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摘要：

目前在建筑領域中對可持續和耐火保溫材料的需求下，本文探討了赤泥（RM）作為地聚物泡沫混凝土（GFC）穩泡劑的潛力。傳統的泡沫混凝土強度低，碳排放量高，地聚物材料提供了一個很有前途的替代方案。本文通過加入赤泥，礦渣和粉煤灰作為膠凝材料，以及鋁粉作為發泡劑來制備輕質高強的GFC。重點研究了赤泥對GFC力學性能和泡沫穩定性的影響，實驗研究了化學發泡的GFC的發泡規律、機械強度、干密度、吸水率、流變性能和孔隙結構等關鍵性能指標。結果表明，當赤泥的質量分數從20%增加到40%時，GFC漿體的屈服應力和塑性粘度分別顯著增加了628.76%和316.13%。當摻入30% 赤泥和0.1%穩泡劑時，GFC可獲得最佳的力學性能，其在527.10 kg/m3的干密度下，28天抗壓強度達到2.56 MPa，導熱系數達到0.0887 W/（m·K）。從機理上分析，赤泥的穩泡機制不同于傳統的穩泡劑：赤泥增加了發泡階段漿體的屈服應力，而硬脂酸鈣類穩泡劑則是降低了氣泡的表面張力。本文為在GFC中資源化利用赤泥作為穩泡劑提供了理論依據。

研究背景：

推動碳達峰、碳中和目標落地，既是突破資源環境制約、促進經濟高質量發展的必然選擇，也是積極履行國際責任、助力全球可持續發展的重要舉措。低碳建筑是一種注重節能減排、降低環境影響、提高舒適度的建筑模式，其核心是減少能源消耗和碳排放，提高建筑的能源利用效率，采用保溫材料是建筑節能最實用、最經濟的措施。常見的隔熱板由聚氨酯等有機材料組成，該類材料在200-260℃時迅速燃燒，釋放大量氰化氫（HCN）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）等有害氣體，嚴重阻礙火災現場的人員搜救及自救工作。然而傳統的泡沫混凝土在工程上很難解決其追求低密度、高保溫性能而導致的強度過低的問題，且使用傳統的水泥制備的泡沫混凝土碳排放高，從環境角度不利于泡沫混凝土大規模推廣。地聚物材料兼備耐火性、高強、早強和耐久性好等優點，其最常用的前驅體材料為粉煤灰和高爐礦渣。近年來，這些前驅體由于產量有限導致成本上漲，有必要尋找更經濟、環保的替代材料。鋁是世界第一大有色金屬，赤泥（Red mud）是工業上從鋁土礦中提煉氧化鋁后排出的副產品，含有大量的Fe2O3而呈現紅色，赤泥具有強堿性（pH10-12）和高產量的特性，2023年全國赤泥生產量10700萬噸，綜合利用1050萬噸，利用率僅為9.8%。研究發現赤泥可以降低漿體的流動性，具有一定的穩泡潛力，利用赤泥制備地聚物泡沫混凝土，不僅可以消納赤泥，還可以制備出泡沫穩定、輕質高強的泡沫混凝土。

研究內容：

本研究采用鋁粉發泡，通過加入礦渣減少初凝時間，提高基體強度；調整赤泥的含量，提高漿體粘度和基體屈服應力，硬脂酸鈣被用作穩泡劑來降低氣泡表面張力。基于這種思路制備了粉煤灰-赤泥-礦渣基三元膠凝材料的GFC。本研究首先在管內進行預發泡試驗，每10s記錄發泡的體積，分析發泡的關鍵時間參數和規律，提出了化學發泡的三階段模型，如圖1所示。

圖1 預發泡試驗：(a)測試方法；(b)測試結果；(c)總結的三階段發泡模型

如圖2所示，試件制備方式與傳統的泡沫混凝土制備方式有所不同，其重點在于利用前期預發泡試驗獲得的起泡時間、終泡時間和發泡倍率等關鍵參數，指導化學發泡的地聚物泡沫混凝土的制備。研究發現，不摻入穩泡劑的三組均發生了不同程度的塌模，赤泥的摻入可以降低塌模的程度。

圖2 鋼纖維拉拔試驗：(a)制備工藝；(b)測試試件外觀形貌  

根據行業標準JC/T 2357-2016《泡沫混凝土制品性能試驗方法》測定各組GFC的抗壓強度、干密度和吸水率等關鍵性能指標，評價地聚物泡沫混凝土的基本力學性能。如圖3所示，研究結果顯示：RM30-0.1組在較低的干密度的同時獲得了較高的抗壓強度，為本試驗的較優配合比組；大摻量赤泥會顯著提高GFC的吸水率，超過規范所推薦的限制。

圖3 關鍵性能的測量結果：（a）抗壓強度；（b）干密度；（c）吸水率和軟化系數

圖4和圖5展示了各組斷面的孔隙形貌和Image J圖像處理軟件量化分析結果。研究表明，赤泥和穩泡劑的摻入會顯著影響斷面孔隙的分布和大小。在無穩泡劑組，隨著赤泥摻量的增加，平均圓度值逐漸增加，證明了赤泥發揮了積極地穩泡作用；在穩泡劑摻量為0.1%組中，赤泥摻量為30%，200-800μm的中小孔徑占比達到86.46%，為各試驗組最佳。然而當赤泥摻量達到40%時，孔徑分布明顯劣化，＞1200μm的大型孔隙增多，證明赤泥在GFC中的摻量存在最優比例。綜合外觀形貌和斷面孔隙分析，RM30-0.1組外觀平整，斷面孔隙分布最均勻，平均圓度值為最高的0.906，為本節研究的最優配合比組。

圖4 地聚物泡沫混凝土的斷面分析：（a）斷面形貌；（b）Image J處理孔隙

圖5 斷面孔隙分布和圓度值：（a）0%穩泡劑；（b）0.1穩泡劑；（c）0.2穩泡劑；（d）圓度值

漿體的流變性是影響GFC泡沫穩定性的關鍵性能，使用旋轉型流變儀探究赤泥和穩泡劑摻入對GFC漿體屈服應力和塑性粘度的影響，測試方法和結果見下圖6。粘度較高的GFC漿體更加符合修正的Bingham模型，此時二次項系數c＜0，且絕對值增大，說明漿體發生剪切稀化，即剪切速率的增加削弱了膠凝顆粒間的扣鎖作用。當赤泥的摻量從20%增加到40%時，屈服應力和塑性粘度最多分別增加了628.76%和316.13%，這代表赤泥會顯著增強漿體的流變性能。

圖6 流變性試驗：（a）加載方式；（b）流變模型擬合

圖7和圖8分別展示了本試驗觀測到的氣泡的三種破壞機制和維穩方式。破壞機制包括（i）奧斯瓦爾特熟化、（ii）聚并和（iii）排水，三種方式最終都會導致大氣泡的產生，大氣泡受到更大的浮力到漿體液面與空氣接觸，最終破壞，導致塌模。本研究提出了維穩的兩種策略：I調節粘度，對應圖8（b），該策略通過調整水膠比和改變膠凝材料的摻量和類型（如赤泥含量）來改變GFC漿體的剪切粘度，從而增強了泡沫的穩定性，更高的漿體粘度會產生更高強度的氣泡膜，使其對破裂和氣體擴散有更大的抵抗力；II增強液膜,對應圖8（c）該策略通過引入具有表面活性劑特性的穩泡劑，如硬脂酸鈣來增加液膜的機械強度，降低其表面張力。

圖7  GFC漿體中氣泡的三種破壞機制圖

圖8  兩種維穩方式機理圖

本項研究成果受到四川省科技廳和四川省城市固體廢物能源與建材轉化利用技術工程研究中心的支持。目前論文已經在線發表在Elsevier出版集團Journal of Building Engineering雜志，歡迎大家通過以下鏈接下載、瀏覽與引用。

引用鏈接：

X. Shi, Y. Zhang, H. Hu, E.N. Arachchi, X. Cen, W. Li, Q. Wang, Role of red mud as a foam stabilizer in geopolymer foam concrete: enhancing Stability, rheology, and mechanical performance, Journal of Building Engineering (2025) 112446.

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352710225006837