不同發(fā)泡劑性能對泡沫輕質(zhì)混凝土宏觀性能的影響試驗研究

梁文浩 莫鵬 駱俊暉 李蓬偉

摘要：文章通過制備4種密度的泡沫輕質(zhì)混凝土，摻入蛋白質(zhì)型和復合型發(fā)泡劑制備的泡沫，對輕質(zhì)土試件的泡沫穩(wěn)定性、抗壓強度、流動性及體積吸水率進行了試驗研究與分析。結(jié)果表明：動物蛋白發(fā)泡劑制備的泡沫比復合型發(fā)泡劑具有更好的強度與穩(wěn)定性；在4種濕密度范圍內(nèi)，動物蛋白型泡沫輕質(zhì)土的抗壓強度較采用復合型泡沫輕質(zhì)土提升了17.5%～43.2%；發(fā)泡劑因素僅影響濕密度較高的泡沫輕質(zhì)土的流動度，動物蛋白型泡沫輕質(zhì)土因存在起到減水劑作用的疏水基團而流動度更大；高濕密度的動物蛋白型泡沫輕質(zhì)土體積吸水率穩(wěn)定值最小。

關(guān)鍵詞：輕質(zhì)土；蛋白發(fā)泡劑；復合發(fā)泡劑；宏觀性能

中圖分類號：U416.03 A 06 016 3

0 引言

泡沫輕質(zhì)土是一種新興材料，主要由膠凝材料、發(fā)泡劑及水組成，因具備良好的輕質(zhì)性、強度密度可調(diào)節(jié)性、高經(jīng)濟性等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于公路擴寬、軟基處理、管道填埋及采空區(qū)充填等領(lǐng)域［1-2］。

由于泡沫輕質(zhì)土的多孔特性，其物理力學性能受內(nèi)部孔隙影響較大，對此，國內(nèi)外學者開展了相關(guān)研究。龐超明等［3］研究表明泡沫混凝土的力學性能與其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)存在良好的相關(guān)性。李榮賀等［4］研究表明采用泡沫穩(wěn)定好的發(fā)泡劑有利于輕質(zhì)土力學性能的提升。黃儉才等［5］結(jié)合SEM分析了不同類型發(fā)泡劑對泡沫輕質(zhì)土物理力學性能的影響，結(jié)果表明動物蛋白類發(fā)泡劑制備的氣泡輕質(zhì)土具有更優(yōu)良的孔隙分布。目前常用發(fā)泡劑主要有復合類、動物植物蛋白類及松香脂類發(fā)泡劑，其中植物蛋白類和松香脂類發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)和泡沫穩(wěn)定性均較差，而動物蛋白類及復合類發(fā)泡劑則具備較好的穩(wěn)定性［6］。劉佳奇等［7］重點探討了混凝土發(fā)泡劑以及泡沫混凝土的制備工藝，對國內(nèi)外泡沫混凝土材料研究現(xiàn)狀進行了綜述，展望了混凝土發(fā)泡劑及泡沫混凝土的發(fā)展趨勢。

從上述研究可以看出，泡沫輕質(zhì)材料的性能受發(fā)泡劑種類影響而存在不同程度差異，而泡沫輕質(zhì)土材料是一種新材料，發(fā)泡劑對其性能的影響尚不明確，因此有必要開展發(fā)泡劑因素對泡沫輕質(zhì)土物理力學性能的影響研究。本文選取復合類及動物蛋白類發(fā)泡劑制備四種濕密度等級的泡沫輕質(zhì)土，研究發(fā)泡劑類型對輕質(zhì)土性能的影響，為泡沫輕質(zhì)土在充填領(lǐng)域推廣應(yīng)用提供科學依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

水泥為P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，產(chǎn)自柳州魚峰水泥廠；蛋白質(zhì)發(fā)泡劑產(chǎn)自河南洛陽海平發(fā)泡劑有限公司，經(jīng)發(fā)泡劑性能試驗，其稀釋倍數(shù)在1∶30時性能指標最佳；高分子復合發(fā)泡劑選自浙江建希有限公司，經(jīng)發(fā)泡劑性能試驗，其稀釋倍數(shù)在1∶40時性能指標最佳。

1.2 配合比

參考《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T177-2012）有關(guān)規(guī)定，本次試驗共設(shè)計了四種濕密度等級，各原材料配合比如表1所示。

1.3 試件制備及養(yǎng)護

本試驗采用物理發(fā)泡法制備泡沫輕質(zhì)土，試樣的制備流程為：按設(shè)計配合比稱取水泥、泥和水，將其加入攪拌機中混合攪拌均勻制得水泥-混合漿體；將發(fā)泡劑按最佳稀釋比例與水稀釋，利用發(fā)泡機制得泡沫，再按照配合比將相應(yīng)體積的泡沫輸送到攪拌機內(nèi)，攪拌均勻后制得泡沫輕質(zhì)土拌和物；將拌和物澆到 100 mm×100 mm×100 mm三聯(lián)立方試模中，覆膜養(yǎng)護 24 h后脫模，最后將試件裝入塑料袋中密封，儲存至環(huán)境發(fā)生器（相對濕度： 95％±3％，溫度： 22 ℃± 2 ℃）中養(yǎng)護至相應(yīng)齡期。

1.4 試驗方法

1.4.1 流動度

充填用泡沫輕質(zhì)土流動度測量參考《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T177-2012），具體如下：采用內(nèi)徑為 80 mm、高為 80 mm的圓筒進行測試，將制備好的泡沫輕質(zhì)土拌和物灌入圓筒中并緩慢提起，靜置 1 min后采用游標卡尺測量最大半徑，重復測量3次并取平均值，應(yīng)控制在160～ 200 mm。

1.4.2 泡沫穩(wěn)定性

將由不同發(fā)泡劑制備好的泡沫輸入燒杯（高度為 155 mm）中，然后將大小、直徑及重量相同的小球放在泡沫頂部，對小球在 0 min、3 min、5 min（此后每間隔 5 min記錄一次，直至到達底部）時刻的位置進行拍攝記錄。

1.4.3 無側(cè)限抗壓強度

采用華龍WAW-600微機控制電液伺服萬能試驗機，使用位移控制法，加載速率為 5 mm/min，每組做3個平行樣并取平均值作為泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度。

1.4.4 體積吸水率

測量試件在 20 ℃恒溫下浸泡于蒸餾水中 0 d、1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d、40 d、50 d、60 d后的質(zhì)量，根據(jù)體積計算出試件密度，并取三個試件計算值的平均值作為其密度。以此得到各設(shè)計濕密度下泡沫輕質(zhì)土密度及體積吸水率隨浸泡時間的變化規(guī)律。體積吸水率按式（1）計算：

VA=mi-m0ρwV0×100%（1）

式中：VA——泡沫輕質(zhì)土的體積吸水率；

V 0——試驗前泡沫輕質(zhì)土體積（m3）；

m i——浸泡i天后泡沫輕質(zhì)土質(zhì)量（kg）；

m 0——試驗前泡沫輕質(zhì)土質(zhì)量（kg）；

ρw——水密度，取 1 000 kg/m3。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 流動性能

復合發(fā)泡劑和蛋白質(zhì)發(fā)泡劑制備的泡沫輕質(zhì)土流動度測試結(jié)果如圖1所示。圖1測試結(jié)果表明，兩種泡沫輕質(zhì)土流動度均在160～ 200 mm范圍內(nèi)，符合《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T177-2012）。

由圖1可以看出，隨著濕密度的增加，復合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土流動度大致呈下降趨勢。分析認為，這是由于四種濕密度中的含量不同，在濕密度由 400 kg/m3增加至 1 100 kg/m3時，泡沫輕質(zhì)土中的泥含量由20%增加至28.6%，比表面積大，具有較強的吸水能力，故在相同水膠比下低密度的泡沫輕質(zhì)土中自由水比例較高，流動度也較高。與復合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土不同的是，蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土流動度呈增加趨勢。蛋白質(zhì)發(fā)泡劑制得的泡沫存在較多疏水基團，具有一定的減水劑作用，且在泡沫穩(wěn)定性試驗中發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫相互之間的粘滯阻力較小，較復合發(fā)泡劑泡沫更易分離，故蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土具有更大的流動度。當濕密度增加時，泡沫輕質(zhì)土中固相物質(zhì)含量增加，在漿體自重作用下氣泡易分離，不易形成團聚體，且這一因素對流動度的影響較大，因此流動度增大；相比之下，復合發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣泡直徑小、黏度大，在漿體自重下也不易分離，故在濕密度較高時復合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土的流動度仍較小。

2.2 泡沫穩(wěn)定性

分別記錄觀測小球各時刻與位置的關(guān)系，得到圖2所示下沉深度曲線。

從圖2中可以看出，在 3 min時，復合發(fā)泡劑泡沫中的小球已經(jīng)下沉至距杯頂1/3處，而蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫中的小球剛進入杯中，最終復合發(fā)泡劑和蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫到達杯底的時間分別為 12 min和 20 min；同時，小球在蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫中下沉速率更低，僅為 0.118 mm/min，而在復合發(fā)泡劑泡沫中則達 0.194 mm/min。這一結(jié)果表明，蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫相對于復合發(fā)泡劑泡沫的抗沉球能力更強，說明蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫具有更高的穩(wěn)定性，相應(yīng)的其黏度與密度也更高。分析認為，蛋白質(zhì)發(fā)泡劑的發(fā)泡實質(zhì)是蛋白質(zhì)降解，在采用物理發(fā)泡法制備泡沫時，分子量大的蛋白質(zhì)的肽鍵在高壓空氣作用下分離，形成許多小分子量的蛋白質(zhì)及較小的疏水基團，一方面降低了溶液的表面張力，另一方面分子基團之間具有氫鍵作用，形成了力學強度更高的泡沫液膜，泡壁堅韌穩(wěn)定，故蛋白質(zhì)發(fā)泡劑制備的泡沫具有更高的性能。

2.3 抗壓強度

不同濕密度（400～ 1 200 kg/m3）下復合發(fā)泡劑和蛋白質(zhì)發(fā)泡劑制備的泡沫輕質(zhì)土 28 d無側(cè)限抗壓強度對比如圖3所示。

由圖3可知，隨著濕密度的增加，復合發(fā)泡劑和蛋白質(zhì)發(fā)泡劑制備的泡沫輕質(zhì)土的抗壓強度均隨之提高，這是由于泡沫輕質(zhì)土屬于多孔材料，其力學性能的變化與內(nèi)部孔隙率密切相關(guān)。當密度較低時，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部引入了大量氣泡，導致材料內(nèi)部的固相物質(zhì)體積減小，材料部分位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，強度顯著下降；隨著密度的增大，引入的氣泡量減少，強度顯著提高。而在相同的濕密度等級下，蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土的抗壓強度較復合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土有顯著提高，且提高幅度隨著濕密度的增大而增大。在濕密度為 437.5 kg/m3時，蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土的抗壓強度比復合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土提高了 0.07 MPa，增幅為17.5%；濕密度提高至 1 170 kg/m3時，蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土的抗壓強度提高了 1.36 MPa，增幅達到了43.2%。分析認為，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強度主要取決于膠凝材料的硬化程度和內(nèi)部氣孔的質(zhì)量。對于兩種類型的泡沫輕質(zhì)土，通過微觀骨架結(jié)構(gòu)分析已表明其膠凝材料的硬化程度基本相同，因此氣孔的質(zhì)量是影響強度的關(guān)鍵因素。結(jié)合泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部氣泡的微觀分析可知，在四種濕密度下，復合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土的面積孔隙率由于氣泡顆粒膨脹而更大，而蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土的氣泡顆粒相對穩(wěn)定，面積孔隙率較低，由孔隙引起的材料應(yīng)力集中現(xiàn)象更少，故其力學性能也更好。

2.4 體積吸水率

復合發(fā)泡劑和蛋白質(zhì)發(fā)泡劑制備的泡沫輕質(zhì)土在四種濕密度等級下體積吸水率隨浸泡時間的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，泡沫輕質(zhì)土的體積吸水率隨著設(shè)計濕密度的增大而減小，其在時間上的變化過程可分為驟增期、緩增期及穩(wěn)定期三個階段。在驟增期兩種泡沫輕質(zhì)土表層及近表層的開放孔隙快速吸水，在曲線上表現(xiàn)為吸水率的顯著增加，與高濕密度（ 900 kg/m3和 1 100 kg/m3）泡沫輕質(zhì)土相比，低濕密度（ 400 kg/m3和 600 kg/m3）泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙較多，在 3 d時才進入緩增期， 40 d時達到穩(wěn)定期。另外，在低濕密度時，蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土的吸水率在各個階段均較復合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土高；在浸泡 3 d后，復合發(fā)泡劑和蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土的吸水率在 400 kg/m3和 600 kg/m3濕密度下分別為8.7%、6.0%和13.5%、6.3%，對應(yīng)的穩(wěn)定值分別為21.3%、11.4%和22.4%、12.6%。在高密度時情況有所不同，蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土的吸水率表現(xiàn)為驟增期增速較快，緩增期增速較小，且在緩增階段兩種泡沫輕質(zhì)土的吸水率變化曲線出現(xiàn)相交點，說明在此階段蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土吸水率開始小于復合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土；在濕密度為 900 kg/m3和 1 100 kg/m3時，復合發(fā)泡劑和蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土吸水率對應(yīng)穩(wěn)定值分別為10.6%、6.3%和9.8%、6.0%，表明在濕密度較高時，采用蛋白發(fā)泡劑制備的輕質(zhì)土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實，在長期浸泡環(huán)境下耐水性能更好。

3 結(jié)語

本文研究了動物蛋白發(fā)泡劑和高分子復合發(fā)泡劑制備的泡沫輕質(zhì)土的物理力學性能、微觀氣孔特征，主要得出以下結(jié)論：

（1）泡沫穩(wěn)定性試驗及微觀分析表明，與復合型發(fā)泡劑相比，動物蛋白型發(fā)泡劑產(chǎn)生的發(fā)泡性能更穩(wěn)定。

（2）采用動物蛋白發(fā)泡劑制備的泡沫輕質(zhì)土由于面積孔隙率更低，其抗壓強度較采用復合型發(fā)泡劑制備的泡沫輕質(zhì)土有顯著提升，提升幅度可達43.2%。

（3）兩種泡沫輕質(zhì)土的流動度隨濕密度變化的趨勢相反。在低濕密度時，泡沫體積分數(shù)是影響流動度的主要因素，兩種泡沫輕質(zhì)土流動性能差異不大；在濕密度較高時，蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫中存在起到減水劑作用的疏水基團，因此蛋白質(zhì)發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)土流動度更大。

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收稿日期：2022-12-20