微生物發泡劑發泡機制及在泡沫混凝土中的應用

榮 輝, 張 靜, 張 穎, 楊 永, 尚 偉

(1.天津城建大學 材料科學與工程學院, 天津 300384; 2.天津城建大學 天津市建筑綠色功能材料重點實驗室, 天津 300384; 3.北京市燕通建筑構件有限公司, 北京 102202; 4.天津城建大學 土木工程學院, 天津 300384)

發泡劑作為生產泡沫混凝土的重要組分之一,是制備泡沫混凝土的主要條件和物質基礎[1].根據產氣方式的不同,發泡劑分為物理發泡劑和化學發泡劑2大類.物理發泡劑是利用發泡劑溶液中的表面活性物所形成的雙電子層結構包裹空氣形成氣泡[2].化學發泡劑是利用發泡劑自身與基體材料發生化學反應釋放新的氣體來產生氣泡[3].

近年來,受食品發酵的啟發[4],國內外學者主張利用自然界廣泛存在的酵母菌來制備微生物發泡劑.Schunk等[5]首次提出利用酵母菌的發酵作用進行發泡;隨后,Menchavez等[6]和Uhlírov等[7]以酵母菌為原材料,淀粉為生長基質制備多孔陶瓷;崔立華等[8-9]探究了利用酵母菌制作多孔材料的可行性,并研究了酵母菌與葡萄糖比例、發泡時間及發泡溫度對發泡效果的影響.上述研究均利用酵母菌的發酵作用進行發泡,作用機理與化學發泡劑相似,但該技術存在產氣慢、產氣量少及產氣過程不可控等問題.研究發現[10],酵母菌除通過發酵作用發泡外,還能利用自身生化反應,分解營養物質,產生能降低溶液表面張力的表面活性分子,在外力作用下引入空氣進行發泡.因此,本文在驗證酵母菌通過發酵作用進行發泡的同時,還揭示了酵母菌作為一種物理發泡劑的可行性,并對其發泡機制進行了分析.另外,針對2種發泡機制,分別采用2種混泡工藝來制備泡沫混凝土,以研究混泡工藝對泡沫混凝土性能的影響.

1 試驗

1.1 原材料

酵母菌：購于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心,使用前已對其進行耐堿馴化,通過篩選,獲得能在堿性環境下正常生長的耐堿酵母菌株.水泥：采用唐山市豐潤區順鑫水泥有限公司P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,其物理性能及化學組成如表1、2所示.葡萄糖：分析純,天津基準化學試劑有限公司生產.胰蛋白胨：生物試劑,北京奧博星生物技術有限責任公司生產.酵母浸粉：生物試劑,北京奧博星生物技術有限責任公司生產.十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)：分析純,天津市光復精細化工研究所生產.

表1 普通硅酸鹽水泥的物理性能

表2 普通硅酸鹽水泥的化學組成

1.2 試驗方案

1.2.1發泡機制的驗證

1.2.1.1發酵作用發泡機制

微生物發泡劑通過發酵作用發泡的實質是酵母菌在有氧和無氧環境下通過呼吸作用分解葡萄糖產生CO2,其反應方程式如下：

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O

(1)

C6H12O6→2C2H5OH+2CO2

(2)

為模擬無氧和有氧環境,分別按圖1、2進行試驗.由圖1可見,在2個燒杯中分別放入1000mL培養基溶液(m(葡萄糖)∶m(胰蛋白胨)∶m(酵母浸粉)=1.0%∶1.0%∶0.5%)和1000mL微生物發泡劑溶液,并用保鮮膜密封以創造無氧環境,靜置48h后,對比觀察2個燒杯中溶液及覆蓋保鮮膜的變化情況,以揭示酵母菌在無氧環境下的發泡機制.由圖2可見,在1號和4號錐形瓶中分別放入200mL濃度為0.5mol/L的NaOH溶液,以排除空氣中的CO2,在2號錐形瓶中分別放入200mL微生物發泡劑溶液(試驗組)和200mL培養基溶液(對照組),3號燒杯中放入1000mL配制好的澄清石灰水溶液.首先在裝置中持續不斷地通入N2,排除裝置中的CO2;然后再不斷通入O2,靜置48h,對比觀察試驗組和對照組中3號燒杯內生成沉淀情況,來揭示酵母菌在有氧環境下的發泡機制.

圖1 無氧呼吸試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of anaerobic breathing apparatus

圖2 有氧呼吸試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of aerobic breathing apparatus

1.2.1.2自身生化反應發泡機制

采用傅里葉紅外光譜(FTIR)分析儀,檢測微生物發泡劑溶液和培養基溶液中所含官能團種類,并通過測試2種溶液的表面張力及所制備的泡沫性質,來揭示酵母菌通過自身生化反應發泡的機制.

1.2.2混泡工藝對泡沫混凝土性能的影響

針對微生物發泡劑的2種發泡機制,分別采用預制泡混合法和混合攪拌法來制備泡沫混凝土.首先按照配合比設計公式,計算采用預制泡混合法制備A04密度等級泡沫混凝土所需原材料用量,然后按照相同原材料用量,采用混合攪拌法制備泡沫混凝土.采用混合攪拌法制備泡沫混凝土時,利用微生物發泡劑代替水,并保證其用量與預制泡混合法用量相同.若微生物發泡劑用量不滿足攪拌泡沫混凝土所需用水量時,則另取微生物發泡劑溶液離心后的上清液進行補足,以保證采用不同方法制備泡沫混凝土時所用產氣微生物的個數相同.在上述基礎上,研究混泡工藝對泡沫混凝土物理力學性能及微觀結構的影響.

1.3 試驗方法

1.3.1泡沫混凝土配合比的設計

按照文獻[9],采用下式計算A04密度等級泡沫混凝土的原材料用量.

(3)

式中：ρd為泡沫混凝土設計干密度,kg/m3;Sa為質量系數,普通硅酸鹽水泥取1.2;Mc為1m3泡沫混凝土的水泥用量,kg;Mw為1m3泡沫混凝土的用水量,kg;φ為水灰比,本文取0.4;ρc為水泥密度,取3100kg/m3;ρw為水的密度,取1000kg/m3;V1為加入泡沫前,水泥和水組成的漿體總體積,m3;V2為泡沫添加量,m3;K為富余系數,本文取1.2;mf為1m3泡沫混凝土的發泡劑用量,kg;P為發泡劑發泡倍數;ρf為發泡劑密度,本文取1005kg/m3.

1.3.2微生物發泡劑的制備

按m(葡萄糖)∶m(胰蛋白胨)∶m(酵母浸粉)=1.0%∶1.0%∶0.5%,將上述材料加入適量蒸餾水,攪拌均勻后分裝于錐形瓶中,于高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌,滅菌完成后取出,置于無菌操作臺,冷卻后接種10%的酵母菌母液,然后將其置于轉速為170r/min,溫度為30℃的恒溫振蕩培養箱中,振蕩培養48h,即可獲得微生物發泡劑溶液.

1.3.3泡沫混凝土的制備

(1)預制泡混合法制備泡沫混凝土(模擬物理發泡方式)：按照配合比,首先將水泥和水倒入攪拌機中攪拌均勻,在此過程中利用空氣壓縮發泡機將微生物發泡劑溶液制成泡沫,再將泡沫加入到攪拌均勻的水泥凈漿中,再次攪拌均勻后,置于100mm×100mm×100mm的模具中澆注成型,在室溫下養護24h后脫模,28d后測試其性能.

(2)混合攪拌法制備泡沫混凝土(模擬化學發泡方式)：按照相同配合比,先將水泥和微生物發泡劑溶液先后倒入攪拌機中攪拌均勻,再置于100mm×100mm×100mm的模具中澆注成型,在室溫下養護24h后脫模,28d后測試其性能.

1.3.4官能團

采用Thermo Nicolet 380型FTIR分析儀,分析微生物發泡劑溶液和培養基溶液中官能團的變化.

1.3.5表面張力

采用型號為JYW-200的全自動表面張力儀,首先將待測溶液倒入玻璃杯中1/2處,并將玻璃杯置于托盤的中間位置,移動裝置上的鉑金環,至其浸入液體中5～7mm處停止;然后調整托盤位置,使其緩慢下降,直至鉑金環脫離液面,即可獲得待測溶液的實測表面張力值.

1.3.6泡沫性質

按照JC/T 2199—2013《泡沫混凝土用泡沫劑》,采用羅氏泡沫儀對改性前后發泡劑溶液的發泡倍數、泡沫的1h沉降距和1h泌水率進行測試.

1.3.7泡沫混凝土性能

根據JG/T 266—2011《泡沫混凝土》,對成型泡沫混凝土的物理力學性能進行測試.采用超景深顯微鏡、X射線衍射(XRD)分析儀和掃描電子顯微鏡(SEM),觀察泡沫混凝土的微觀孔結構和微觀形貌.

2 結果與討論

2.1 微生物發泡劑發泡機制

2.1.1發酵作用發泡機制

2.1.1.1無氧呼吸

培養基溶液和微生物發泡劑溶液在無氧環境下靜置48h后的產氣結果如圖3所示.由圖3可見：靜置一段時間后,微生物發泡劑溶液的液面產生1層小氣泡,且燒杯上覆蓋的保鮮膜有明顯鼓起現象,表明微生物發泡劑溶液中有氣體產生;而培養基溶液的液面和燒杯上覆蓋的保鮮膜無明顯變化.

圖3 無氧呼吸產氣結果Fig.3 Results of anoxic respiration and gas production

2.1.1.2有氧呼吸

在圖2所示試驗裝置中持續通入O2,靜置48h后發現微生物發泡劑溶液(試驗組)的澄清石灰水中產生大量白色沉淀,取白色沉淀烘干后進行XRD和SEM分析,結果如圖4所示.

圖4 白色沉淀的XRD圖譜和SEM照片Fig.4 XRD pattern and SEM photo of white precipitates

由圖4可見,酵母菌在有氧呼吸作用下產生的白色沉淀為方解石,其具有物相中最穩定的簇狀結構[11].這是因為酵母菌在有氧環境下通過呼吸作用產生CO2氣體,與澄清石灰水發生化學反應生成CaCO3沉淀.

由此可見,微生物發泡劑在有氧和無氧環境下均可以通過呼吸作用產生CO2氣體,從而形成泡沫.

2.1.2生化反應發泡機制

2.1.2.1官能團

培養基溶液和微生物發泡劑溶液的FTIR光譜如圖5所示.由圖5可見：(1)培養基溶液中,3408cm-1處對應峰為醇類O—H伸縮振動峰;1645cm-1處對應峰為胺的N—H彎曲振動峰;1404cm-1處對應峰為烯烴的C—H彎曲振動峰;1078cm-1處對應峰為胺的C—N伸縮振動峰.其中,O—H和C—N具有親水性,C—H、N—H具有疏水性.(2)微生物發泡劑溶液中,3404cm-1處對應峰為醇類O—H伸縮振動峰;2943cm-1處對應峰為烷烴類C—H伸縮振動峰;1645cm-1處對應峰為胺的N—H彎曲振動峰;1402cm-1處對應峰為烯烴的C—H彎曲振動峰;1109cm-1處對應峰為醇類C—O伸縮振動峰;1043cm-1處對應峰為醚類C—O—C伸縮振動峰;922cm-1處對應峰為羧酸類O—H彎曲振動峰.其中,O—H、C—O具有親水性,C—H、C—O—C、N—H具有疏水性.

圖5 培養基溶液和微生物發泡劑溶液的FTIR光譜Fig.5 FTIR spectra of medium solution and microbial foaming agent solution

根據峰值分析及官能團的判定結果可知,培養基溶液和微生物發泡劑溶液中均含有多種親水/疏水性質的官能團,而微生物發泡劑溶液中的親水/疏水官能團種類要多于培養基溶液.這是因為配制培養基溶液時所用到的葡萄糖、胰蛋白胨和酵母浸粉等原材料本身就含有具有親水/疏水性質的羥基、氨基和烷基等官能團,接種酵母菌后,酵母菌在營養物質充足的條件下進行大量繁殖,其體內含有的大量蛋白酶分解溶液中的蛋白質分子,將培養基中的一部分營養物質轉化為其他種類的具有親水/疏水性質的官能團,并使蛋白質分子內部的疏水基團外露,形成具有一定起泡能力的表面活性蛋白分子[12-13].因此,雖然2種溶液中均含有親水/疏水的官能團,但微生物發泡劑溶液中含有的官能團種類與培養基溶液略有不同,且種類要多于培養基溶液.

2.1.2.2表面張力

由于FTIR圖譜分析結果無法定量分析溶液中所含表面活性分子的個數,因此,對培養基溶液和微生物發泡劑溶液的表面張力分別進行測試,結果如圖6所示.由圖6可見,培養基溶液的表面張力值為46.7mN/m,而微生物發泡劑溶液的表面張力值為34.4mN/m,較培養基溶液降低26%.這是因為溶液的表面張力值與溶液內部含有的表面活性分子數量有關,溶液中表面活性分子數量越多,表面張力值越低.這進一步證實了FTIR分析結果(圖5),即微生物發泡劑溶液中的表面活性分子在種類及數量上均多于培養基溶液.

圖6 不同溶液的表面張力Fig.6 Surface tension of different solutions

2.1.2.3泡沫性質對比

分別將培養基溶液和微生物發泡劑溶液制備成泡沫,對比兩者泡沫性質,結果如表3所示.

表3 泡沫性質

由表3可見,與單一培養基溶液相比,單一微生物發泡劑溶液可以產生泡沫,雖發泡倍數不高,但泡沫穩定性較好.這是因為微生物發泡劑溶液中的酵母菌通過自身生化反應產生的大量表面活性蛋白分子降低了溶液中的表面張力,使溶液具有一定的發泡倍數.另外,根據氫鍵形成理論[14-15],酵母菌生化反應產生的大量羥基與水相互吸附形成氫鍵,進而形成擬網狀結構,使溶液具有較高的黏性,所形成的泡沫穩定性較好.

2.2 泡沫混凝土的物理力學性能

按照A04密度等級的配方,分別采用混合攪拌法和預制泡混合法制備泡沫混凝土,研究混泡工藝對泡沫混凝土物理力學性能的影響,結果如圖7所示.

圖7 混泡工藝對物理力學性能的影響`Fig.7 Effect of mixing process on physical and mechanical properties

由圖7可見,采用混合攪拌法和預制泡混合法所制得泡沫混凝土的干密度分別為1560、420kg/m3,分別屬于A16和A04密度等級,所對應的抗壓強度分別為3.3、1.1MPa.然而,JG/T 266—2011中規定A16和A04密度等級泡沫混凝土的抗壓強度應分別高于8.0、0.5MPa.這說明,只有采用預制泡混合法制備得到的泡沫混凝土才能同時滿足設計密度和抗壓強度標準.這是因為：(1)混合攪拌法模擬了化學發泡方式,隨著水化反應的進行,水泥漿體逐漸硬化,產生氣孔需要克服的阻力增加,導致試件內部形成的氣孔數量減少,密度較高;另外,該方法直接將微生物發泡劑溶液代替水加入到膠凝材料中,因溶液中含有未被酵母菌吸收的葡萄糖使水泥漿體出現緩凝現象,導致水泥漿長時間無法硬化,其內部水分蒸發散失,影響了水泥的水化反應,從而導致成型試樣強度較低[16].(2)預制泡混合法模擬物理發泡方式,所用泡沫為預先制備,且穩定性較好,因此成型試件孔結構較好,強度較高.

2.3 泡沫混凝土的微觀結構

2.3.1孔結構

混泡工藝對泡沫混凝土孔結構和孔徑分布的影響如圖8、9所示.

圖8 混泡工藝對孔結構的影響Fig.8 Effect of foaming processes on pore structure

圖9 混泡工藝對孔徑分布的影響Fig.9 Effect of mixing process on pore size distribution

由圖8、9可以看出：采用混合攪拌法制備得到的泡沫混凝土孔隙率雖較低,但孔徑分布較均勻,有效孔徑(d90)較小(d90=880μm);采用預制泡混合法制備得到的泡沫混凝土孔隙率雖較高,但孔徑分布相對不均勻、d90較大(d90=1080μm).這是因為：采用混合攪拌法制備泡沫混凝土時,微生物發泡劑直接與水泥攪拌,在水泥硬化之前,微生物發泡劑中的酵母菌就出現群聚行為,導致酵母菌通過發酵作用形成的孔集中分布在某一部位,該工藝所制得泡沫混凝土的孔由酵母菌通過呼吸作用形成,其作用力較小且較穩定,因此,成型試件的孔徑分布相對均勻、且等效孔徑較小;采用預制泡混合法制備泡沫混凝土時,根據設計公式將一定量的微生物發泡劑預先制備成泡沫加入到水泥凈漿中,充分攪拌均勻之后成型,因此,成型試件的孔較多,但在攪拌過程中會出現消泡現象,導致孔徑分布相對不均勻.

2.3.2微觀形貌

采用SEM觀察不同混泡工藝制備得到的泡沫混凝土微觀形貌,結果如圖10所示.由圖10可以看出,在相同養護條件下,采用混合攪拌法制備得到的泡沫混凝土試件中含有大量CaCO3.這是因為：一是空氣中的CO2與水化產物中的CH反應生成;二是酵母菌產氣生成的CO2與水化產物中的CH反應生成.然而,通過圖8可知,采用預制泡混合法所制得試件孔隙率更大,與空氣的接觸面積也更大,但該制備方式下生成CaCO3的量較少.因此,確定混合攪拌法制得泡沫混凝土試樣中含有的CaCO3大部分是由于酵母菌產氣生成的CO2與水泥水化反應生成的CH反應所致.采用預制泡混合法制備的泡沫混凝土中則含有大量網狀水化硅酸鈣(C-S-H)以及少量CH和CaCO3,C-S-H的存在是泡沫混凝土長期強度的主要來源,因此其強度遠高于行業標準中的要求.

圖10 不同混泡工藝制備得到的泡沫混凝土SEM照片Fig.10 SEM photos of foamed concrete prepared by different mixing methods

3 結論

(1)微生物發泡劑既可以通過酵母菌發酵作用產生CO2形成泡沫,也可以利用酵母菌自身生化反應分解培養基中的營養物質,產生伴有親水/疏水性質的官能團,降低溶液的表面張力(由46.7mN/m降低至34.4mN/m),在外力作用下引入空氣，產生氣泡.

(2)采用混合攪拌法制得泡沫混凝土試件中的孔是由酵母菌通過呼吸作用形成的,因此其孔徑分布均勻且等效孔徑較小(880μm),但產生的CO2與水化產物中的CH反應形成大量CaCO3,導致其抗壓強度為3.3MPa,遠低于行業標準中8.0MPa的要求.

(3)采用預制泡混合法制得的泡沫混凝土試件雖孔徑分布相對不均勻、等效孔徑相對較大(1080μm),但成型試樣的水化反應完全,含有大量C-S-H,導致其抗壓強度為1.1MPa,遠高于行業標準0.5MPa的要求.