HPMC 改性泡沫對(duì)泡沫混凝土性能影響

葉慈彪，楊海平，陳倩倩，鐘林諺，徐麗芬，應(yīng)素琴

（臺(tái)州四強(qiáng)新型建材有限公司，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

泡沫混凝土通常由膠凝材料、預(yù)制泡沫和其他輔助材料組成[1]。通過(guò)控制預(yù)制泡沫的用量可以制備出不同密度的輕質(zhì)泡沫混凝土[2-3]。由于其密度低的特性，泡沫混凝土作為非結(jié)構(gòu)性和半結(jié)構(gòu)性材料被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[4-5]。然而，密度低通常會(huì)導(dǎo)致泡沫混凝土強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差[6]。因此，輕質(zhì)泡沫混凝土的高穩(wěn)定性和高強(qiáng)度倍受關(guān)注[7]。

泡沫混凝土不穩(wěn)定的主要原因是預(yù)制泡沫穩(wěn)定性低，在水泥漿體凝固前，由于無(wú)法支撐泡沫混凝土骨架，泡沫會(huì)發(fā)生液膜破裂、泡沫合并[8-9]。制備泡沫混凝土?xí)r，預(yù)制泡沫加入到混凝土漿體中，在混凝土攪拌和澆筑的過(guò)程都會(huì)影響泡沫的使用壽命[10-11]。此外，硬化泡沫混凝土的孔徑分布與抗壓強(qiáng)度密切相關(guān)，氣泡分布不均勻?qū)е驴箟簭?qiáng)度低[12-13]。Jones[8]研究指出，氣泡分布不均的主要原因也是泡沫的不穩(wěn)定性。因此，提高預(yù)制泡沫的穩(wěn)定性可以抑制液膜破裂及泡沫變大，優(yōu)化硬化泡沫混凝土中氣泡的孔徑分布，從而提高泡沫混凝土的強(qiáng)度。

液體泡沫處于不平衡狀態(tài)[14]，泡沫的演變過(guò)程包括液體的排出、液膜的破裂和泡沫的合并[15-16]。因此，抑制液體的排出和液膜的破裂是提高泡沫穩(wěn)定性的重要方法[17]。已知增加液體泡沫的膨脹粘彈性會(huì)使液膜液體聚集并提高泡沫的穩(wěn)定性[18]。已有研究者通過(guò)使用淀粉顆粒泡沫，主要原因是增加泡沫溶液的黏度。溶液黏度越高，液膜的強(qiáng)度也就越高[19]。因此，通過(guò)增加泡沫對(duì)薄膜中氣體擴(kuò)散和機(jī)械應(yīng)力的抵抗力來(lái)提高泡沫的穩(wěn)定性，機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致薄膜破裂[20-21]。

在本文中，羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）用作增稠劑來(lái)聚集液膜液體以提高預(yù)制泡沫的穩(wěn)定性，并將HPMC 改性的預(yù)制泡沫應(yīng)用于泡沫混凝土中。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O 52.5，華新水泥有限公司，中值粒徑9.87 μm，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，粒徑分布見(jiàn)圖1。發(fā)泡劑：十二烷基硫酸鈉（SDS），陰離子表面劑，淡黃色粉末，上海美加凈日化有限公司。羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）：黏度200 000 mPa·s，白色粉末。聚羧酸減水劑（PCE）：固含量40%，減水率30%。

表1 水泥的主要化學(xué)成分 %

圖1 水泥的粒徑分布

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

發(fā)泡劑的配比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。HPMC 摻量為0～0.4%，SDS 摻量為0.6%。發(fā)泡劑制備工藝流程為：緩慢地將HPMC 加入到水中，磁性攪拌30 min，然后將SDS 加入溶液中磁力攪拌30 min，得到發(fā)泡劑。最后，發(fā)泡劑通過(guò)高速攪拌，制備預(yù)制泡沫。

表2 發(fā)泡劑的配比設(shè)計(jì)

為了表征空白泡沫和HPMC 改性泡沫在泡沫混凝土中的作用，采用水泥和各種預(yù)制泡沫制備泡沫混凝土，配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。泡沫混凝土的制備過(guò)程為[22]：預(yù)制泡沫與新拌水泥漿體混合攪拌均勻，將制備好的泡沫混凝土漿體澆注在100 mm×100 mm×100 mm 模具中，蓋上保鮮膜，在（20±1）℃的溫度下帶膜養(yǎng)護(hù)1 d。脫模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室的條件下[（20±1）℃，相對(duì)濕度＞90%]養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

表3 泡沫混凝土配比設(shè)計(jì) kg/m3

1.3 測(cè)試方法

發(fā)泡劑黏度采用數(shù)顯黏度計(jì)NDJ-9S 測(cè)試，配備5 個(gè)轉(zhuǎn)子，測(cè)試范圍為1～10 000 mPa·s，誤差控制在±2%以內(nèi)。

發(fā)泡倍數(shù)和泡沫半衰期采用高速攪拌發(fā)泡法測(cè)試[23]。首先稱(chēng)取50 mL 配制好的發(fā)泡劑，置于1 L 的燒杯中，再通過(guò)高速攪拌器攪拌發(fā)泡，直至體積不再變化，再根據(jù)體積得出發(fā)泡倍數(shù)。

根據(jù)JG/T 266—2011《泡沫混凝土》，試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，在進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試之前需在（60±5）℃下烘干，直到每4 h 試塊質(zhì)量變化在±1 g 以內(nèi)。試件的抗壓強(qiáng)度由TYE-300D 試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，加載速度為0.5 kN/s。泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)由數(shù)字顯微鏡（KH-7700）觀察并拍攝，圖像通過(guò)Nano-measure 1.2 軟件測(cè)量氣孔直徑，得到孔徑數(shù)據(jù)及孔徑分布。

2 結(jié)果討論

2.1 發(fā)泡劑溶液的黏度

發(fā)泡劑溶液黏度與預(yù)制泡沫的穩(wěn)定性有關(guān)，發(fā)泡劑溶液黏度直接影響到泡沫液膜上的液體滲流，黏度越大，泡沫液滲流越慢，則泡沫越穩(wěn)定；黏度越小，泡沫液滲流越快，泡沫越不穩(wěn)定。表4 為HPMC 摻量對(duì)發(fā)泡劑溶液黏度的影響。

表4 HPMC 摻量對(duì)發(fā)泡劑溶液黏度的影響

由表4 可以看出，隨著HPMC 摻量的增加，發(fā)泡劑溶液的黏度隨之顯著增大，HPMC 摻量為0.2%、0.4%時(shí)溶液的黏度分別為2.22、8.86 Pa·s，較未摻HPMC 的分別增長(zhǎng)了91%、664%。

2.2 發(fā)泡倍數(shù)

發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)是表征發(fā)泡劑起泡能力的一個(gè)參數(shù)，發(fā)泡倍數(shù)越大，起泡能力越好，反之則越差。起泡能力越好，泡沫的穩(wěn)定性就會(huì)越低，然而起泡能力過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致泡沫密度過(guò)大，不利于輕質(zhì)泡沫混凝土的制備。表5 為HPMC 摻量對(duì)發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)的影響。

表5 HPMC 摻量對(duì)發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)的影響

由表5 可知，隨著HPMC 摻量的增加，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)。HPMC 降低發(fā)泡劑起泡能力主要是HPMC 使發(fā)泡劑黏度上升導(dǎo)致，發(fā)泡劑溶液黏度越高，則可能導(dǎo)致液膜壁厚增強(qiáng)、液膜液體聚集，從而使發(fā)泡倍數(shù)降低，影響發(fā)泡劑的起泡能力。

2.3 泡沫半衰期

采用高速攪拌發(fā)泡法來(lái)測(cè)試泡沫半衰期[23]。半衰期是指100 mL 發(fā)泡劑通過(guò)高速攪拌的方式起泡，排出50 mL 液體所需的時(shí)間。液體泡沫是個(gè)不平衡狀態(tài)，泡沫受到重力的作用，會(huì)發(fā)生泡沫液滲流，導(dǎo)致液膜壁厚度降低，從而導(dǎo)致泡沫的破裂、合并[24]。因此，抑制泡沫液滲流，聚集液膜液體是提高泡沫穩(wěn)定性的方法。表6 為HPMC 改性泡沫的半衰期。

表6 HPMC 改性泡沫的半衰期

由表6 可以看出，HPMC 改性后的泡沫半衰期顯著延長(zhǎng)，HPMC 摻量增加到0.4%時(shí)，改性泡沫的半衰期延長(zhǎng)到了90 min，與未摻HPMC 相比提高了8 倍。一方面，是因?yàn)镠PMC增加了泡沫液的黏度，抑制了泡沫液滲流，從而抑制了泡沫的破裂；另一方面，是因?yàn)镠PMC 聚集了液膜液體，抑制氣泡內(nèi)的氣體溢出，同時(shí)在避免不了泡沫液發(fā)生滲流的情況下，減少液膜厚度降低的時(shí)間，從而提高泡沫的穩(wěn)定性。

2.4 泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度

采用HPMC 改性泡沫制備了濕密度等級(jí)為800 kg/m3的泡沫混凝土，HPMC 摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表7。

由表7 可見(jiàn)，隨著HPMC 的摻量增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低。7 d 齡期時(shí)，H0.1 的抗壓強(qiáng)度為4.16 MPa，與H0 相比提高了7.2%，而H0.3 的抗壓強(qiáng)度最高，為5.58 MPa，與H0 相比提高了43.8%；雖然H0.4 的抗壓強(qiáng)度僅為5.16 MPa，但也較H0 和H0.1 提高不少。值得注意的是，在14 d 和28 d 齡期時(shí)，抗壓強(qiáng)度依然得到了提高，并且也表現(xiàn)出與7 d 的抗壓強(qiáng)度相同的規(guī)律。H0.3 的28 d 抗壓強(qiáng)度為7.23 MPa，與H0 相比提高了22.3%，而H0.4 的28 d 抗壓強(qiáng)度為6.82 MPa，與H0.3 相比略微降低。HPMC 增強(qiáng)泡沫混凝土強(qiáng)度主要是因?yàn)椋篐PMC 提高了預(yù)制泡沫的穩(wěn)定性，減少了泡沫在水泥漿體中的破裂，使氣泡的孔徑更加細(xì)小均勻，從而提高了泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。而隨著HPMC 摻量的增加，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值后呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)橐氲呐菽^多，從而降低泡沫混凝土的強(qiáng)度[18]。

表7 HPMC 摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.5 泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)

泡沫混凝土的宏觀性能與孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，氣泡孔徑越小分布越均勻，則泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度越高。為了進(jìn)一步揭示HPMC 改性泡沫對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的作用，將試塊切割成同樣規(guī)格后通過(guò)數(shù)字顯微鏡拍攝了28 d 齡期樣品H0、H0.2 和H0.4 的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果見(jiàn)圖2，孔徑分布見(jiàn)圖3，孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表8。

由圖2 可見(jiàn)，樣品H0 中存在大量的大孔，幾乎觀察不到小孔，樣品H0.2 中仍然存在著少量的大孔，但小孔的數(shù)量占了絕大多數(shù)，而樣品H0.4 中幾乎觀察不到大孔，幾乎全部為小孔或中孔，且能明顯感覺(jué)到孔徑分布更加均勻，氣孔尺寸也明顯減小。

由圖3（a）可見(jiàn)，H0 的孔徑分布較寬，其中50～75 μm 的孔含量為12.21%，75～100 μm 的孔含量為18.60%，而＞150 μm孔含量卻高達(dá)38.50%。這說(shuō)明H0 的大孔占絕大多數(shù)，小孔數(shù)量較少。而樣品H0.2 中50～75 μm 的孔含量為38.95%，75～100 μm 的孔含量為32.37%，而＞150 μm 孔僅為7.70%。樣品H0.4 中50～75 μm 的孔含量為43.79%，75～100 μm 的孔含量為32.55%，而＞150 μm 孔僅為5.50%。

由表8 可見(jiàn)，隨著HPMC 摻量的增加，泡沫混凝土的孔徑參數(shù)均顯著降低，其中最大孔徑從348.34 μm 降低到248.71 μm，最小孔徑從45.98 μm 降低到了9.54 μm，平均孔徑從135.88 μm 降低到了83.22 μm。這表明HPMC 改性的泡沫不僅能顯著改善泡沫混凝土中的孔結(jié)構(gòu)，而且使泡沫混凝土中的孔結(jié)構(gòu)更加細(xì)小均勻，從而使泡沫混凝土的應(yīng)力分布均勻，提高泡沫混凝土的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）HPMC 通過(guò)增加發(fā)泡劑的黏度，聚集液膜液體，從而抑制泡沫液滲流、氣泡內(nèi)氣體溢出，進(jìn)而提高泡沫的穩(wěn)定性，其中泡沫半衰期從10 min 延長(zhǎng)到了90 min。但HPMC 會(huì)降低發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)，影響發(fā)泡劑的起泡能力。

（2）HPMC 改性泡沫應(yīng)用于泡沫混凝土?xí)r，可以提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，但是HPMC 摻量過(guò)高的改性泡沫會(huì)限制抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

（3）HPMC 改性的泡沫不僅能顯著改善泡沫混凝土中的孔結(jié)構(gòu)，使泡沫混凝土中的孔結(jié)構(gòu)更加細(xì)小均勻，從而提高泡沫混凝土的強(qiáng)度。