復配改性動物蛋白對泡沫混凝土性能的影響

白應華，武 界

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

1 引言

全球經濟的迅速發展給環境帶來了一些負面效應，建筑材料的節能環保問題開始引起國內外學者的廣泛關注。建筑材料的廣泛使用加劇了溫室效應，建筑領域排放的CO2氣體主要來源于膠凝材料，普通硅酸鹽水泥[1]的運用加劇了CO2氣體的排放，隨著全球氣溫升高，建筑節能開始吸人眼球。全球氣溫的升高，建筑材料自身的隔熱性能發揮巨大作用，雖然建筑保溫板材的隔熱性能優良[2]，但是耐火性較差。膠凝材料自身具有的耐火性恰恰彌補了這一點，國內外學者開始對膠凝材料自身進行研究。研究發現：泡沫混凝土內部復雜的孔結構可以反射損耗熱量[3]，將外界的熱量消耗，提高材料自身保溫隔熱性能。為了提高膠凝材料自身的保溫隔熱性，通過在普通混凝土中引入氣泡制備泡沫混凝土，增加自身孔含量對熱量的消耗。常用的引入氣泡方法主要有兩種：物理法和化學法[4]。前者采用一些高分子物質利用自身的水解降解形成泡沫，再將制得的泡沫加入到普通的膠凝材料漿體中混合攪拌，制備泡沫混凝土；后者利用化學反應制備氣體，在混凝土中形成多孔性構造。泡沫混凝土的保溫隔熱性主要通過導熱系數進行評價，導熱系數越低，保溫隔熱性能越好。通過改善泡沫的穩定性可以增加氣孔含量，降低其導熱系數，提高泡沫混凝土保溫隔熱性。利用兩種表面活性劑的協同作用進行泡沫的改善，制備出超高性能的泡沫。

2 原材料與實驗方案

2.1 實驗材料

怡佳塑膠原料有限公司動物蛋白發泡劑：主要成分為動物角質蛋白，可以通過自身降解形成泡沫，暗褐色透明液體，有一定腐味，pH值7.5，密度為(20 ℃條件下)1.10 g/cm3；表面型活性物質：α烯基磺酸鈉(AOS)，白色粉末，固含量99%；十二烷基硫酸鈉(K12)，白色針狀固體，固含量93.8%、十二烷基苯磺酸鈉(LAS)，白色粉末，固含量60%。

2.2 試驗儀器

JTRG-Ⅲ型導熱系數測定儀、發泡機、1000 mL燒杯、量程為10 mL的移液管、玻璃棒、電子秤、電熱鼓風干燥箱等。

2.3 實驗方案

2.3.1 前期動物蛋白的雙摻改性

將動物蛋白發泡劑母液加水按照1∶40的質量比進行稀釋，制取動物蛋白發泡劑稀釋液。利用天平分別稱量0.8 g的AOS和LAS，將兩種表面活性劑粉末混合加入到1 L的動物蛋白發泡劑稀釋液中，制備雙摻濃度0.8 g/L的改性發泡劑稀釋液，利用玻璃棒進行手動攪拌均勻。同樣的方法分別稱量0.9 g的AOS和LAS，1.0 g的AOS和LAS，1.1的AOS和LAS，依次重復上述辦法制備濃度為0.9 g/L、1.0 g/L、1.1 g/L的改性發泡劑稀釋液。參照雙摻AOS和LAS的四種濃度改性稀釋發泡劑溶液的制備方法，再制備雙摻K12和AOS，K12和LAS的四種濃度改性稀釋發泡劑溶液，采用壓縮空氣法制取泡沫。

2.3.2 試件的澆筑

參照 GB10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》的規定，定制相應的木質模具見圖1，導熱系數測定的標準試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm。澆筑的試件見圖2。

圖1 試件模具

圖2 成型試樣

3 實驗結果分析

3.1 干密度理論設計值和實驗測定值

參照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》制定本實驗配合比，選取0.35的水膠比；參照《JGJ/T 341》對設計干密度為700 kg/m3的泡沫混凝土計算泡沫添加量為水質量的15%。

3.2 干密度測試結果

采用發泡機進行壓縮空氣法制取泡沫，參照泡沫混凝土規范設計計算干密度為700 kg/m3的泡沫混凝土試件所需泡沫量。對澆筑的試塊進行烘干測量實際干密度值，測量結果見表1。對于測量的干密度值滿足在700±50 kg/m3的允許誤差范圍內，說明添加的泡沫量在合理范圍內。導致泡沫混凝土計算干密度增加的原因[6]：實驗過程中，預制泡沫在與水泥凈漿攪拌過程會出現部分破裂，實際泡沫添加會發生降低，因此泡沫混凝土試件內部氣孔含量[7]會減少。

表1 干密度測定值

3.2 雙摻改性動物蛋白發泡劑對導熱系數影響

3.2.1 導熱系數測定方法

建筑材料的保溫隔熱性能[8]評價通過測量材料的導熱系數平均值。導熱系數的具體測量方法有兩種：穩態法和非穩態法。前者包括平板法和熱流計法，后者包括瞬態熱線法、瞬態平面熱源法、探針法和激光法。對于本實驗泡沫混凝土保溫隔熱板材主要采用穩態法[9]中的單試樣雙熱流計法，測量試件及儀器見圖3、圖4，該測量方法對于板件表面的平整度要求較高，表面平整度誤差控制在±2%以內，測量的結果精確度高，測量原理簡單。本試驗優選硫鋁酸鹽水泥替代普通硅酸鹽水泥制備泡沫混凝土，一方面利用其產生的CO2氣體較少、節能環保的優點；另一方面就是利用硫鋁酸鹽水泥的早強快凝性，減少泡沫的塌陷，降低澆筑試件表面的下沉，保證保溫板滿足平整度要求。

泡沫混凝土的導熱系數參照 GB10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》測定，采用湖北工業大學的導熱系數測定儀(型號JTRG-Ⅲ)，試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，試件在標準養護條件下養護3 d齡期脫模，將試件放入到標準養護室中養護28 d后，取出試件并測量其導熱系數。

圖3 保溫板材試件

圖4 導熱系數測定儀

3.2.2 導熱系數測定結果

泡沫混凝土作為保溫隔熱性材料，不僅降低了普通混凝土的自重，還解決了普通板材耐火性較差的問題，表2是建筑領域常用的固體材料導熱系數值。泡沫混凝土保溫板材作為建筑領域的新型材料，具有耐火性較好、導熱性能優良等特點。相較與普通的耐火磚和建筑磚，內部的多孔蜂窩結構不僅提高自身隔熱性能，還有效降低其自身重量，廣泛用于建筑填充材料。另外使用泡沫混凝土保溫板材相對于玻璃和石棉板材成本也有所降低，適用于工業生產。本試驗通過優化孔結構[10]，制備導熱系數較小，隔熱性能較好的保溫隔熱板材。

表2 常用固體材料的導熱系數

泡沫混凝土制備的保溫板材，目前廣泛應用于建筑領域。利用泡沫混凝土自身的耐火性，向內部引入泡沫，使其成為多孔結構混凝土，可以起到保溫隔熱的作用。泡沫混凝土的導熱性能好壞取決于內部蜂窩孔狀構造，對外界的熱量進行反射吸收。為了改善泡沫內部的孔結構，提高泡沫穩定性，對動物蛋白進行改性。利用三種離子型表面活性劑進行改性，通過混合摻入其中兩種改性劑，探究雙摻下最佳添加比例。試驗結果見圖5，結果表明：①雙摻任意兩種離子型表面活性劑都按照相同質量摻入到1 L的動物蛋白發泡劑稀釋液中，隨著摻量的增加，改性劑濃度的也會增加，泡沫板的保溫隔熱性能會呈現規則性變化；②當雙摻兩種改性劑濃度小于1.0 g/L，導熱系數測定值會逐漸減小，在兩種改性劑濃度為1.0 g/L時，導熱性能最佳，泡沫板材保溫隔熱性能最好；③雙摻LAS和K12改性動物蛋白發泡劑時的改性效果最好，在摻入濃度為1.0 g/L時，保溫板的導熱系數最小可達0.1583 W/(m·K)，此時的保溫隔熱性能最優。

圖5 雙摻改性下泡沫混凝土導熱系數

3.3 雙摻改性對抗壓強度的影響

隨著泡沫添加量的增加，泡沫混凝土內部蜂窩孔數量會顯著增加，保溫隔熱性能會大幅度提升，但是泡沫混凝土試塊的抗壓強度下降幅度會增大。要想制備超高性能泡沫混凝土，一方面，必須對膠凝材料的自身性能有所要求，本試驗采用具有早強、高強性的快硬性硫鋁酸鹽水泥[11]制備泡沫混凝土；另一方面，通過外摻改性劑改性動物蛋白發泡劑制備較高的泡沫，增強泡沫混凝土內部孔構造的穩定性，提高泡沫混凝土的抗壓強度。

圖6 雙摻改性下泡沫混凝土抗壓強度

圖6是利用雙摻任意兩種離子型表面活性劑對動物蛋白發泡劑進行改性，對不同濃度外摻量下的泡沫混凝土試塊進行7 d抗壓強度的測量，測量結果表明：①雙摻AOS和LAS在四種濃度下7 d的抗壓強度均最大。主要是LAS的加入可以有效的提高泡沫的粘結度，減小泡泌水量，降低澆筑時泡沫塌陷，減少泡沫塌陷對泡沫混凝土的強度影響[12]；AOS的加入，降低泡沫的沉陷距的同時，進一步提高發泡倍數；②雙摻AOS和LAS在摻量濃度為0.8 g/L時，7 d的抗壓強度最大，隨著離子型表面活性劑的添加，泡沫量大幅度提高，泡沫之間會由于粘結力作用相互吸引聚結形成直徑較大泡沫發生破裂，降低泡沫穩定性。離子型表面活性劑摻量為1.0 g/L時，改性發泡劑溶液起泡能力達到最大，此時泡沫含量最多，泡沫之間聯結塌陷最明顯，進一步增加離子型表面活性劑添加量，大孔徑泡沫會泌水下沉，小孔徑泡沫在澆筑過程中與漿體更好的結合，使得制備的泡沫混凝土抗壓強度出現二次增加。

4 結論

(1)雙摻任意兩種離子型表面活性劑按照相同質量摻入到1 L的動物蛋白發泡劑稀釋液中，隨著摻量的增加，泡沫板的保溫隔熱性能會呈現規則性變化。

(2)當摻入的兩種改性劑濃度都小于1.0 g/L，導熱系數測定值會隨著改性劑濃度的增大而降低，兩種改性劑濃度都為1.0 g/L時，測量的導熱系數平均值最小，此時保溫板導熱性能最佳，保溫隔熱性能最好。

(3)雙摻LAS和K12改性動物蛋白發泡劑時的改性效果最好，在摻入濃度都為1.0 g/L時，保溫板的導熱系數最小可達0.1583 W/(m·K)，此時的保溫隔熱性能最優。

(4)雙摻AOS和LAS在4種濃度下7 d的抗壓強度均最大。主要是LAS的加入可以有效的提高泡沫的粘結度，減小泡泌水量，降低澆筑時泡沫塌陷，減少泡沫塌陷對泡沫混凝土的強度影響；AOS的加入，降低泡沫的沉陷距的同時，進一步提高發泡倍數。且雙摻AOS和LAS在摻量濃度為0.8 g/L時，7 d的抗壓強度最大。