李凌峰，李建林，張智強(qiáng)

（1.重慶市南川區(qū)規(guī)劃研究服務(wù)中心，重慶 408400；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；3.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(shè)工程領(lǐng)域中得到較為廣泛的應(yīng)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(qiáng)度、抗凍、抗侵蝕性良好等優(yōu)勢(shì)[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(lǐng)域研究熱點(diǎn)。陳飛屹[4]系統(tǒng)研究了穩(wěn)泡劑、水膠比、堿當(dāng)量等因素對(duì)堿礦渣泡沫混凝土基本性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)水膠比為0.55，堿當(dāng)量為7%，水玻璃模數(shù)為1.2 時(shí)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(yīng)對(duì)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(qiáng)度和孔結(jié)構(gòu)對(duì)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(qiáng)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(huì)等[8]采用十二烷基硫酸鈉與動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑以一定比例復(fù)配制得復(fù)合發(fā)泡劑，制備的泡沫混凝土試塊的各項(xiàng)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(duì)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(guān)鍵組分。目前關(guān)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(guān)穩(wěn)泡劑采用化學(xué)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(xué)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(duì)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(duì)試件的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試分析。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

礦渣：重慶鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，化學(xué)成分見表1，物理性能見表2。

表1 礦渣的主要化學(xué)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(xué)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(yàn)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(jí)，陜西承乾生物科技有限公司；植物蛋白，工業(yè)級(jí)，市售；硬脂酸鈣，工業(yè)級(jí)，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(xué)品有限公司生產(chǎn)。

1.2 溶液包裹氣體能力的評(píng)價(jià)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(dāng)氣泡發(fā)泡到最高點(diǎn)時(shí)記錄發(fā)泡體積，記錄氣泡體積衰減1/2 時(shí)的時(shí)間，用于評(píng)價(jià)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期備用。

1.4 性能測(cè)試方法

抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 5486—2008《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為100 mm×100 mm×30 mm，每組3 個(gè)試塊取平均值。

干密度：按照GB/T 5486—2008 進(jìn)行測(cè)試。

質(zhì)量吸水率：按照GB/T 5486—2008 進(jìn)行測(cè)試，試塊尺寸為40 mm×40 mm×40 mm，每組3 個(gè)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(yīng)用Image-Pro Plus 6.0 計(jì)算機(jī)圖像處理軟件測(cè)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(píng)價(jià)

化學(xué)發(fā)泡法制備泡沫混凝土的過程是依靠發(fā)泡劑的化學(xué)反應(yīng)生成氣體，使溶液包裹氣體形成大量氣泡而達(dá)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(qiáng)度，此時(shí)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(dǎo)致氣泡破裂，會(huì)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(duì)氣泡穩(wěn)定性通過發(fā)泡倍數(shù)以及氣泡半衰期來(lái)評(píng)價(jià)[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(duì)溶液發(fā)泡體積的影響

圖2 穩(wěn)泡劑種類及摻量對(duì)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(lái)越大，說(shuō)明溶液包裹氣體的能力越來(lái)越強(qiáng)。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(duì)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(tuán)形成氫鍵，強(qiáng)烈的氫鍵作用可形成保護(hù)膜，使氣泡液膜的強(qiáng)度增加，促進(jìn)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(jī)械強(qiáng)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(duì)泡沫混凝土基本物理性能的影響

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

圖3 穩(wěn)泡劑摻量對(duì)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?yàn)樵黾臃€(wěn)泡劑的摻量使溶液包裹氣體的能力增強(qiáng)，更多的氣體被包裹在漿體中。不同穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫混凝土的干密度影響程度不同，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，植物蛋白對(duì)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(dá)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(qiáng)度隨著干密度的減小而下降。在同一密度等級(jí)下?lián)街参锏鞍字苽涞呐菽炷恋目箟簭?qiáng)度高于摻茶皂素的，當(dāng)干密度在270 kg/m3左右時(shí)，摻茶皂素的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度為0.10 MPa，而摻植物蛋白的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度為0.26 MPa。當(dāng)摻植物蛋白的泡沫混凝土的干密度最低時(shí)，其抗壓強(qiáng)度為0.14 MPa。從上述對(duì)溶液包裹氣體能力的研究結(jié)果來(lái)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(qiáng)度。由此可見，氣泡的穩(wěn)定性是影響泡沫混凝土強(qiáng)度的重要因素，本試驗(yàn)中摻植物蛋白時(shí)氣泡穩(wěn)定性優(yōu)于摻茶皂素，所以在同一密度等級(jí)下?lián)街参锏鞍椎呐菽炷量箟簭?qiáng)度也更高。

圖4 堿礦渣泡沫混凝土干密度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)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(dāng)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(jí)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(cè)試結(jié)果說(shuō)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(guān)系

2.3 復(fù)摻穩(wěn)泡劑對(duì)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(shí)的發(fā)泡效果不好，但與其他穩(wěn)泡劑復(fù)摻后對(duì)氣泡穩(wěn)定性的提升效果較好。故本試驗(yàn)采用植物蛋白與硬脂酸鈣復(fù)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(yàn)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(cè)試結(jié)果分別見圖6、表6。

圖6 復(fù)摻硬脂酸鈣摻量對(duì)堿礦渣泡沫混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度的影響

表5 復(fù)摻穩(wěn)泡劑堿礦渣泡沫混凝土制備試件配合比

表6 復(fù)摻硬脂酸鈣對(duì)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(qiáng)度明顯提高，在硬脂酸鈣摻量為0.060%時(shí)達(dá)到最大值，為0.21 MPa，相較于單摻0.06%植物蛋白時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高了50%。由此可見，復(fù)摻硬脂酸鈣穩(wěn)泡劑后堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度有顯著提高。

由表6 可見，隨著復(fù)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(fù)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(jí)下單摻0.060%植物蛋白不復(fù)摻硬脂酸鈣時(shí)試件的質(zhì)量吸水率為62%，可見復(fù)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(shí)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(duì)比試件1-1 和1-4，植物蛋白摻量為0.015%時(shí)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(shí)的孔徑更大，圓度更小，氣孔壁更厚。對(duì)比試件1-4、1-8 以及1-12 可知，不同種類穩(wěn)泡劑對(duì)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(shuō)明其孔結(jié)構(gòu)保留得更好，對(duì)應(yīng)植物蛋白為穩(wěn)泡劑制備的試件性能也更好。對(duì)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(fù)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(shuō)明復(fù)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(xué)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(shí)，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(xiàng)基本物理性能均最好，干密度為235 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為0.14 MPa，質(zhì)量吸水率為62%；植物蛋白復(fù)摻0.060%的硬脂酸鈣后，同密度等級(jí)下的試件抗壓強(qiáng)度提高到0.21 MPa，質(zhì)量吸水率降低至56%。

（3）同密度等級(jí)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(fù)摻硬脂酸鈣穩(wěn)泡劑后使試件的孔結(jié)構(gòu)得到了進(jìn)一步優(yōu)化。