基于礦渣材料的低密度發(fā)泡混凝土制備及性能研究

徐 昊 姜 超

（山東高速工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

泡沫混凝土是在水泥漿體、泡沫和摻合料復(fù)合基礎(chǔ)上，將氣泡引入材料內(nèi)部的一種輕質(zhì)新型多孔材料[1-2]。礦渣類發(fā)泡混凝土因其具有強(qiáng)度高、保溫性能優(yōu)異的特點(diǎn)，在對(duì)礦渣等固廢進(jìn)行有效利用的同時(shí)，也能減少對(duì)大氣的污染[3-4]。但是，很多學(xué)者在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)堿礦渣類發(fā)泡混凝土在制備過(guò)程中存在發(fā)泡不穩(wěn)定的問(wèn)題，從而導(dǎo)致制備的混凝土試件強(qiáng)度不足。

該文基于礦渣類工業(yè)固廢材料，采用化學(xué)發(fā)泡的形式制備了一種低密度發(fā)泡混凝土，研究了不同溫度、不同催化劑摻量對(duì)發(fā)泡混凝土的影響規(guī)律，分析了泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，該研究可為工業(yè)固廢類發(fā)泡混凝土的制備提供重要的理論與技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

礦渣：試驗(yàn)過(guò)程中所需的礦渣均來(lái)自什邡市海宏礦渣粉有限公司，其主要化學(xué)成分及力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1 與表2。

表1 礦渣的化學(xué)組成成分

表2 礦渣的力學(xué)參數(shù)

氫氧化鈉（分析純），購(gòu)自吉林昊迪試劑經(jīng)銷有限責(zé)任公司；水玻璃（工業(yè)純），購(gòu)自聊城市邦拓物資有限公司；雙氧水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，市售）；茶皂素（工業(yè)級(jí)），購(gòu)自湖南朗林生物資源股份有限公司；動(dòng)物蛋白（工業(yè)級(jí)），購(gòu)自卡梅德生物科技有限公司；硬脂酸鈣（工業(yè)級(jí)），購(gòu)自青島賽諾新材料有限公司；二氧化錳（分析純），購(gòu)自湘潭邁恩工貿(mào)有限公司。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試方法

1.2.1 表面張力的測(cè)試

溶液的表面張力測(cè)試采用的是德國(guó)KRUSS-100 型表面張力儀，其中樣品測(cè)試3 次，然后取平均值。

1.2.2 泡沫完整性測(cè)試

先按照一定的配比在發(fā)泡桶里配置一定比例的水玻璃溶液，并加入穩(wěn)泡劑，然后在攪拌器下攪拌2min，攪拌后添加雙氧水。當(dāng)溶液的氣泡不再變化時(shí)，記錄發(fā)泡的體積，等待1h 后，重新記錄溶液的發(fā)泡高度，由此可計(jì)算出泡沫的完整性。

1.2.3 強(qiáng)度測(cè)試

強(qiáng)度測(cè)試與干密度測(cè)試：試件28d 抗壓強(qiáng)度與干密度按照標(biāo)準(zhǔn)《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》（GB/T 5486—2008）進(jìn)行測(cè)試。

1.2.4 孔隙測(cè)試

采用型號(hào)為TM3030 的電子顯微鏡對(duì)發(fā)泡混凝土進(jìn)行微觀表征分析，同時(shí)進(jìn)一步借助圖像處理軟件進(jìn)行孔隙分析。

1.3 礦渣發(fā)泡混凝土試件制作

將礦渣、水玻璃、氫氧化鈉、二氧化錳和穩(wěn)泡劑按照一定比例稱量，放入水泥攪拌器中攪拌2min，使其充分混合。然后將雙氧水加入攪拌器中繼續(xù)攪拌1min，最后將漿液分別置于50mm×50mm×50mm 的模具中，等待1d 后將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其試驗(yàn)配比見(jiàn)表3。

表3 礦渣發(fā)泡混凝土的組成

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫完整性評(píng)價(jià)

溶液中的泡沫完整性對(duì)發(fā)泡混凝土的性能有重要影響，而表面張力又是影響溶液泡沫完整性的重要因素。本節(jié)對(duì)3種不同的穩(wěn)泡劑分別進(jìn)行了測(cè)試，其各溶液的表面張力值如圖1 所示。

圖1 不同穩(wěn)泡劑與溶液表面張力之間的關(guān)系

由圖1 可以看出，使用同一種穩(wěn)泡劑時(shí)，隨著穩(wěn)泡劑含量的增加，其溶液的表面張力越來(lái)越小。但當(dāng)摻入量達(dá)到0.06%時(shí)，表面張力基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，可以看出不同穩(wěn)泡劑表現(xiàn)出的活性具有顯著差異，其穩(wěn)定性順序依次為動(dòng)物蛋白＞硬脂酸鈣＞茶皂素。

試驗(yàn)通過(guò)氣泡的消泡高度測(cè)試了泡沫的穩(wěn)定性能，在溶液中摻入一定量的雙氧水后，其不同活性劑的發(fā)泡性能見(jiàn)表4。

表4 不同穩(wěn)泡劑起泡性能對(duì)比

由表4 可以看出，隨著穩(wěn)泡劑摻入量的增大，泡沫的起泡量與其成正比例函數(shù)關(guān)系。對(duì)比3 種穩(wěn)泡劑可以明顯看出，添加硬脂酸鈣時(shí)，溶液基本未起泡；添加動(dòng)物蛋白時(shí)，其泡沫初始高度差最小，這也表明3 種穩(wěn)泡劑中動(dòng)物蛋白的穩(wěn)泡性能最佳。原因如下：一方面是因?yàn)閯?dòng)物蛋白中含有豐富的蛋白質(zhì)，其在水解過(guò)程中分子量較大，會(huì)使溶液變得黏稠；另一方面，動(dòng)物蛋白中分子之間具有強(qiáng)相互作用，該作用能夠在溶液表面形成一層保護(hù)膜，進(jìn)一步保護(hù)氣泡不被破壞。綜上所述，對(duì)3 種不同穩(wěn)泡劑發(fā)泡性能的對(duì)比可知，動(dòng)物蛋白具有良好的穩(wěn)泡性能[5]。

2.2 溫度對(duì)制備礦渣基發(fā)泡混凝土的影響

有研究者發(fā)現(xiàn)，在制備試件的過(guò)程中，溫度對(duì)發(fā)泡混凝土具有一定影響，發(fā)泡的體積往往會(huì)隨溫度的變化而變化。該文針對(duì)溫度變化的情況，將動(dòng)物蛋白作為穩(wěn)泡劑進(jìn)行穩(wěn)泡，詳細(xì)記錄了發(fā)泡過(guò)程中混凝土體積的變化，其變化趨勢(shì)如圖2 所示。

圖2 發(fā)泡混凝土體積與溫度之間的關(guān)系

由圖2 可以看出，發(fā)泡混凝土的體積隨溫度的升高而增加，但當(dāng)溫度超過(guò)50℃時(shí)，其發(fā)泡高度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。主要原因是溫度的升高會(huì)加快雙氧水的分解，導(dǎo)致溶液的流動(dòng)性能降低，進(jìn)而阻礙了混凝土的進(jìn)一步膨脹。

圖3 測(cè)試了不同的反應(yīng)溫度下混凝土密度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著反應(yīng)溫度的升高，其密度先表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，當(dāng)溫度為50℃時(shí)，密度達(dá)到最低值，最低密度約為410kg/m3。但隨著溫度的繼續(xù)升高，密度開(kāi)始增大。

圖3 不同反應(yīng)溫度與混凝土密度之間的關(guān)系

2.3 催化劑對(duì)礦渣基發(fā)泡混凝土的影響

不同摻量的催化劑（二氧化錳）對(duì)發(fā)泡混凝土發(fā)泡量的影響如圖4 所示。摻入二氧化錳后，其發(fā)泡量在60min內(nèi)達(dá)到了600mL。當(dāng)二氧化錳摻量為1%時(shí)，其發(fā)泡量達(dá)到最佳值。繼續(xù)增加催化劑的摻入量時(shí)，混凝土的發(fā)泡量開(kāi)始出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。此外，該文還研究分析了二氧化錳不同摻入量時(shí)的密度變化情況，與上述分析的情況相似，進(jìn)一步證實(shí)了當(dāng)催化劑含量在1%時(shí)，溶液狀態(tài)最佳。

2.4 發(fā)泡混凝土力學(xué)性能研究

該文在最佳反應(yīng)溫度（50℃）條件下制備了多組混凝土試件，并在此條件下進(jìn)行了混凝土力學(xué)性能的研究，主要分析了穩(wěn)泡劑的種類和催化劑的摻量對(duì)混凝土性能的影響。結(jié)果顯示，隨著穩(wěn)泡劑含量的增加，混凝土的密度呈下降的趨勢(shì)，這證實(shí)了與增加穩(wěn)泡劑發(fā)泡量的關(guān)系是一致的。當(dāng)摻入動(dòng)物蛋白和硬脂酸鈣時(shí)，混凝土的密度會(huì)降到300kg/m3以下。穩(wěn)泡劑對(duì)密度和泡沫穩(wěn)定性的影響是一致的，泡沫穩(wěn)定性越好，制備的礦渣發(fā)泡混凝土的密度就越小，表明動(dòng)物蛋白對(duì)礦渣發(fā)泡混凝土的密度、穩(wěn)泡性都具有積極作用。表5 顯示了不同穩(wěn)泡劑、混凝土密度與混凝土抗壓強(qiáng)度三者之間的關(guān)系。研究表明，隨著混凝土密度的下降，混凝土的抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。動(dòng)物蛋白制備的混凝土試件的密度相對(duì)降低，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度也是最低的。茶皂素制備的發(fā)泡混凝土密度最高，對(duì)應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)度也是最高的。硬脂酸鈣制備的發(fā)泡混凝土強(qiáng)度與密度介于兩者之間。氣泡的穩(wěn)定性通常會(huì)影響混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，動(dòng)物蛋白所產(chǎn)生的泡沫量是最多、最穩(wěn)定的，導(dǎo)致了用動(dòng)物蛋白制備發(fā)泡混凝土試件的強(qiáng)度最低。影響發(fā)泡混凝土抗壓強(qiáng)度的因素除了本身密度之外，泡沫的穩(wěn)定性也是一個(gè)重要因素。該文中采用的動(dòng)物蛋白制備的發(fā)泡混凝土密度最低值為250kg/m3，其強(qiáng)度為0.2MPa。此類混凝土可應(yīng)用于墻體保溫領(lǐng)域，同時(shí)也具有防火功能。

表5 密度與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

2.5 孔隙測(cè)試分析

該文用電子顯微鏡對(duì)發(fā)泡混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試，然后用孔結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。動(dòng)物蛋白含量為0.05%下的掃描電鏡圖片如圖5 所示?？梢钥闯?，混凝土的孔結(jié)構(gòu)較均勻，氣泡的大小也相對(duì)較均勻并且可以看出孔的數(shù)量較多，這與前文所得結(jié)論是一致的。動(dòng)物蛋白制備的發(fā)泡混凝土孔參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表6。從表6 可以看出，所制備的發(fā)泡混凝土的平均孔隙面積為1.89mm2，平均孔徑為1.56mm，這也進(jìn)一步證實(shí)了其具有較大的孔面積，與其具有的較低的抗壓強(qiáng)度是吻合的。

圖5 發(fā)泡混凝土SEM 分析

表6 動(dòng)物蛋白制備的發(fā)泡混凝土孔參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

該文采用化學(xué)法制備了礦渣基發(fā)泡混凝土，得出如下結(jié)論：1）溶液泡沫完整性對(duì)發(fā)泡混凝土制品的性能有重要影響，動(dòng)物蛋白對(duì)發(fā)泡混凝土泡沫穩(wěn)定性的影響最小，其次是硬脂酸鈣，茶皂素影響最大。2）通過(guò)調(diào)整溶液體系的反應(yīng)溫度并加入合適的催化劑，能夠有效控制混凝土發(fā)泡量及密度。當(dāng)反應(yīng)溫度為50℃、二氧化錳催化劑的含量為1%時(shí)，所制備的發(fā)泡混凝土的密度最低，其最低密度為250kg/m3。3）隨著催化劑摻量的增多，混凝土的密度也隨之下降，密度與強(qiáng)度之間呈正比例關(guān)系。當(dāng)二氧化錳催化劑的含量為1%時(shí)，其制備的混凝土密度最低為250kg/m3，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度為0.2MPa。