穩(wěn)泡劑對低密度堿礦渣泡沫混凝土基本性能的影響

李凌峰，李建林，張智強

（1.重慶市南川區(qū)規(guī)劃研究服務中心，重慶 408400；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；3.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045）

0 引 言

泡沫混凝土具有質(zhì)輕、保溫隔熱、耐火、隔聲減震等優(yōu)異性能，已在建設工程領域中得到較為廣泛的應用。以堿礦渣作為膠凝材料制備的堿礦渣泡沫混凝土具備能耗少、低水化熱、高早期強度、抗凍、抗侵蝕性良好等優(yōu)勢[1-3]，是一種新型低碳節(jié)能材料。目前，制備干密度低于300 kg/m3的堿礦渣泡沫混凝土成為該領域研究熱點。陳飛屹[4]系統(tǒng)研究了穩(wěn)泡劑、水膠比、堿當量等因素對堿礦渣泡沫混凝土基本性能的影響，結(jié)果表明，當水膠比為0.55，堿當量為7%，水玻璃模數(shù)為1.2 時制備的堿礦渣泡沫混凝土的性能最好。Hajimohammadi 等[5]采用3 種不同的混合配方，研究了堿反應對堿激發(fā)泡沫混凝土孔徑分布及其均勻性和密度的影響，通過優(yōu)化配合比提升了其性能。嵇鷹等[6]研究了基體強度和孔結(jié)構(gòu)對堿礦渣泡沫混凝土性能的影響，研究表明，孔結(jié)構(gòu)是影響低密度堿礦渣泡沫混凝土性能的主要因素，通過優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)提高了保留基底強度的能力，改善了低密度堿礦渣泡沫混凝土的性能。He 等[7]研究了AOS、K12、AES 三種發(fā)泡劑在堿礦渣水泥漿體中的發(fā)泡性能，得出AOS 發(fā)泡劑用于制備堿礦渣泡沫混凝土性能最優(yōu)。閆秋會等[8]采用十二烷基硫酸鈉與動物蛋白發(fā)泡劑以一定比例復配制得復合發(fā)泡劑，制備的泡沫混凝土試塊的各項性能比同等密度下用其他方法制得的試塊更優(yōu)。Zhu 等[9]用陰離子表面活性劑作為發(fā)泡劑，用黃原膠作為泡沫穩(wěn)定劑，可以降低泡沫混凝土的孔隙連接比，對泡沫混凝土的吸水率、保溫性能和耐久性能都有很好的改善。

穩(wěn)泡劑是影響泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)及性能的關鍵組分。目前關于穩(wěn)泡劑采用物理發(fā)泡制備泡沫混凝土的研究較多，而有關穩(wěn)泡劑采用化學發(fā)泡制備泡沫混凝土的研究較少。有研究表明[10-12]，植物蛋白、茶皂素、硬脂酸鈣這3 種表面活性劑具有比較好的起泡性能和穩(wěn)泡性能，常被用作發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑。本文以雙氧水作為發(fā)泡劑，采用化學發(fā)泡的方式制備堿礦渣泡沫混凝土，主要研究穩(wěn)泡劑種類與摻量對穩(wěn)泡效果和堿礦渣泡沫混凝土基本物理性能的影響，并對試件的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了測試分析。

1 試 驗

1.1 原材料

礦渣：重慶鋼鐵集團有限責任公司，化學成分見表1，物理性能見表2。

表1 礦渣的主要化學成分 %

表2 礦渣的物理性能

激發(fā)劑：NaOH，分析純，成都科隆化學品有限公司；水玻璃（WG），工業(yè)純，重慶明宏化工材料有限公司，基本物質(zhì)化參數(shù)見表3。試驗前用NaOH 將水玻璃溶液的模數(shù)調(diào)至1.4。

表3 水玻璃的基本物化參數(shù)

發(fā)泡劑：雙氧水，濃度為30%，市售；穩(wěn)泡劑：茶皂素，工業(yè)級，陜西承乾生物科技有限公司；植物蛋白，工業(yè)級，市售；硬脂酸鈣，工業(yè)級，廣盈新材料（廣州）有限公司。

催化劑：二氧化錳，分析純，成都市科隆化學品有限公司生產(chǎn)。

1.2 溶液包裹氣體能力的評價方法

首先將配制好的水玻璃溶液倒入帶容量刻度的容器中，再加入穩(wěn)泡劑，之后加入發(fā)泡桶，放置在磁力攪拌器上以500 r/min 的轉(zhuǎn)速攪拌60 s，最后加入雙氧水等待發(fā)泡。當氣泡發(fā)泡到最高點時記錄發(fā)泡體積，記錄氣泡體積衰減1/2 時的時間，用于評價溶液包裹氣體的能力。

1.3 試件制備方法

將稱量好的礦渣、激發(fā)劑、催化劑以及穩(wěn)泡劑在水泥膠砂攪拌機中持續(xù)高速攪拌60 s，之后將發(fā)泡劑加入攪拌鍋中繼續(xù)保持高速攪拌15 s，最后澆筑在尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的三連模中靜停發(fā)泡，并于3 d 后脫模，隨即將試件移至標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至規(guī)定齡期備用。

1.4 性能測試方法

抗壓強度：按照GB/T 5486—2008《無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》進行測試，試件尺寸為100 mm×100 mm×30 mm，每組3 個試塊取平均值。

干密度：按照GB/T 5486—2008 進行測試。

質(zhì)量吸水率：按照GB/T 5486—2008 進行測試，試塊尺寸為40 mm×40 mm×40 mm，每組3 個試塊取平均值。

孔結(jié)構(gòu)分析：采用上海韌悅電子科技有限公司的RY605 CCD 工業(yè)顯微鏡拍攝泡沫混凝土斷面，然后應用Image-Pro Plus 6.0 計算機圖像處理軟件測量孔結(jié)構(gòu)參數(shù)[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)泡劑穩(wěn)泡能力評價

化學發(fā)泡法制備泡沫混凝土的過程是依靠發(fā)泡劑的化學反應生成氣體，使溶液包裹氣體形成大量氣泡而達到發(fā)泡的效果。泡沫混凝土成型初期，漿體還未凝結(jié)沒有強度，此時泡沫混凝土的形態(tài)主要依靠泡沫支撐，若泡沫的穩(wěn)定性差，將導致氣泡破裂，會使泡沫混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)被破壞，甚至出現(xiàn)塌?，F(xiàn)象，影響泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)及性能。因此，穩(wěn)泡劑的選用十分重要。穩(wěn)泡劑對氣泡穩(wěn)定性通過發(fā)泡倍數(shù)以及氣泡半衰期來評價[14]。圖1、圖2 分別為摻入穩(wěn)泡劑的激發(fā)劑溶液中加入雙氧水后發(fā)泡體積以及氣泡半衰期。

圖1 穩(wěn)泡劑種類及摻量對溶液發(fā)泡體積的影響

圖2 穩(wěn)泡劑種類及摻量對泡沫半衰期的影響

由圖1 可見，隨著穩(wěn)泡劑摻量的增加，發(fā)泡體積越來越大，說明溶液包裹氣體的能力越來越強。3 種穩(wěn)泡劑中，摻植物蛋白的溶液發(fā)泡體積最大，摻硬脂酸鈣的溶液發(fā)泡體積最小。

由圖2 可見，摻不同穩(wěn)泡劑溶液發(fā)起的泡沫穩(wěn)定性有一定差距，植物蛋白發(fā)起的泡沫穩(wěn)定性最好，硬脂酸鈣穩(wěn)泡能力最差。有研究表明[15]，植物蛋白主要依靠水解蛋白穩(wěn)定氣泡，并且水解蛋白的分子質(zhì)量比較大，溶液也更為黏稠，制備的氣泡泡壁的液相黏度較大，液體遷移相對困難。此外，蛋白質(zhì)分子之間還可通過羥基、羧基、氨基等基團形成氫鍵，強烈的氫鍵作用可形成保護膜，使氣泡液膜的強度增加，促進了氣泡的形成與穩(wěn)定。因此，蛋白質(zhì)類表面活性劑制備的氣泡表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性[16-17]。但有研究表明，硬脂酸鈣能使氣泡不溶于水，可提高泡沫液膜的彈性和機械強度，使液膜能夠更好地經(jīng)受外力而不破裂[18]。

2.2 單摻穩(wěn)泡劑對泡沫混凝土基本物理性能的影響

試驗研究了單摻茶皂素、植物蛋白、硬脂酸鈣3 種穩(wěn)泡劑對堿礦渣泡沫混凝土干密度、抗壓強度、質(zhì)量吸水率的影響，試驗配合比見表4，結(jié)果見圖3~圖5。

圖3 穩(wěn)泡劑摻量對堿礦渣泡沫混凝土干密度的影響

表4 單摻穩(wěn)泡劑堿礦渣泡沫混凝土試件配合比

由圖3 可見，堿礦渣泡沫混凝土的干密度隨著穩(wěn)泡劑摻量的增加而降低，這是因為增加穩(wěn)泡劑的摻量使溶液包裹氣體的能力增強，更多的氣體被包裹在漿體中。不同穩(wěn)泡劑對泡沫混凝土的干密度影響程度不同，從試驗結(jié)果來看，植物蛋白對堿礦渣泡沫混凝土的干密度降低效果最好，硬脂酸鈣效果最差。摻茶皂素制備的試件密度最低可降至265 kg/m3，而摻植物蛋白制備的試件最低干密度可達到235 kg/m3。摻硬脂酸鈣的試件干密度明顯高于另外2 種穩(wěn)泡劑制備的試件，用其作為穩(wěn)泡劑制備試件的最低干密度為425 kg/m3，這與研究得到的硬脂酸鈣發(fā)泡效果不好的結(jié)論相吻合。

由圖4 可見，堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強度隨著干密度的減小而下降。在同一密度等級下?lián)街参锏鞍字苽涞呐菽炷恋目箟簭姸雀哂趽讲柙硭氐?，當干密度?70 kg/m3左右時，摻茶皂素的泡沫混凝土抗壓強度為0.10 MPa，而摻植物蛋白的泡沫混凝土抗壓強度為0.26 MPa。當摻植物蛋白的泡沫混凝土的干密度最低時，其抗壓強度為0.14 MPa。從上述對溶液包裹氣體能力的研究結(jié)果來看，摻茶皂素的氣泡穩(wěn)定性弱于摻植物蛋白的，氣泡穩(wěn)定性直接影響泡沫混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而影響泡沫混凝土的強度。由此可見，氣泡的穩(wěn)定性是影響泡沫混凝土強度的重要因素，本試驗中摻植物蛋白時氣泡穩(wěn)定性優(yōu)于摻茶皂素，所以在同一密度等級下?lián)街参锏鞍椎呐菽炷量箟簭姸纫哺摺?/p>

圖4 堿礦渣泡沫混凝土干密度與抗壓強度的關系

由圖5 可見，隨著堿礦渣泡沫混凝土干密度的增大，其質(zhì)量吸水率逐步減小。摻植物蛋白的泡沫混凝土質(zhì)量吸水率比摻茶皂素的更小。當摻植物蛋白穩(wěn)泡劑制備的干密度為235 kg/m3的泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率為62%，而摻茶皂素穩(wěn)泡劑制備的干密度為265 kg/m3的泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率為75%。雖然硬脂酸鈣穩(wěn)泡劑制備的泡沫混凝土的密度整體較高，但是在同一密度等級下，植物蛋白穩(wěn)泡劑制備的泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率更小。泡沫混凝土的質(zhì)量吸水越小，表示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)越好，連通孔少。以上測試結(jié)果說明，摻植物蛋白比摻茶皂素和硬脂酸鈣的泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)更優(yōu)。

圖5 堿礦渣泡沫混凝土干密度與質(zhì)量吸水率的關系

2.3 復摻穩(wěn)泡劑對泡沫混凝土基本物理性能的影響

有研究表明[19]，單摻硬脂酸鈣時的發(fā)泡效果不好，但與其他穩(wěn)泡劑復摻后對氣泡穩(wěn)定性的提升效果較好。故本試驗采用植物蛋白與硬脂酸鈣復摻，固定植物蛋白的摻量為0.060%，依次增加硬脂酸鈣的摻量，試驗配合比見表5，所制備堿礦渣泡沫混凝土的基本物理性能測試結(jié)果分別見圖6、表6。

圖6 復摻硬脂酸鈣摻量對堿礦渣泡沫混凝土干密度和抗壓強度的影響

表5 復摻穩(wěn)泡劑堿礦渣泡沫混凝土制備試件配合比

表6 復摻硬脂酸鈣對堿礦渣泡沫混凝土質(zhì)量吸水率的影響

由圖6 可見，植物蛋白摻量保持0.060%不變，隨著硬脂酸鈣摻量增加，試件的干密度幾乎沒有改變，穩(wěn)定在235 kg/m3左右；而抗壓強度明顯提高，在硬脂酸鈣摻量為0.060%時達到最大值，為0.21 MPa，相較于單摻0.06%植物蛋白時，抗壓強度提高了50%。由此可見，復摻硬脂酸鈣穩(wěn)泡劑后堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強度有顯著提高。

由表6 可見，隨著復摻硬脂酸鈣摻量的增加，泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率逐漸減小，復摻0.060%硬脂酸鈣后泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率為56%，同一密度等級下單摻0.060%植物蛋白不復摻硬脂酸鈣時試件的質(zhì)量吸水率為62%，可見復摻硬脂酸鈣降低了泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率，制備的泡沫混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更好，連通孔的數(shù)量減少，質(zhì)量吸水率減小。

2.4 孔結(jié)構(gòu)分析

泡沫混凝土最大的特征是內(nèi)部具有大量氣孔，孔的大小、形狀以及孔徑分布都影響著泡沫混凝土的性能[20-21]。不同穩(wěn)泡劑種類及摻量的試件孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見表7，斷面照片見圖7。

圖7 泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的照片

表7 不同穩(wěn)泡劑種類及摻量時堿礦渣泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

由表7 和圖7 可知，對比試件1-1 和1-4，植物蛋白摻量為0.015%時制備的堿礦渣泡沫混凝土的孔徑比植物蛋白摻量為0.060%時的孔徑更大，圓度更小，氣孔壁更厚。對比試件1-4、1-8 以及1-12 可知，不同種類穩(wěn)泡劑對堿礦渣泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)影響顯著，硬脂酸鈣為穩(wěn)泡劑制備的泡沫混凝土的孔最大，圓度最小，但是其干密度最大，植物蛋白和茶皂素為穩(wěn)泡劑制備的試件密度相差不大，但是植物蛋白為穩(wěn)泡劑制備的試件氣孔形態(tài)更清晰，孔的圓度更小，說明其孔結(jié)構(gòu)保留得更好，對應植物蛋白為穩(wěn)泡劑制備的試件性能也更好。對比試件1-4 和2-4 可知，同樣是摻入0.060%的植物蛋白，試件2-4 復摻了0.060%的硬脂酸鈣，其孔形態(tài)明顯變得更清晰，孔也變得更大，圓度也更小，這說明復摻硬脂酸鈣明顯改善了堿礦渣泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而也使試件的物理力學性能得到了提高。

3 結(jié) 論

（1）以雙氧水為發(fā)泡劑，在堿激發(fā)劑為水玻璃-NaOH 的溶液中，分別摻入植物蛋白、茶皂素和硬脂酸鈣穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡效果為：植物蛋白最好，茶皂素略差，硬脂酸鈣最差。

（2）在其他條件相同時，分別單摻植物蛋白、茶皂素和硬脂酸鈣3 種穩(wěn)泡劑的情況下，單摻植物蛋白制備的堿礦渣泡沫混凝土試件的各項基本物理性能均最好，干密度為235 kg/m3，抗壓強度為0.14 MPa，質(zhì)量吸水率為62%；植物蛋白復摻0.060%的硬脂酸鈣后，同密度等級下的試件抗壓強度提高到0.21 MPa，質(zhì)量吸水率降低至56%。

（3）同密度等級下，植物蛋白作穩(wěn)泡劑比茶皂素作穩(wěn)泡劑制備試件的孔結(jié)構(gòu)形態(tài)更清晰，平均孔徑更大，孔壁更厚，圓度也更小。復摻硬脂酸鈣穩(wěn)泡劑后使試件的孔結(jié)構(gòu)得到了進一步優(yōu)化。