阶段，由于冻融液体渗透到孔隙中，质量的初始增加。起初，冻胀不会立即造成内部结构损伤或表面侵蚀。A1-A3样品组表现出优异的抗冻性，这与它们较低的孔隙率有关。然而，随着泡沫含量的增加，A7-A9样品组的抗冻性逐渐降低，这与Gencel等人的研究结果一致。3.4.泡沫混凝土的微观结构组成分析
SEM图像(图8)显示，所有样品中都有不规则的C-S-H凝胶簇，这显著增强了FC的强度。在A1样品中，较大的孔隙明显丰富。然而，随着CG含量的增加，A2样品组在FC中表现出更精细的孔隙结构，孔隙更小，分布更均匀。此外，还观察到针状钙矾石的显著存在。C-S-H和钙矾石(AFt)的共同作用有效地填充了颗粒间的间隙，从而使FC结构更加致密。图10为FC的XRD谱。XRD结果显示，不同样品组的相组成差异可以忽略不计，主要的晶相包括SiO2、C-S-H、AFt、Ca(OH)2和CaCO3。Ca(OH)2的特征峰在每个样品中并不明显突出。图11为FC样品A1-A9的孔径分布，显示了孔隙度、中位孔径和平均孔径随CG含量的变化情况(图11a-c)。数据表明，随着CG含量的增加，这些孔隙特征先减小后增大。四、结论
本研究采用双正交实验研究煤矸石和纤维增强泡沫混凝土的力学、保温、耐久性性能，以及微观结构和组成。主要研究结果如下:（1）正交试验结果表明，影响泡沫混凝土28天抗压抗弯强度的因素依次为:泡沫含量>水胶比>煤矸石(CG)含量;而对于纤维增强混凝土:纤维类型>纤维长度>纤维含量。影响导热系数和吸水率的因素依次为w/b比>泡沫含量> CG含量。（2）CG含量为20%，w/b比为0.4，泡沫含量为0.5%，可获得最高的28天抗压和抗弯强度。适量的CG改善了混凝土的力学性能。此外，naoh处理的秸秆纤维(PST)显著降低了导热性，增加了吸水性，并增强了冻融耐久性。（3）加入CG后，由于其火山灰活性和微骨料效应，优化了泡沫混凝土基质的孔径分布，提高了泡沫混凝土基质的结构密度。农业废弃物纤维在适当的含量和长度下使用，形成了一个三维的网状结构，可以桥接孔隙和裂缝。水化产物将纤维包裹起来，有助于形成更致密的基质。翻译：陈佳琪 2025级硕士研究生 辽宁工程技术大学 土木工程学院
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