輕質(zhì)泡沫混凝土泡沫劑的性能優(yōu)選與配比試驗(yàn)研究

周宇航 羅如平 朱碧堂 李青強(qiáng) 余金 梁啟帆 胡揚(yáng)揚(yáng)

摘要： 【目的】研究輕質(zhì)泡沫混凝土泡沫劑及其溶液的優(yōu)選、最優(yōu)配比?！痉椒ā客ㄟ^對幾種典型泡沫劑的表面張力、發(fā)泡倍率、半衰期以及所產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性開展系統(tǒng)性試驗(yàn)研究為方法，提出了優(yōu)選泡沫劑的性能指標(biāo)及其濃度值。在此基礎(chǔ)上，以C40水泥土配合比為參照，將制備好的泡沫與C40水泥漿液按照不同的注入體積比進(jìn)行混合，測定其干、濕重度，確定不同設(shè)計(jì)重度條件下輕質(zhì)泡沫混凝土配比方案。進(jìn)一步，分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測定不同重度條件下輕質(zhì)泡沫混凝土試塊抗壓強(qiáng)度值和電鏡掃描試驗(yàn)了解其微觀結(jié)構(gòu)組成。【結(jié)果】試驗(yàn)結(jié)果表明：不同類型泡沫劑最優(yōu)濃度約為3%，發(fā)泡倍率為25，表面張力32 mN/m，半衰期為15 min；輕質(zhì)泡沫混凝土的密度和強(qiáng)度隨泡沫注入率的增加顯著降低，相應(yīng)氣泡群量含量和氣孔大小離散性明顯增大?！窘Y(jié)論】輕質(zhì)泡沫混凝土干密度與注入率呈衰減型指數(shù)關(guān)系，無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度與輕質(zhì)泡沫混凝土干密度近似呈非平緩遞增型指數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：輕質(zhì)泡沫混凝土；泡沫劑；最優(yōu)濃度；配比試驗(yàn)；經(jīng)驗(yàn)公式；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU52；U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-0523（2024）02-0041-07

Comparison Tests on the Performance of Foam Agents and Mixture Proportion Tests of Light Weight Foam Concrete

Zhou Yuhang1，2， Luo Ruping1，2， Zhu Bitang1，2， Li Qingqiang1，2， Yu Jin3， Liang Qifan1，2， Hu Yangyang1，2

（1. School of Civil Engineering and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China;

2. Engineering R&D Centre for Underground Technology of Jiangxi Province， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China; 3. Department of Architectural Engineering， Jiangxi Water Resources Institute， Nanchang 330013， China）

Abstract： 【Objective】 Study on the optimization of foam agent and its solution and the optimal proportion. 【Method】 Through systematic experimental research on the research methods of surface tension，foaming ratio， half-life and stability of foam produced by several typical foam agents， the performance index and concentration value of foam agent for optimization were proposed. On this basis， with the C40 cement soil mix ratio as a reference， the prepared foam and C40 cement slurry are mixed according to different injection volume ratios， their dry and wet weight are measured， and the proportioning scheme of lightweight foam concrete under different design weight conditions is determined. Further， unconfined compressive strength tests were conducted to determine the compressive strength of lightweight foam concrete test blocks under different gravity conditions，and electron microscope scanning tests were conducted to understand their microstructure. 【Result】The results showed that the optimal concentration of different types of foam agents was about 3%， the foaming ratio was 25，the surface tension was 32 mN/m， and the half-life was 15 minutes; The density and strength of lightweight foam concrete decrease significantly with the increase of foam injection rate，and the corresponding bubble group content and pore size dispersion increase significantly. 【Conclusion】Dry density of lightweight foam concrete and the injection rate are in an exponential relationship of attenuation type， and the unconfined uniaxial compressive strength and the dry density of lightweight foam concrete are approximately in an exponential relationship of non gentle increase type.

Key words： lightweight foam concrete; foaming agent; optimal concentration; mixture proportion tests; empirical formula; microstructure

Citation format： ZHOU Y H， LUO R P， ZHU B T， et al. Comparison tests on the performance of foam agents and mixture proportion tests of light weight foam concrete[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（2）： 41-47.

【研究意義】出于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保密需要，泡沫劑廠家往往避免公開其泡沫劑溶液的物理性質(zhì)，導(dǎo)致在輕質(zhì)泡沫混凝土制備過程中盲目選擇泡沫劑及其發(fā)泡溶液濃度。在實(shí)際施工過程中存在輕質(zhì)泡沫混凝土密度過大、強(qiáng)度過低、質(zhì)量不過關(guān)及配合比不明確等問題，對輕質(zhì)泡沫混凝土在工程建設(shè)和質(zhì)量管控方面產(chǎn)生了許多阻礙，該研究有助于解決這一行業(yè)痛點(diǎn)。

【研究進(jìn)展】近年來，輕質(zhì)泡沫混凝土在建筑及巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究取得了進(jìn)展。張新全等[1]研究了泡沫劑的半衰期、發(fā)泡倍率、表面張力等性能，為土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫劑的選擇提供了一定的參考依據(jù)。王其偉等[2]通過泡沫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，研究了不同種類的泡沫穩(wěn)定性物質(zhì)對幾種泡沫劑穩(wěn)定性的影響，初步確定了幾種具有明顯改進(jìn)泡沫穩(wěn)定性的物質(zhì)。李明等［3］以西部某鐵路高填明洞二次回填工程為依托，采用輕質(zhì)泡沫混凝土作為回填材料，減輕隧道頂面二次回填對既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次生應(yīng)力甚至破壞。

由于在輕質(zhì)泡沫混凝土實(shí)際工程應(yīng)用中離不開其各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)，于是許多學(xué)者在輕質(zhì)泡沫混凝土的密度及強(qiáng)度特性方面也進(jìn)行了研究。李應(yīng)權(quán)等[4]對輕質(zhì)泡沫混凝土配比進(jìn)行了200～500 kg/m?的設(shè)計(jì)。張亞梅等[5]對不同密度等級輕質(zhì)泡沫混凝土的性能和孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，表明密度低于600 kg/m?的輕質(zhì)泡沫混凝土內(nèi)部孔隙分布不均，試件表面的大孔較多，這是由于漿體與泡沫的體積比過低、漿體無法均勻地包裹在泡沫表面所致。方永浩等[6]研究了水泥-粉煤灰輕質(zhì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度與氣孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系，粉煤灰取代水泥雖然會(huì)降低輕質(zhì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，但其影響程度隨輕質(zhì)泡沫混凝土氣孔率的增大而減小。

【創(chuàng)新特色】鑒于此，本文旨在研究輕質(zhì)泡沫混凝土的最優(yōu)泡沫參數(shù)以及密度配方，了解其微觀結(jié)構(gòu)?！娟P(guān)鍵問題】并對其進(jìn)行一系列無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)分析，確定不同重度條件下輕質(zhì)泡沫混凝土配比方案及其對應(yīng)的強(qiáng)度特性，為輕質(zhì)泡沫混凝土在工程中的應(yīng)用提供參考。

1 泡沫劑性能優(yōu)選試驗(yàn)

1.1 泡沫制備裝置

為了便于對目標(biāo)試件制備原料泡沫開展系統(tǒng)性試驗(yàn)研究，特研制一套發(fā)泡裝置系統(tǒng)，如圖1所示。發(fā)泡裝置系統(tǒng)工作原理如下：

每一條輸液管道均含有一個(gè)止水開關(guān)，泡沫原液箱和水箱分別在氣動(dòng)隔膜泵和壓力泵的作用下通過DN20電磁流量計(jì)，最后與空氣壓縮機(jī)提供的壓縮空氣在泡沫發(fā)射器中匯合并發(fā)生分散，最后輸出泡沫?？諝鈮嚎s機(jī)的氣壓范圍為0～0.8 MPa[7]。

1.2 表面張力性能測試

試驗(yàn)過程中配置濃度分別為0.01%～5%的泡沫劑溶液，并取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的蒸餾水作為空白對照組。采用表面張力儀分別對其進(jìn)行測定，得到不同濃度泡沫劑溶液下的表面張力值。

如圖2為不同濃度條件下泡沫劑溶液表面張力變化曲線，從圖中可以看出：

1） 由于用MC-200A界面張力儀在室溫條件下測得純凈水的表面張力約為71 mN/m（圖中用0.001%表示純凈水），和理想環(huán)境下純凈水的理論表面張力72.8 mN/m十分接近，證明采用MC-200A界面張力儀可以精準(zhǔn)測定泡沫劑溶液表面張力；

2） 往純水中加入0.01%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的泡沫劑后兩種溶液表面張力分別急劇降低至53 mN/m和48 mN/m，純水表面張力對表面活性劑非常敏感；

3） 繼續(xù)往溶液中添加泡沫劑至質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.05%時(shí)，兩種泡沫劑溶液表面張力進(jìn)一步降低至32 mN/m；而后泡沫劑溶液的表面張力降低速率隨泡沫劑溶液增加而變緩，溶液中的表面活性分子會(huì)逐漸形成膠束，我們將此時(shí)的濃度稱之為臨界膠束濃度（critical micelle concentration，CMC）。且兩種泡沫劑溶液均符合此趨勢。由表面張力試驗(yàn)可以得出，合理的泡沫劑濃度約為0.05%。

1.3 穩(wěn)泡性測試

圖3為兩種泡沫劑在5種濃度梯度下，隨時(shí)間推移采用羅氏泡沫儀產(chǎn)生的泡沫體積變化情況：兩種泡沫劑溶液產(chǎn)生的泡沫體積均隨著濃度的上升而增加，且當(dāng)濃度達(dá)到3%后泡沫體積趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加濃度泡沫體積增加不明顯?？紤]到3%已經(jīng)達(dá)到泡沫劑臨界膠束濃度且相關(guān)經(jīng)濟(jì)因素，試驗(yàn)用泡沫劑的最佳配比濃度均為3%。

1.4 泡沫發(fā)泡倍率研究

當(dāng)使用泡沫與水泥漿液混合制作輕質(zhì)泡沫混凝土?xí)r，表征泡沫的主要指標(biāo)有發(fā)泡倍率和泡沫半衰期，前者代表了泡沫劑的發(fā)泡能力而后者反映了泡沫的穩(wěn)定性。發(fā)泡倍率（foam expansion ratio， Re）為單位體積的發(fā)泡劑溶液發(fā)出的泡沫體積的比值，計(jì)算如下

[Re=V1V2]? （1）

式中：[V1]為泡沫體積；[V2]為發(fā)泡劑溶液體積。

制備輕質(zhì)泡沫混凝土?xí)r，泡沫劑溶液往往需要達(dá)到良好的發(fā)泡狀態(tài)，綜合以上考慮，泡沫劑發(fā)泡倍率通常為20～30。發(fā)泡倍率通常用量筒測試。

圖4給出了兩種發(fā)泡劑在5種濃度梯度下的發(fā)泡倍率。如圖所示，兩種泡沫劑溶液的發(fā)泡倍率隨著泡沫劑溶液濃度的上升而緩慢增加，當(dāng)濃度增加到3%后，兩種泡沫劑溶液的發(fā)泡倍率均增加到最高點(diǎn)，分別為25和15；當(dāng)濃度繼續(xù)增加時(shí)，兩種發(fā)泡劑的發(fā)泡倍率均略有降低。根據(jù)此次發(fā)泡倍率測試試驗(yàn)得出，泡沫劑溶液的最優(yōu)發(fā)泡濃度為3%。

1.5 泡沫半衰期

在施工過程中，配制輕質(zhì)泡沫混凝土?xí)r需要先用發(fā)泡系統(tǒng)中制作出符合要求的泡沫，同時(shí)還需要配置好符合要求的水泥漿液之后再把二者加入攪拌機(jī)器中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?。在此過程中，伴隨著時(shí)間流逝及施工攪拌，不可避免地會(huì)使得部分泡沫發(fā)生破滅。因此，要求輕質(zhì)泡沫混凝土制作出來的質(zhì)量達(dá)標(biāo)就需要讓發(fā)出的泡沫能穩(wěn)定至與水泥漿液混合并能澆筑成型。泡沫的穩(wěn)定性決定了泡沫混凝土制備的成功與否，泡沫的穩(wěn)定性通常用半衰期表征。根據(jù)輕質(zhì)泡沫混凝土實(shí)際工程應(yīng)用，要求泡沫半衰期大于10 min。

如圖5所示，給出了兩種發(fā)泡劑溶液在不同濃度的半衰期。由圖可見，隨著兩種發(fā)泡劑溶液濃度的增大，兩種泡沫的半衰期均不斷上升，當(dāng)發(fā)泡劑濃度達(dá)到3%后，隨濃度的增加，兩種泡沫劑溶液的半衰期趨于穩(wěn)定。綜上結(jié)果表明，泡沫劑溶液的最優(yōu)發(fā)泡濃度為3%，半衰期約15 min。

如圖6所示，顯示了泡沫從剛制備裝樣到經(jīng)歷120 min時(shí)間內(nèi)的破滅情況?？梢娕菽谇? min基本無變化而后30 min以減小泡沫綿密程度的形式衰落，30 min后泡沫體積逐漸減少。

綜合以上各項(xiàng)指標(biāo)對不同濃度泡沫劑溶液進(jìn)行試驗(yàn)分析，可以得出對于不同的泡沫劑溶液均有最優(yōu)濃度3%。并最終根據(jù)實(shí)際施工需求對比確定泡沫參數(shù)如下：濃縮型泡沫劑溶液濃度為3%，發(fā)泡倍率為25，表面張力為32 mN/m，半衰期為15 min。

2 輕質(zhì)泡沫混凝土配比試驗(yàn)

2.1 試件制備與養(yǎng)護(hù)

采用自主設(shè)計(jì)的發(fā)泡裝置實(shí)現(xiàn)了不同發(fā)泡倍率的泡沫制備，在確定好最優(yōu)的泡沫之后將泡沫注入至配好的水泥漿液中，充分?jǐn)嚢杓纯芍苽涑瞿繕?biāo)條件的輕質(zhì)泡沫混凝土試件[8]。

將制備好的輕質(zhì)泡沫混凝土填料注入立方鋼模（100 mm×100 mm×100 mm），并為保證試件表面平整，填料澆筑需略高?？?；同時(shí)為了防止試件損失水分而導(dǎo)致試件干縮，用保鮮膜覆蓋在試件表面上并自然養(yǎng)護(hù)48 h后脫模，脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d。

因?yàn)檩p質(zhì)泡沫混凝土具有大量封閉孔隙，水分易損失，導(dǎo)致輕質(zhì)泡沫混凝土存在自發(fā)式干燥收縮，因此造成很多輕質(zhì)泡沫混凝土在早期發(fā)生開裂[9-10]。

為減少早期開裂，在澆筑后定期在試件表面澆水來避免其干燥收縮。

2.2 輕質(zhì)泡沫混凝土配比試驗(yàn)

輕質(zhì)泡沫混凝土的原料為水泥、發(fā)泡劑和水，由于泡沫質(zhì)量不方便測量，泡沫與水泥漿液混合后是以體積的方式呈現(xiàn)的。根據(jù)《泡沫混凝土》（JG/T 266—2011），下面特以體積作為各配料的計(jì)量單位而非質(zhì)量，通過不斷調(diào)試，本文確定了14組的輕質(zhì)泡沫混凝土配合比方案，如表1所示，表中初始水泥漿液體積均為7 200 mL。水泥采用海螺牌水泥，發(fā)泡劑采用明潔濃縮型泡沫劑，水采用自來水，并且水泥漿液按照C40水泥土配方調(diào)配而成（水灰比0.4）。

并以泡沫注入率（foam injection rate，RI）來表征將泡沫混合入水泥漿液的一個(gè)值，即[RI=][VfoamVcement grouting×100%]。根據(jù)以下數(shù)據(jù)可以看出，通過改變輕質(zhì)泡沫混凝土的泡沫摻入比可以明顯改變泡沫輕質(zhì)土的干濕密度。此輕質(zhì)泡沫混凝土在剛剛開始摻入泡沫時(shí)密度下降明顯，在注入率達(dá)到200%后變化平緩并逐漸趨于穩(wěn)定至0.4～0.3 kg/m?左右。根據(jù)圖7試驗(yàn)結(jié)果可以得出：

1） 此輕質(zhì)泡沫混凝土在[RI]達(dá)到1之前密度降低速率明顯，而后干密度減少速率隨[RI]增大慢慢減小；

2） 輕質(zhì)泡沫混凝土干密度與注入比呈衰減型指數(shù)曲線。

本文提出了一種通過泡沫注入比[RI]確定輕質(zhì)泡沫混凝土干密度[ρ]的經(jīng)驗(yàn)公式，即

[ρ=780×RI-0.52] （2）

從圖7實(shí)測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式曲線擬合效果來看，所提出的經(jīng)驗(yàn)公式能較為準(zhǔn)確地反映輕質(zhì)泡沫混凝土密度隨注入比[RI]的變化特性。

2.3 輕質(zhì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度研究

分別選取各組中3塊養(yǎng)護(hù)28 d后的輕質(zhì)泡沫混凝土立方體試樣共計(jì)14組。采用萬能試驗(yàn)機(jī)來測定輕質(zhì)泡沫混凝土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。從圖8可以看出。

1） 隨著泡沫的摻入，混凝土的孔隙也會(huì)增多，密度和抗壓強(qiáng)度都會(huì)變小。由于輕質(zhì)泡沫混凝土具有的許多優(yōu)良性能，可以讓它在密度處于300～400 kg/m?之間可令其作為保溫材料，在800 kg/m?左右時(shí)用作非結(jié)構(gòu)承件，而1 200 kg/m?又可作為半結(jié)構(gòu)承件，或者與其強(qiáng)度合格的材料組成裝配式復(fù)合材料，以達(dá)到保溫、輕型、高強(qiáng)度的目的。

2） 輕質(zhì)泡沫混凝土無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度與泡沫混凝土干密度近似呈非平緩遞增型指數(shù)曲線因?qū)崪y數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式曲線擬合效果高度吻合。

在此本文同樣提出通過輕質(zhì)泡沫混凝土干密度[ρ]確定輕質(zhì)泡沫混凝土無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度[σ]的經(jīng)驗(yàn)公式，即

[σ=8.02×ρ2.57]

2.4 輕質(zhì)泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)組成

為了對比不同密度等級的輕質(zhì)泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)組成，本文特選取4個(gè)密度等級的輕質(zhì)泡沫混凝土作為對照試件，對其進(jìn)行X-CT掃描，掃描結(jié)果如圖9所示。

由圖12可見，1 900 kg/m?的純水泥土密實(shí)度很高，表面基本無氣孔，密度等級為400 kg/m?的輕質(zhì)泡沫混凝土試件氣孔大小相較于其他試件離散性較大，且氣孔尺寸明顯偏大，且由圖中比例尺可見，氣孔大小為10 μm到500 μm不等，孔壁偏薄，這是因?yàn)樵谕w積輕質(zhì)泡沫混凝土的制作過程中所使用的膠凝材料較少，凝固時(shí)包裹泡沫的氣孔壁較薄。而密度等級為800，1 200 kg/m?的輕質(zhì)泡沫混凝土內(nèi)部充滿均勻的封閉孔隙，且氣孔尺寸較小，由于膠凝相較充足，形成孔壁較厚，其抗壓強(qiáng)度也較大。輕質(zhì)泡沫混凝土的密度和強(qiáng)度隨泡沫注入率的增加顯著降低，相應(yīng)氣泡群量含量明顯增大[11-12]。

3 結(jié)論

1） 通過對兩種典型泡沫劑的表面張力、發(fā)泡倍率、半衰期以及所產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性開展系統(tǒng)性試驗(yàn)研究，得出對于不同的泡沫劑溶液均擁有最優(yōu)濃度3%。

2） 通過對輕質(zhì)泡沫混凝土的定性密度研究，發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)泡沫混凝土密度與注入比呈衰減型指數(shù)曲線，提出了一種通過泡沫注入比[RI]確定輕質(zhì)泡沫混凝土密度的經(jīng)驗(yàn)公式[ρ=780×RI-0.52]。

3） 與強(qiáng)度試驗(yàn)得出輕質(zhì)泡沫混凝土無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度與泡沫混凝土干密度近似呈非平緩遞增型指數(shù)曲線，提出通過輕質(zhì)泡沫混凝土干密度ρ確定輕質(zhì)泡沫混凝土無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度[σ]的經(jīng)驗(yàn)公式[σ=8.02×ρ2.57]。

4） 通過對輕質(zhì)泡沫混凝土的電鏡掃描觀察其微觀結(jié)構(gòu)組成得知輕質(zhì)泡沫混凝土的密度和強(qiáng)度隨泡沫注入率的增加顯著降低，相應(yīng)氣泡含量明顯增大，氣孔分布逐漸分布不均勻，孔壁隨之變薄。

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第一作者：周宇航（2000—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榈罔F盾構(gòu)渣土改良及泡沫混合土。E-mail：2278830491@qq.com。

通信作者：羅如平（1989—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)榈鼗A(chǔ)及隧道。E-mail：luo.ruping@outlook.com。