羧甲基纖維素鈉對輕質泡沫混凝土強度的影響

褚會超，房 杰，臧浩宇，呂憲俊

(山東科技大學 化學與環境工程學院，山東 青島 266590)

羧甲基纖維素鈉對輕質泡沫混凝土強度的影響

褚會超，房 杰，臧浩宇，呂憲俊

(山東科技大學 化學與環境工程學院，山東 青島 266590)

研究了羧甲基纖維素鈉溶液的溫度和添加量對輕質泡沫混凝土抗壓強度的影響規律，采用FT-IR、XRD、SEM測試技術，分析了羧甲基纖維素鈉對輕質泡沫混凝土抗壓強度的影響機理。結果表明，添加少量的羧甲基纖維素鈉，可降低發泡孔徑、促進水泥和粉煤灰的水化，并增強孔壁的密實度，使輕質泡沫混凝土的強度顯著提高。

泡沫混凝土；羧甲基纖維素鈉；抗壓強度；水化產物

泡沫混凝土是以水泥、粉煤灰及其他摻合料為主要原料，采用物理或化學方法，將氣泡引入膠凝材料漿體中，凝結硬化后制成的具有大量孔隙的輕質多孔混凝土。泡沫混凝土具有輕質、保溫隔熱、隔音耐火、高流態、低彈性模量、環保、無毒無害的優點，可用于房屋的保溫隔熱、地下回填、擋土墻等。然而泡沫混凝土屬多孔結構非均質脆性材料，強度低、吸水率高等缺陷限制了泡沫混凝土的推廣應用[1-5]。已有研究發現纖維素醚可以用來改善泡沫混凝土的性能[6-8]。纖維素醚可以增加水泥砂漿的抗折強度、柔韌性、粘結強度等性能，還可以改善耐高溫等其他性能[9-13]。管學茂等[14]主要研究了羥乙基甲基纖維素(hydroxyethyl methylcellulose,HEMC)和羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose,CMC)對加氣混凝土用抹灰砂漿性能的影響，研究表明，HEMC摻量很少時就可以大幅度提高砂漿的保水性能，并且可以改善砂漿的韌性。史星祥等[8]還發現CMC的摻入對發泡液的發泡和穩泡效果最好，發泡倍數達到27.33，1 h泌水率僅為16.23%。梁磊等[15]發現在雙氧水發泡體系中，試樣的抗壓強度隨著纖維素醚的增加呈現先升高后降低的趨勢。袁偉等[16]研究了羥丙基甲基纖維素(hydroxypropyl methyl cellulose，HPMC)對泡沫混凝土性能的影響，結果表明，在自然養護條件下，摻HPMC試件的強度隨HPMC的增加而有所提升。孫慶豐[17]在研究中也發現甲基纖維素摻量合理時，有明顯的早強效果，也能起到早強激發的作用。

目前，纖維素醚的研究和應用主要在預拌砂漿領域，但是在泡沫混凝土方向的研究很少。由于羧甲基纖維素極難溶于水，在水溶劑條件下不利于反應進行，而羧甲基纖維素鈉(sodium carboxymethyl cellulose,SCMC)具有良好的水溶性，而且產量大、來源廣、使用方便。本研究通過SCMC改善泡沫混凝土的性能，研究SCMC對泡沫混凝土抗壓強度及微觀結構的影響，為泡沫混凝土的實際應用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原材料

羧甲基纖維素鈉(SCMC)：中國醫藥(集團)上海化學試劑公司出品；水泥為山東山水水泥集團有限公司生產的42.5#普通硅酸鹽水泥(表1)；粉煤灰為黃島恒源熱電Ⅱ級粉煤灰(表1)；其他助劑：發泡劑為30%濃度的工業雙氧水(天津市科密歐化學試劑有限公司)，增強纖維為6 mm聚丙烯纖維(上海影佳實業有限公司)，穩泡劑為硬脂酸鈣(天津市北辰方正試劑廠)，促凝劑為碳酸鋰(天津市博迪化工有限公司)。

表1 水泥和粉煤灰的化學成分

1.2 試驗設備

試驗主要儀器設備包括：JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機(滄州路達建筑儀器廠)、302型數顯電熱恒溫干燥箱(山東省龍口市科儀儀器公司)、WAY-300型電液式抗折抗壓試驗機(無錫錫儀建材儀器廠)、D/max-2500PC型X射線衍射儀(日本理學)、高分辨掃描電鏡(美國FEI公司)、紅外光譜儀(美國賽默飛世爾科技(上海)有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 試樣制備

首先按照基礎配比(表2)要求將除發泡劑和水之外的原材料倒入攪拌機中混合均勻，攪拌約1 min；然后將定量的50℃的水和配制的SCMC溶液加入到攪拌機中(SCMC溶液中所包含的水計入制備泡沫混凝土的總需水量)，攪拌2 min后；最后在攪拌的同時加入發泡劑，繼續攪拌10 s左右，立即將混合料漿倒入到準備好的模具里，表面用一層保鮮膜覆蓋，靜置發泡；1 d后脫除模具，將泡沫混凝土放入50℃烘箱中干燥養護。

表2 輕質泡沫混凝土的基礎配比

1.3.2 性能測試

到達養護齡期28 d后，將泡沫混凝土切割成型，進行性能檢測。本試驗依照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》，將試樣加工成相應尺寸，測試泡沫混凝土的抗壓強度、吸水率和干密度。依照GB/T 10924—2009對泡沫混凝土進行導熱系數的測定。使用相機對試樣拍照，將照片導入Image-Pro Plus軟件進行分析，得到相應的孔結構參數。

將養護時間達到28 d的部分樣品浸沒在乙醇中終止水化，24 h后取出，將試樣研磨，使細度小于200目(74 μm)，磨細后的試樣放在50℃的烘箱中干燥至恒重，進行XRD和FT-IR分析。XRD測試條件：儀器參數采用Cu靶，電壓40 kV，電流30 mA，掃描速度10 °/min，步長0.02°，掃描范圍(2θ)5°～80°。FT-IR測試對試樣采用KBr壓片法。

取養護時間28 d的樣品，切割一塊大小為5 mm×5 mm×5 mm的試塊，放入乙醇中終止水化24 h，烘箱中50 ℃下，干燥至恒重，打磨、噴金，用掃描電鏡觀察不同放大倍數下泡沫混凝土的形貌和微觀結構。

2 結果與討論

2.1 SCMC溶液的溫度及用量對泡沫混凝土抗壓強度的影響

為研究SCMC溶液的溫度及添加量對泡沫混凝土抗壓強度的影響，本實驗中將SCMC配制成濃度為0.5‰的溶液。分別將0、70、90、110、120、130 mL(占總物料千分比分別為0.054‰、0.069‰、0.085‰、0.092‰、0.1‰)的不同溫度(25℃和50℃)的SCMC溶液加入攪拌均勻的料漿。經測試，空白試樣(未添加SCMC)的抗壓強度為0.62 MPa，干密度為283 kg/m3，吸水率為34%，導熱系數為0.049 W/(m·K)，添加了SCMC的試樣的干密度的范圍在278～312 kg/m3，導熱系數的范圍在0.041～0.047W/(m·K)。

圖1 SCMC溶液的溫度及用量對泡沫 混凝土抗壓強度的影響Fig.1 Effect of temperature and content of SCMC solution on the compressive strength of foamed concrete

圖1描述了不同溫度SCMC溶液及其摻量對泡沫混凝土28 d抗壓強度的影響。從圖中可以看出，不同溫度SCMC溶液對抗壓強度的影響呈現相同的趨勢，隨著SCMC摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強度先增大而后急劇降低。當添加25℃的SCMC溶液時，抗壓強度的變化范圍為0.87～1.06 MPa，添加110 mL SCMC溶液，泡沫混凝土的抗壓強度達到最優，此時抗壓強度為1.06 MPa，比空白試樣高71%。當添加50℃的SCMC溶液時，泡沫混凝土的抗壓強度變化范圍為0.76～1.26 MPa，其中SCMC摻量為90 mL時抗壓強度達到最大，為1.26 MPa，相比25℃時獲得的最佳抗壓強度高19%，比空白試樣高103%。當SCMC溶液的摻量大于110 mL時，與添加50℃的SCMC溶液的試樣相比，添加25℃的SCMC溶液的試樣的抗壓強度較高，這是因為隨著25℃的SCMC溶液摻量的增加，漿體溫度降低幅度增大，發泡劑的發泡效果變差，導致泡沫混凝土的孔隙率降低，干密度變大，從而表現為抗壓強度的增大。通過對比兩組數據可以得出，當添加的SCMC溶液的溫度為50℃時，在用量較少時即能得到較高的抗壓強度。適量的SCMC可以提高泡沫混凝土漿體的穩定性，有利于氣泡的形成和穩定，降低氣泡破裂的幾率，從而提高泡沫混凝土的抗壓強度；過量的SCMC反而不利于抗壓強度，因為在泡沫混凝土漿體中加入過量的SCMC會在一定程度上增加漿體的稠度，不利于漿體的流動，料漿注入模具后分布不均勻，部分料漿會在泡沫混凝土基體的內部結塊，當泡沫混凝土受到壓力時，會在塊狀混凝土的周圍形成裂紋，降低了抗壓強度。

表3 孔結構參數

2.2 SCMC對泡沫混凝土孔結構的影響

泡沫混凝土的抗壓強度與氣孔的尺寸、形態和分布密切相關，為了考察SCMC對泡沫混凝土孔結構的影響，使用Image-Pro Plus軟件測定了試樣的孔結構參數，如表3所示。

圖2為空白試樣和添加SCMC溶液的試樣的孔徑分布特征。由圖2可以看出，空白試樣的氣孔不均勻，孔徑范圍大，平均孔徑較大，而添加了SCMC溶液的試樣的氣孔平均孔徑減小，孔徑范圍減小，氣孔分布的更加均勻。泡沫混凝土的抗壓強度受到氣孔分布的均勻性的影響，如果氣孔大小不均勻，當泡沫混凝土受到壓力時，壓力分布不均勻，會最先導致大孔的破裂，隨后形成裂縫，相反，如果孔徑均勻，則氣孔受力均勻，可以提高抗壓強度。因此氣孔均勻、細小致密的泡沫混凝土的抗壓強度高。從表3中可以得到，空白試樣的平均孔徑為2.5 mm，而添加了SCMC的試樣的平均孔徑顯著減小。圖2(b)和(c)分別是添加了110 mL 25℃ SCMC溶液的試樣和添加了90 mL 50℃ SCMC溶液的試樣，平均孔徑分別為1.4和1.1 mm(表3)，通過對比可以看出，添加了90 mL 50℃ SCMC溶液的試樣的氣孔分布更加均勻，孔徑更加細小，因而表現出更高的抗壓強度。從試樣的氣孔形狀來看，空白試樣氣孔的圓度為1.7，而加入了SCMC的試樣的氣孔圓度分別為1.5和1.2，說明SCMC有利于提高氣泡的穩定性，減少不規則氣泡的數量。這也進一步證明添加50℃的SCMC溶液更有利于輕質泡沫混凝土抗壓強度的增長。

圖2 空白試樣(a)和添加SCMC試樣(b)110 mL 25℃、(c)90 mL 50℃的圖片Fig.2 Images of the blank sample (a) and the sample with SCMC (b) 110 mL 25℃，(c) 90 mL 50℃

2.3 SCMC的作用機理

2.3.1 FT-IR分析

將SCMC與添加了90 mL 50 ℃的SCMC溶液的試樣進行干燥處理，用KBr壓片，進行紅外分析，圖3是紅外譜圖。從圖3可以看出，SCMC的FT-IR圖中含有以下官能團的伸縮振動峰：1 598.84 cm-1處是O-C-O的伸縮振動峰，2 922.21 cm-1處是C-H的伸縮振動峰，3 447.25 cm-1處是-OH的伸縮振動峰，1 326.77 cm-1和1 418.95 cm-1分別是-OH和-CH2的彎曲振動，1 059.20 cm-1是C-O-C的伸縮振動，為纖維素醚環狀結構的特征吸收帶[18]。

通過與SCMC紅外譜圖的對比，從添加了90 mL 50℃的SCMC溶液的試樣的紅外譜圖可以看到，1 059.20 cm-1處的特征吸收帶消失，并且1 326.77 cm-1和2 922.21 cm-1處的吸收峰消失，說明SCMC可能參與了某些反應。大多數有機添加劑加入到水泥中,都有被吸附到水泥顆?；蛩a物表面的趨勢[19]。SCMC是陰離子型纖維素醚類，其分子組成為[C6H7O2(OH)2CH2COONa]n，在水溶液中較穩定，親水基與水結合，依靠氫鍵和范德華力形成網狀結構，吸附在水泥顆?；蛘咚a物的表面，進一步提高了混凝土的密實度。

2.3.2 XRD分析

空白試樣和添加了90 mL 50℃的SCMC溶液的試樣經28 d養護后分別進行XRD檢測，XRD圖譜如圖4所示。

圖3 SCMC和添加SCMC試樣 (90 mL 50 ℃)的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of SCMC and the sample with SCMC(90 mL 50 ℃)

圖4 空白試樣和添加SCMC試樣 (90 mL 50 ℃)的XRD圖Fig.4 XRD patterns of the blank sample and the sample with SCMC(90 mL 50 ℃)

由圖4可知，泡沫混凝土的水化產物主要由石英、氫氧化鈣、C-S-H、水鋁鈣石、C2S、C3S、方解石和鈣礬石組成。空白試樣水化產物中的氫氧化鈣的衍射強度很高，C-S-H凝膠的丘狀衍射峰明顯，并且含有大量未水化的C2S和C3S。添加了90 mL 50℃ SCMC溶液的試樣的水化產物中氫氧化鈣的衍射峰顯著降低，C2S和C3S的衍射峰減弱，出現少量鈣礬石的衍射峰，并且水鋁鈣石的量也略有增加。這說明SCMC的加入促進了水泥的水化，并且有利于粉煤灰發揮其火山灰活性。粉煤灰中的無定型玻璃態的活性物質SiO2和Al2O3，與水泥水化過程中析出的氫氧化鈣進行了“二次反應”，生成具有膠凝性能的C-S-H凝膠和水鋁鈣石，填充在骨料之間形成緊密的結構。同時氫氧化鈣的消耗使堿度降低，在此環境中更有利于水鋁鈣石的形成[20]。

2.3.3 SEM分析

圖5為空白試樣和添加了90 mL 50℃ SCMC溶液的試樣的孔壁的SEM圖片。通過對比可以發現，沒有加入SCMC的泡沫混凝土的孔壁表面存在大量的大小分布不均的孔隙(圖5(a))，表面凹凸不平，形成較為疏松的結構(圖5(c))，因而空白試樣的抗壓強度較低。加入SCMC后孔壁表面較為致密，不存在孔隙(圖5(b))，在水化產物的表面覆蓋有一層膜(圖5(d))，根據原始組分，膜狀物質由SCMC構成[21]，膜的表面光滑平坦，但并未完全將水化產物的表面覆蓋，透過縫隙可以看到鈣礬石、C-S-H凝膠等水化產物之間形成空間連續的網狀結構，這種結構增加了孔壁的內聚力，改善其總體強度，因而添加了90 mL 50℃ SCMC溶液的試樣獲得了最高的抗壓強度。同時，經XRD分析加入SCMC的試樣水化產物中的氫氧化鈣的含量較低，因為氫氧化鈣晶體代表了泡沫混凝土漿體中的薄弱處，所以也進一步說明了適量的SCMC有利于提高輕質泡沫混凝土的抗壓強度。

圖5 空白試樣(a)(c)和添加SCMC試樣(b)(d)的SEM圖Fig.5 SEM images of the blank sample (a) (c) and the sample with SCMC (b) (d)

3 結論

1) 不同溫度的SCMC溶液對輕質泡沫混凝土的抗壓強度均有不同程度的提高。摻入25℃ SCMC溶液可獲得的最佳抗壓強度為1.06 MPa，摻入50℃ SCMC溶液可獲得的最佳抗壓強度為1.26 MPa，分別比空白試樣提高71%和103%。

2) SCMC的加入可使輕質泡沫混凝土的孔徑減小、氣孔分布均勻性提高。

3) 添加SCMC，一方面可以促進水泥水化和粉煤灰發揮火山灰效應；另一方面能夠改變輕質泡沫混凝土的微觀形貌，使孔壁結構更為致密。

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(責任編輯：呂海亮)

Effect of Sodium Carboxymethyl Cellulose on the Strength of Ultra-low Density Foamed Concrete

CHU Huichao,FANG Jie,ZANG Haoyu,Lü Xianjun

(College of Chemical and Environmental Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

The effects of temperature and content of sodium carboxymethyl cellulose solution on the compressive strength of ultra-low density foamed concrete were studied in this paper.And the FT-IR,XRD,and SEM were applied to analyze the mechanism of the effect of sodium carboxymethyl cellulose on the compressive strength of ultra-low density foamed concrete.The results indicate that proper amount of sodium carboxymethyl cellulose could improve the compressive strength of the ultra-low density foamed concrete by reducing the pore size of the foamed concrete,promoting the hydration of cement and fly ash,and increasing the compactness of the pore wall.

foamed concrete; sodium carboxymethyl cellulose; compressive strength; hydration product

2016-11-24

國家自然科學基金項目(51674161,50974082)；高等學校博士學科點專項科研基金項目(20133718110005)；山東省2016年重點研發計劃項目(2016GSF116013)；黃島區科技計劃項目(2014-1-37)

褚會超(1992—)，女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事礦物資源綜合利用方向的研究. E-mail：18954831156@163.com 呂憲俊(1965—)，男，河南內黃縣人，教授，博士生導師，主要從事礦物資源綜合利用方面的研究，本文通信作者. E-mail:lu_xianjun@163.com

TU528

A

1672-3767(2017)03-0063-07