棉籽蛋白質發泡劑在混凝土中的應用研究

劉存瑞，喬秀文

（1.蘇州衛生職業技術學院，江蘇蘇州 215009；2.新疆石河子大學化學化工學院，新疆石河子 832000）

0 引言

在國家建筑節能與墻體改革政策的推動下，泡沫混凝土作為一種利廢、環保、節能、價低、性能好的新型保溫隔熱建筑材料，得到了全社會越來越廣泛的認知、重視和大量應用[1-2]。新疆是全國最大的產棉區，棉籽經過榨油產生的棉籽粕價格低廉，是一種亟待開發利用的重要蛋白質資源，以榨油后的棉籽粕為發泡劑，符合我國節能減排的戰略方針，又能創造可觀的經濟效益[3]。隨著電力工業發展，粉煤灰廢渣也與日俱增，是一種能夠綜合利用的寶貴的二次資源。為防止污染，利用粉煤灰生產建筑材料逐漸形成一種新興工業，在泡沫混凝土中大量使用粉煤灰可以達到降低混凝土成本、利于環保等目的[4]。泡沫混凝土通常是用機械方法將發泡劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到含硅質材料、鈣質材料，水及各種外加劑等組成的料漿中，經混合攪拌、澆注成型、養護而成的一種多孔材料[5]。近年來，國內外都非常重視泡沫混凝土的研究與應用，使其在建筑領域的應用越來越廣泛。我國在多孔混凝土研制和應用方面起步很晚，于20世紀30年代研制使用，20世紀60年代初期才研制成功了蒸壓泡沫混凝土制品，目前泡沫混凝土的主要生產方式為2種：一種是現場制備，就地澆注，也可以集中生產，用商品混凝土罐車運輸；另一種是在工廠預制成各種泡沫混凝土建筑構件和制品，然后再用于建筑施工。

采用棉籽粕蛋白發泡劑制造大量的泡沫，以水泥和粉煤灰為基礎配料，減水劑、速凝劑、水等為輔料，通過測量抗壓抗折、密度、吸水率等指標，研究加入水灰比的量對泡沫混凝土的影響、物料配比和加入發泡劑對泡沫混凝土的影響，以及攪拌發泡劑的時間和加入外加劑對混凝土的影響。

1 材料和儀器

水泥（3級）、粉煤灰（3級）、發泡劑（植物蛋白類）、硫酸鈉（分析純）、三乙醇胺（分析純）、萘系減水劑（分析純）。

BS224S型電子天平，上海精密科學儀器有限公司產品；DK-8D型干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司產品；RW 20型IKA電動攪拌器，上海諾頂儀器有限公司產品；BS22型混凝土攪拌器，成都科能達儀器設備有限公司產品。

2 試驗方法

將發泡劑溶液倒入高速攪拌機中，然后用攪拌機的高速葉片攪動發泡劑溶液來制取泡沫，將制得的泡沫加入配置好的混凝土中進行充分攪拌。具體操作過程如下。

（1） 發泡劑發泡。將制取的棉籽蛋白發泡劑，加入3～5倍的水，加入速凝劑（三乙醇胺） 以轉速3 000 r/min對混合溶液機械攪拌進行發泡。

（2）泡沫混凝土漿料制備。將不同比例的水泥和粉煤灰混合，分別加入一定量的減水劑（萘系）、速凝劑（硫酸鈉）和水攪拌均勻。

（3）泡沫混凝土試塊的制備。將攪拌好的發泡劑加入混合好的漿料中，均勻攪拌之后，倒入成型的模具中。干燥48 h之后從模具中取出，進行養護。

（4）養護泡沫混凝土試塊。根據外界氣溫在泡沫混凝土取出模具后3～12 h內用麻袋等適當材料將混凝土覆蓋，并經常澆水保持濕潤。

3 性能的表征測量

3.1 密度的測量

在試塊養護到達14 d前取試件一組3塊，逐塊量取長（a）、寬（b）、高（c） 3個方向的軸線尺寸，精確至1 mm。利用體積計算公式：

然后稱取質量m，取3塊試塊的質量和體積的平均值。可得出密度：

3.2 吸水率的測定

將泡沫混凝土試塊放入干燥箱中，于105℃條件下干燥5 h，取出冷卻至室溫后稱量其干質量m。將試塊放入吸水槽中，水槽中水位高度為泡沫混凝土試塊的1/3。然后開始計量時間，每過t時間稱取試塊質量。稱量取出的混凝土試塊要用干抹布蘸去試塊外邊的水分。

3.3 抗壓抗折強度的測定

采用混凝土抗壓抗折測量儀器測量。

4 結果與分析

4.1 泡沫混凝土水灰比的確定

選用不同水灰比進行試驗，其中發泡劑添加量4%，水泥與粉煤灰的比例9∶1，測量其抗壓與抗折強度。

不同水灰比下抗壓與抗折強度的變化規律見圖1。

圖1 不同水灰比下抗壓與抗折強度的變化規律

由圖1可知，隨著水灰配比的增加，抗壓與抗折強度都呈現先增加后減小的趨勢。當水灰比達到0.40時，抗壓強度達到7.3 MPa，抗折強度達到2.4 MPa，此時性能最優。水灰配比在一定范圍內增加時，使漿體流動性改善，泡沫在漿體中分布均勻，從而強度也有所增加；但過分增加水灰比會導致漿料變稀，密度下降，因此泡沫混凝土抗壓、抗折強度下降。

4.2 主要物料配比對泡沫混凝土性能的影響

研究主要物料配比對泡沫混凝土性能的影響，其他條件為水灰比0.40，發泡劑添加量4%，攪拌時間5 min。完成后，對其進行表征。

水泥與粉煤灰不同配比下泡沫混凝土的抗壓與抗折強度見圖2，水泥與粉煤灰不同配比下泡沫混凝土的密度變化見圖3。

圖2 水泥與粉煤灰不同配比下泡沫混凝土的抗壓與抗折強度

由圖2和圖3可看出，隨著粉煤灰摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓與抗折強度均呈下降趨勢，這是因為水泥的抗壓與抗折性強于粉煤灰，且密度大于粉煤灰，因此密度也呈下降趨勢。

4.3 發泡劑添加量對泡沫混凝土性能的影響

圖3 水泥與粉煤灰不同配比下泡沫混凝土的密度變化

研究發泡劑添加量對泡沫混凝土性能的影響，其他條件為水灰比0.40，水泥與粉煤灰配比6∶4。完成后，對其進行表征。

不同發泡劑添加量下泡沫混凝土密度的變化見圖4。

圖4 不同發泡劑添加量下泡沫混凝土密度的變化

由圖4可知，隨著發泡劑添加量的增多，泡沫混凝土的密度呈現出先下降后平緩的趨勢，這是因為發泡劑的增加會使引入的泡沫增加，從而產生更高的孔隙率，密度就會降低。但到一定程度時，泡沫在漿料中會飽和，所以密度逐漸平緩。

不同發泡劑添加量下泡沫混凝土吸水率的變化見圖5。

圖5 不同發泡劑添加量下泡沫混凝土吸水率的變化

由圖5可知，隨著發泡劑添加量的增多，泡沫混凝土的吸水率呈現出先上升后平緩的趨勢。因為隨著引入泡沫而產生的孔隙率就會增高，在性能上表現出較高的吸水率。

不同發泡劑添加量下泡沫混凝土抗壓抗折強度的變化見圖6。

由圖6可知，在發泡劑增加的過程中，泡沫混凝土的抗壓抗折都有了明顯的降低，這是因為發泡劑為液相，液相的增加必然導致固相量的減少。

圖6 不同發泡劑添加量下泡沫混凝土抗壓抗折強度的變化

綜合以上3個制約條件，加入發泡劑添加量為3%～4%較合適，此時密度為900～1 000 kg/m3，吸水率為16%左右，抗壓抗折強度較好，分別為6～8 MPa，2.0～2.5 MPa，可得到性能較好的泡沫混凝土。

4.4 發泡劑攪拌時間對混凝土性能的影響

研究發泡劑攪拌時間對泡沫混凝土性能的影響，其他條件為水泥和粉煤灰配比6∶4，水灰比0.40，發泡劑添加量4%，制作各組分下的混凝土并表征。

發泡劑攪拌時間對泡沫混凝土性能的影響見表1，不同發泡劑攪拌時間下泡沫混凝土密度的變化見圖7。

表1 發泡劑攪拌時間對泡沫混凝土性能的影響

圖7 不同發泡劑攪拌時間下泡沫混凝土密度的變化

由表1可看出，發泡劑攪拌時間對泡沫混凝土的抗壓與抗折強度、吸水率的影響不是很大。

從圖7可看出，發泡劑攪拌時間對泡沫混凝土的密度有一定影響。

在泡沫混凝土中，泡沫攪拌時間短的泡沫不穩定，漿體中孔易破壞，泡沫攪拌時間長的泡沫相對穩定。帶來一定孔徑分布的氣孔，而且是封閉均勻的，使得混凝土的抗壓與抗折指標有了明顯的提升。

4.5 速凝劑、減水劑的加入對泡沫混凝土性能的影響

研究速凝劑、減水劑的加入對泡沫混凝土性能的影響，其他條件為水灰比0.40，發泡劑添加量4%，攪拌時間5 min。在制備的過程中，分別向各組分加入1%萘系減水劑，1%硫酸鈉，0.07%三乙醇胺。完成后，先與試驗3.2進行對比，然后對其進行表征。

外加劑的添加對泡沫混凝土密度的影響見表2。

表2 外加劑的添加對泡沫混凝土密度的影響

由表2可得知，加入速凝劑和減水劑后，會使泡沫混凝土的密度小幅度下降，但下降程度不大。這是因為在干燥過程中，速凝劑與減水劑能減小泡沫在干燥過程中的破損，則孔隙率會比未添加外加劑的大。

添加外加劑對泡沫混凝土抗壓抗折變化的對比見圖8。

添加外加劑使泡沫混凝土的抗壓與抗折性有一定程度的增強。所以速凝劑和減水劑在棉籽蛋白發泡劑混凝土中具有很好的適應性。

5 結論

通過試驗數據發現在水灰比0.40，發泡劑添加量3%～4%，水泥與粉煤灰配比6∶4，發泡劑攪拌時間5 min；加入1%萘系減水劑，1%硫酸鈉，0.07%三乙醇胺的條件下，制得的混凝土強度與性能之間取得平衡，在降低容重的前提下最小程度地降低泡沫混凝土的強度。試驗對泡沫混凝土的研究提供參考依據，但是在泡沫混凝土的微觀結構方面的相關性研究還需要進一步深入。

圖8 添加外加劑對泡沫混凝土抗壓抗折變化的對比

我國現階段正在大力推進符合生態節能、資源綜合利用的建筑材料的研究和開發，泡沫混凝土由于其良好的性能而具有廣闊的應用前景，泡沫混凝土的應用將會越來越受到重視。