增稠劑與減水劑對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

白應(yīng)華，田冉，李華偉，章啟航

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.武夷學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，福建 武夷山 354300）

0 前言

泡沫混凝土是一種多孔材料，由于其能耗低、成本低、節(jié)能特性被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域[1-3]。漿料適宜的流動度和泡沫質(zhì)量在泡沫混凝土的生產(chǎn)中具有重要意義，因為它們在最大限度提高泡沫穩(wěn)定性與分布均勻上起到非常重要的作用[3]。聚羧酸減水劑被成熟應(yīng)用于提高新拌混凝土的工作性能。朱俊杰等[4]研究發(fā)現(xiàn)，聚羧酸減水劑在低摻量下可對硬化后的泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并提高整體結(jié)構(gòu)抗壓強度。目前許多研究學(xué)者證明多數(shù)增稠劑在低摻量下穩(wěn)泡、在控制和改善泡沫的質(zhì)地方面非常有效。錢逸文等[5]采用纖維素醚作為穩(wěn)泡劑研究表明，摻0.3%纖維素醚的樣品孔徑分布更小、更窄。但由于纖維素醚可有效促進(jìn)料顆粒之間的凝聚[6]，從而提高漿體塑性黏度，增塑增稠，Laetitia Patural等[7]研究表明，摻0.27%纖維素醚后漿體表現(xiàn)出強保水性。因此在外摻減水劑保證新拌漿體流動性時，兩者之間存在相容適配性問題，容易造成漿體流動性與稠度難以同時協(xié)調(diào)[8]。

目前多數(shù)是研究了單摻減水劑或增稠劑下泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)與性能，對于兩者之間的協(xié)同關(guān)系對泡沫漿體調(diào)控情況，以及硬化后的孔隙形狀和尺寸變化對材料強度等特性產(chǎn)生影響少有研究。本文著重研究了減水劑和增稠劑間的競爭與協(xié)同對新拌泡沫漿體的流動性以及硬化后的孔結(jié)構(gòu)的影響，并以期通過增強泡孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高整體硬化泡沫混凝土的強度。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：唐山北極熊42.5級快凝快硬硫鋁酸鹽水泥。聚羧酸減水劑：巴斯夫，其成分為磺化三聚氫胺。增稠劑：河北晴俊，冷水速溶羥丙基甲基纖維素HPMC，白色粉末，100目通過率大于98.5%，2%水溶液表面張力42~56 mN/m。蛋白類發(fā)泡劑：河南華泰HTW-1型復(fù)合發(fā)泡劑，淺色透明液體，稀釋倍數(shù)為40倍；高分子類發(fā)泡劑：合肥百樂能源設(shè)備有限公司生產(chǎn)的高分子復(fù)合型發(fā)泡劑和鄭州鵬翼化工建材有限公司生產(chǎn)的QW-100水泥發(fā)泡劑，均采用稀釋倍數(shù)為40倍。

1.2 試驗方法

根據(jù)“等體積替換法”對泡沫混凝土的設(shè)計濕密度計算配合比，利用攪拌器對混合干粉慢攪1 min，同時將水與稱量好的增稠劑攪拌1 min混合成溶液，然后將增稠劑溶液加入水泥中，慢攪2~3 min后再快速攪拌2 min。在攪拌期間利用發(fā)泡機發(fā)泡并稱取所需的泡沫，快速加入水泥料漿中，再慢速攪拌1~2 min。按照J(rèn)GJ/T 341—2014《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測試其濕密度，如果濕密度過大，則需要再加入一定的泡沫；但如果濕密度過小，則需要重新制備。對制備的泡沫混凝土進(jìn)行流動度測試，然后進(jìn)行澆注，養(yǎng)護(hù)12 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 測試與表征方法

（1）不同發(fā)泡劑的泡沫穩(wěn)定性測試。利用發(fā)泡機對不同發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡，將制備的新鮮泡沫填滿所用容器[9-10]，所用容器內(nèi)徑為50 mm，高度為350 mm，在泡沫上表面輕輕放置1個塑料小球（質(zhì)量為2.70 g），每隔10 min記錄1次泡沫的體積損失以及塑料小球下降的距離，以此表征泡沫的強度。泡沫穩(wěn)定性測試見圖1。

圖1 泡沫穩(wěn)定性測試

（2）流動度的測試。按照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》采用截模圓錐進(jìn)行流動度測試。

（3）力學(xué)性能的測試。按照J(rèn)G/T 266—2011《泡沫混凝土》，試塊的28 d強度采用WAY-300D型水泥膠砂抗折抗壓試驗機進(jìn)行測試，對于密度為600 kg/m3的試塊，加載速度設(shè)置為1 kN/s，對于密度為900 kg/m3以上的試塊，加載速度設(shè)置為2.4 kN/s。

（4）孔結(jié)構(gòu)表征?？捉Y(jié)構(gòu)圖像由泰斯肯VEGA掃描電子顯微鏡拍攝，保證可以使軟件輕松識別超過100個以上的氣孔[11]。然后利用Photoshop對拍攝圖像進(jìn)行處理，并利用圖像分析軟件Image Pro Plus對其孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 泡沫穩(wěn)定性

本試驗按每種市售發(fā)泡劑最佳的稀釋倍數(shù)進(jìn)行稀釋，并對其泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行測試。由于泡沫液膜的內(nèi)外壓差，泡沫總是有向普拉托邊界排液的趨勢，泡沫排液時間的延緩則可以保證泡沫的穩(wěn)定性，伴隨著排液，泡沫還會繼續(xù)粗化生長，當(dāng)液膜強度不足時泡沫發(fā)生破碎，所以泡沫堆積體積和泡沫排液量可以充分表征泡沫的穩(wěn)定性。試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 泡沫排水量和小球下降距離

由圖2可以看出，3種發(fā)泡劑中，河南華泰水泥發(fā)泡劑前期的泌水量較大，后期的泌水量保持恒定在17 mm，總體泌水量較?。欢戏拾贅匪喟l(fā)泡劑雖然泌水量較大，但是小球下降程度和速度最低。從整體上看，3種發(fā)泡劑前10 min小球下降的速度均較為緩慢；隨著時間的推移，泡沫的液膜張力無法維持內(nèi)外壓力的平衡，液膜厚度不斷減小，溶液不斷排出，泡沫繼續(xù)生長甚至破裂，導(dǎo)致小球下降的速度越來越快。將0.25%增稠劑與華泰發(fā)泡劑溶液混合后，泌水情況和小球下降情況大大改善，表明增稠劑的引入大大改善了泡沫的穩(wěn)定性。但是添加增稠劑40 min后泌水量增加，大大超過了未添加增稠劑的泌水量。可以認(rèn)為是泡沫液膜變厚，泡沫液膜中的含水量也大大增加，隨之泌水量也大大增加，超出了原有的泌水量。這一現(xiàn)象在添加了0.4%增稠劑的泡沫中可以更好的體現(xiàn)，測試了添加0.4%增稠劑后制作泡沫的密度，達(dá)到了82 mg/cm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了未加增稠劑的35 mg/cm3。將30 min視為添加了0.4%增稠劑的泡沫的穩(wěn)定時間，這一時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了之前的10 min。

2.2 泡沫混凝土的流動性

對摻0.3%增稠劑和不同減水劑摻量的泡沫混凝土漿體進(jìn)行流動度測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 減水劑摻量對泡沫混凝土漿體流動度的影響

由圖3可見，當(dāng)減水劑摻量為0.5%時，隨著濕密度的減?。ㄅ菽瓝搅吭黾樱菽炷恋墓ぷ餍阅苤饾u下降。當(dāng)不摻加減水劑時，提起試模，漿體仍然保持垂直堆積的狀態(tài)，這表明對于具有高空氣含量的泡沫混凝土而言，實現(xiàn)自密實性是有問題的，在制作此密度以下的泡沫混凝土?xí)r應(yīng)予以考慮[12]。泡沫混凝土濕密度為600 kg/m3，減水劑摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時，泡沫混凝土的流動度逐漸增大，依次為110、135、160、200 mm。當(dāng)減水劑摻量為2.0%時，表現(xiàn)出十分良好的流動性且擴展迅速，但此時試塊呈下層純水泥上層泡沫的分層現(xiàn)象。設(shè)計濕密度為900 kg/m3，由于泡沫量的減少，漿體的流動性優(yōu)于設(shè)計濕密度為600 kg/m3的。當(dāng)減水劑摻量大于1.0%時，泡沫漿體具有自流平性質(zhì)，流動度達(dá)到了175 mm。纖維素醚形成的網(wǎng)狀和膜狀結(jié)構(gòu)包裹住一個個水泥顆粒，并相互黏聚，使得水泥新拌漿體內(nèi)部不僅存在水泥顆粒本身的吸引力，還增加了纖維素醚與水泥顆粒間的粘附力以及纖維素醚分子相互的內(nèi)聚力[13]。而聚羧酸減水劑主要通過對水泥的絮凝結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞來改善其流動性，兩者宏觀上來說是相對立的[14]，纖維素醚由于分子質(zhì)量較大，對漿體流動性下降的能力強于減水劑的改善作用，這種干擾能力隨著纖維素醚的分子質(zhì)量增大而變大。但是隨著減水劑摻量的增加，減水劑在此吸附競爭下逐漸取得優(yōu)勢，因此宏觀表現(xiàn)出流動性能越來越好。

2.3 孔結(jié)構(gòu)分析

對不同減水劑摻量及不同密度的泡沫混凝土進(jìn)行編號A-B，A代表泡沫混凝土密度，B代表減水劑摻量。對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電鏡分析，對掃描圖像利用fiji進(jìn)行處理。圖4～圖6分別為密度等級為600、900、1200 kg/m3泡沫混凝土在不同減水劑摻量下的孔徑分布。

圖4 密度等級600 kg/m3泡沫混凝土的孔徑分布

圖6 密度等級1200 kg/m3泡沫混凝土的孔徑分布

由圖4可見，減水劑摻量為0.5%時，密度為600 kg/m3的泡沫混凝土大孔孔洞直徑約為0.65 mm，大部分的孔洞直徑維持在0.1 mm附近；當(dāng)減水劑摻量從1.0%增加到1.5%，大孔數(shù)量逐漸增多?？梢钥闯?，減水劑對孔徑分布有影響，隨著減水劑摻量的增加，泡沫混凝土的平均孔徑呈現(xiàn)上升的趨勢，且大孔數(shù)量增多。

由圖5可見，密度為900 kg/m3的泡沫混凝土依然表現(xiàn)出與密度等級600 kg/m3泡沫混凝土類似的趨勢，隨著減水劑摻量的增加，大孔數(shù)量增多，平均泡沫直徑增加。減水劑摻量為0.25%時，平均孔徑保持在0.1~0.2 mm。但是最大孔洞直徑為0.522 mm，不排除為攪拌過程中的空氣引入；減水劑摻量為0.5%時，最大孔洞直徑達(dá)到了0.698 mm，但是大部分孔徑均保持在0.1~0.3 mm；減水劑用量繼續(xù)增加至1.0%時，大孔數(shù)量逐漸增多，但值得注意的是，其余小孔依然保持在0.1~0.3 mm。

圖5 密度等級900 kg/m3泡沫混凝土的孔徑分布

由圖6可見，當(dāng)減水劑摻量為0.1%時，密度為1200 kg/m3的泡沫混凝土出現(xiàn)了較大孔洞，平均孔徑為0.2~0.4 mm；隨著減水劑摻量的增加，孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出先變好后變差的趨勢。大孔可能源于泡沫生長也可能來源于攪拌引入，忽略大孔，其余孔洞的平均孔徑隨減水劑用量的變化情況可以較好證明之前的觀點。減水劑摻量為0.1%時，由于整體黏度較高，泡沫的流動性較差，造成在泡沫混合時泡沫破損或穩(wěn)定性遭到破壞，泡沫呈現(xiàn)出生長的趨勢，所以相較于減水劑摻量為0.25%時平均孔徑較大；當(dāng)減水劑摻量增加時，流動性逐漸改善，此時具有較好的孔結(jié)構(gòu)；但隨著減水劑摻量繼續(xù)增至0.5%，流動性過大，為泡沫生長提供了較好的基體環(huán)境，而這恰是最不希望的。

由此可見，減水劑對密度為600 kg/m3泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)影響最大，對密度為1200 kg/m3的孔結(jié)構(gòu)影響最小。另外，泡沫摻量的增加也會影響其孔結(jié)構(gòu)，平均孔徑隨著泡沫摻量的增多而增大?？梢灶A(yù)見的是，對于密度較小的泡沫混凝土，孔隙率的增加及平均孔徑的增大均會對其強度有著負(fù)面影響。

2.4 泡沫混凝土的抗壓強度

按上述減水劑與孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對最佳孔結(jié)構(gòu)的泡沫混凝土分別進(jìn)行抗壓強度試驗，并與JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》要求進(jìn)行對比。結(jié)果見表1。

表1 泡沫混凝土的抗壓強度

由表1可見，由于制備泡沫混凝土的原材料（硫鋁酸鹽水泥）具有較高的基體強度，以及泡沫混凝土較窄的孔徑分布，所以各密度的泡沫混凝土均具有較高的抗壓強度。

3 結(jié)論

（1）一定范圍內(nèi)，泡沫的穩(wěn)定性隨著增稠劑的濃度的增加而增加。

（2）泡沫混凝土的流動性過好和過差都將影響其孔結(jié)構(gòu)，試驗發(fā)現(xiàn)，減水劑可以在與增稠劑的吸附競爭下改善泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)。

（3）當(dāng)密度為600 kg/m3時，減水劑對泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)影響最大；密度為1200 kg/m3時，減水劑對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響最小。

（4）由于制備泡沫混凝土的原材料（硫鋁酸鹽水泥）具有較高的基體強度以及泡沫混凝土較窄的孔徑分布，所制各密度的泡沫混凝土均具有較高強度。