泡沫輕質(zhì)土發(fā)泡劑的改性試驗研究*

薛國毛 李金龍 謝規(guī)球 陳 云

(1.中交第四公路工程局有限公司 北京 100022； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410075)

發(fā)泡劑作為生產(chǎn)泡沫混凝土的重要原材料之一，是泡沫混凝土形成的主要條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。由天然材料合成的發(fā)泡劑具有優(yōu)良的起泡能力，并且在混凝土中加入泡沫，可以使混凝土形成多孔結(jié)構(gòu)，減小土體的容重。物理法制備的泡沫體積小、穩(wěn)定性高，并且液體黏度與吉布斯效應(yīng)，以及離子或非離子吸附會影響泡沫的質(zhì)量。

泡沫混凝土的穩(wěn)定性和強度是其重要的性能[1]，如今越來越多的學(xué)者通過研究高穩(wěn)定的顆粒穩(wěn)定型泡沫來改善泡沫的穩(wěn)定性。李兆敏等[2-3]揭示了納米顆粒能夠提高泡沫穩(wěn)定性的作用機理，并對其應(yīng)用前景和發(fā)展做了闡述，認為納米顆粒雖然在穩(wěn)定泡沫方面有獨特的優(yōu)勢，但也存在納米用量大的問題，并且泡沫密度高、發(fā)泡能力低、成本高，需要進一步的研究和探索。佟建楠等[4]以碳酸氫鉀和稀鹽酸為原料，利用二者之間的反應(yīng)原理研制出新型化學(xué)發(fā)泡劑泡沫，但發(fā)泡劑性能較差，需要添加泡沫穩(wěn)定劑。榮輝等[5]以酵母菌為原材料制備微生物發(fā)泡劑，揭示微生物發(fā)泡劑的發(fā)泡機制。錢逸文等[6]研究了堿礦渣泡沫混凝土，并使用維素醚和糯米漿對其進行改性，通過測定混凝土的孔結(jié)構(gòu)和比強度來探究其改性的效果。

由以上研究可以看出，目前對發(fā)泡劑及發(fā)泡方式的探索，主要是通過開發(fā)新型材料制作的發(fā)泡劑來改善發(fā)泡能力及泡沫穩(wěn)定性。本文在常用發(fā)泡劑當(dāng)中添加一些增稠劑或表面活性物等，分析單一和多元穩(wěn)泡劑對泡沫性能指標(biāo)的影響，從而確定最佳摻量以使泡沫性能有較好改善效果。并且依托廣州從化至清遠連州高速公路高填方路堤段工程，針對泡沫輕質(zhì)土在高速公路高、陡路基中泡沫穩(wěn)定性問題，進行發(fā)泡劑的改性試驗研究。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

1) 發(fā)泡劑。發(fā)泡劑一般可分為化學(xué)發(fā)泡劑和物理發(fā)泡劑2大類。試驗所用發(fā)泡劑為河南安州億化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的QW-100型號發(fā)泡劑，屬于物理發(fā)泡劑的一種。

2) 穩(wěn)泡劑。根據(jù)穩(wěn)泡劑作用方式，可將摻入物分為2類：①增稠劑，通過增大黏度減小泡沫的排水速率，來達到增強泡沫穩(wěn)定性的目的；②通過增強泡沫膜壁的韌性，減小張力，改善泡沫薄膜的質(zhì)量來增強泡沫的穩(wěn)定性。本試驗選取阿拉伯膠、明膠、麥芽糊精、十二烷基苯磺酸鈉(LAS)、羥丙基甲基纖維素(CAB)及椰油酰胺基丙基甜菜堿(HPMC)等市場上常見和工程中常用的穩(wěn)泡劑進行了泡沫性能檢測試驗。

1.2 發(fā)泡液的制備

本試驗依托廣州從化至清遠連州高速公路高填方路堤填筑工程，采用泡沫輕質(zhì)土作為路基填筑材料，依據(jù)施工要求和相關(guān)規(guī)范要求，發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)取40。故在使用發(fā)泡機制備泡沫群之前，先取25 mL發(fā)泡劑母液于燒杯或量筒中，加入1 000 mL水將發(fā)泡劑稀釋40倍。然后，使用電子秤稱取一定摻量的穩(wěn)泡劑，加入發(fā)泡液中攪拌，形成試驗所用發(fā)泡劑。

1.3 性能測試方法

1) 發(fā)泡倍數(shù)測定。首先用量杯或量筒稱取一定量的發(fā)泡劑稀釋液，加入穩(wěn)泡劑，利用發(fā)泡機使其充分發(fā)泡；將電子秤調(diào)平后，稱量準(zhǔn)備盛裝泡沫的干燥容器質(zhì)量；然后將容器取泡沫樣，并用平口刀將泡沫試樣與杯口刮平，稱量總質(zhì)量；最后利用公式求出泡沫密度和發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)。

(1)

(2)

式中：ρ為泡沫密度，g/cm3；m1為干燥容器質(zhì)量，g；m2為盛滿泡沫的容器質(zhì)量，g；V為盛裝泡沫的容器體積，cm3；M為發(fā)泡倍數(shù)；ρ0為泡沫劑水溶液密度，取1.0 g/cm3。

3) 泡沫沉降距和泌水量測定。沉降距是指1 L泡沫1 h的下降距離，泌水量是1 L泡沫1 h消泡后余留下的發(fā)泡液，與消泡時間一樣是衡量泡沫穩(wěn)定性的指標(biāo)。

將發(fā)泡好的泡沫裝入1 L的容器中，沿容器頂部刮去泡沫，然后將邊長為5 cm的方紙片放在泡沫上并記錄時間，沉降距為1 h后泡沫下降的距離，mm。容器內(nèi)的泡沫會隨著時間的推移逐漸分解，將泌出的水倒入50 mL的量杯中測量，測定1 h內(nèi)容器中所分泌出水量(mL)就是泌水量。

對不同穩(wěn)泡劑摻量的發(fā)泡劑制成的泡沫，進行發(fā)泡倍數(shù)、沉降距、泌水量性能測定，每組進行3次試驗取平均值。

2 單一穩(wěn)泡劑對發(fā)泡劑性能影響對比分析

將6種穩(wěn)泡劑對發(fā)泡劑性能的影響進行統(tǒng)一對比分析。各穩(wěn)泡劑對泡沫性能的影響對比見圖1～圖3。

圖1 各穩(wěn)泡劑對發(fā)泡倍數(shù)影響對比圖

圖2 各穩(wěn)泡劑對泡沫泌水量影響對比圖

圖3 各穩(wěn)泡劑對泡沫沉降距影響對比圖

由圖1可知，麥芽糊精對泡沫發(fā)泡倍數(shù)的影響最為優(yōu)良，麥芽糊精的摻入對發(fā)泡劑的發(fā)泡能力有一定的促進作用。十二烷基苯磺酸鈉對發(fā)泡倍數(shù)的影響次之，其質(zhì)量分數(shù)在0.5%之前對發(fā)泡倍數(shù)的影響不大，之后隨著摻量的增多表現(xiàn)出抑制作用。隨著羥丙基甲基纖維素質(zhì)量分數(shù)的增加，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)呈下降趨勢，并且下降速度較快，降低幅度可達到15%左右，對發(fā)泡劑的發(fā)泡能力表現(xiàn)出較大的削弱能力，對發(fā)泡倍數(shù)的影響較明顯。明膠水溶液對發(fā)泡倍數(shù)的影響與HPMC類似，當(dāng)質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，發(fā)泡倍數(shù)相較母液降低了41.2%。阿拉伯膠質(zhì)量分數(shù)在0.3%之前發(fā)泡倍數(shù)呈緩慢下降趨勢，下降幅度為4.6%和2.5%，當(dāng)阿拉伯膠質(zhì)量分數(shù)大于0.3%，發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)下降趨勢加快。較少的CAB用量可使發(fā)泡倍數(shù)有一定減小，但整體變化幅度不大。

由圖2可知，泡沫泌水量隨著阿拉伯膠和LAS、HPMC、CAB質(zhì)量分數(shù)的增加均不斷減少，在LAS質(zhì)量分數(shù)為0.3%之前，下降幅度較小，CAB質(zhì)量分數(shù)為0.1%～0.15%之間時變化幅度最大，泌水量由29.46 mL降低到26.31 mL，降低了10.7%。泡沫的泌水量隨著明膠水溶液和麥芽糊精質(zhì)量分數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后有所增加的現(xiàn)象。整體來看阿拉伯膠和CAB對泡沫泌水量性能的影響較為優(yōu)良。

由圖3可知，十二烷基苯磺酸鈉、明膠及羥丙基甲基纖維素對發(fā)泡劑泡沫沉降距的影響相差不大，沉降距均隨著摻量的增加整體呈現(xiàn)下降趨勢。隨著麥芽糊精質(zhì)量分數(shù)的增加泡沫沉降距緩慢上升，但影響不大。阿拉伯膠和椰油酰胺基丙基甜菜堿對泡沫沉降距的影響效果最為明顯，較少的摻量可使沉降距明顯降低，CAB在質(zhì)量分數(shù)為0.1%～0.15%之間時變化幅度最大，沉降距由10.71 mm降低到7.74 mm，降低了27.7%，阿拉伯膠在質(zhì)量分數(shù)為0.4%之前對沉降距有較好改善效果，之后隨著摻量的增多，泡沫沉降距有所上升。

綜合考慮發(fā)泡劑的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性，阿拉伯膠、明膠水溶液、麥芽糊精、十二烷基苯磺酸鈉、羥丙基甲基纖維素和CAB的最佳摻入量的質(zhì)量分數(shù)分別0.3%，0.5%，0.3%，0.5%，0.4%，0.15%。

3 多元穩(wěn)泡劑對發(fā)泡劑性能的影響

在上述所采用的穩(wěn)泡劑中，選取2種類型中的優(yōu)良穩(wěn)泡劑進行復(fù)配，以提高發(fā)泡溶液的綜合性能。從單一穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡性研究中可以發(fā)現(xiàn)，阿拉伯膠和麥芽糊精對復(fù)合發(fā)泡劑的泡沫穩(wěn)定性具有良好的效果，而在第二類穩(wěn)泡劑中十二烷基苯磺酸鈉以及CAB也具備優(yōu)異的穩(wěn)泡性能。目前研究發(fā)泡劑的方法有互補法、協(xié)同法、增效法和增加功能法[7-8]。因此本文對發(fā)泡劑的改性主要為采用上述互補法進行研究，選擇阿拉伯膠和LAS、麥芽糊精和CAB進行復(fù)配。

3.1 麥芽糊精和CAB復(fù)配對發(fā)泡劑性能的影響

將25 mLQW-100發(fā)泡劑母液加入1 000 mL水中，稀釋40倍并充分攪拌。固定CAB的質(zhì)量分數(shù)為0.15%，分別量取質(zhì)量分數(shù)為0.25%，0.27%，0.30%，0.32%，0.35%的麥芽糊精粉末加入發(fā)泡液中，使其充分溶解。然后使用發(fā)泡機發(fā)泡，形成致密泡沫群，測定不同摻量的復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)、沉降距及泌水量。研究麥芽糊精和CAB復(fù)配對發(fā)泡劑的改性影響，其試驗結(jié)果見表1和圖4。

表1 麥芽糊精+CAB對復(fù)合發(fā)泡劑性能的影響

由表1可見，當(dāng)取CAB質(zhì)量分數(shù)為0.15%，麥芽糊精質(zhì)量分數(shù)為0.25%～0.35%時，泡沫的發(fā)泡倍數(shù)、泌水量和沉降距整體變化不大。兩者復(fù)配的多元穩(wěn)泡劑對發(fā)泡劑的改性效果相對2種單一穩(wěn)泡劑來講整體較為優(yōu)良。

圖4 麥芽糊精+0.15% CAB對發(fā)泡劑性能的影響

由圖4可知，發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)和泡沫泌水量均在麥芽糊精質(zhì)量分數(shù)為0.25%～0.27%時，呈下降趨勢，在其質(zhì)量分數(shù)為0.27%～0.35%時有緩慢上升，但影響不大。泡沫沉降距在麥芽糊精質(zhì)量分數(shù)在0.25%～0.35%范圍內(nèi)，隨著麥芽糊精摻量的增加而不斷減小。當(dāng)麥芽糊精摻量增至0.35%時，泡沫沉降距降低至6.92 mm，下降幅度為18.1%。

試驗證明，椰油酰胺基丙基甜菜堿和麥芽糊精的復(fù)配對復(fù)合發(fā)泡劑具有良好的伍配性。綜合考慮發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)和泡沫穩(wěn)定性能，選擇麥芽糊精的最佳摻入質(zhì)量分數(shù)為0.27%，此時發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)為25.57，泌水量為24.61 mL，沉降距為7.21 mm。

3.2 阿拉伯膠和LAS復(fù)配對發(fā)泡劑性能的影響

將25 mLQW-100發(fā)泡劑母液加入1 000 mL水中，稀釋40倍并充分攪拌。固定LAS的質(zhì)量分數(shù)為0.5%，分別量取質(zhì)量分數(shù)為0.22%，0.25%，0.27%，0.30%，0.32%的阿拉伯膠粉末加入發(fā)泡液中，使其充分溶解。然后使用發(fā)泡機發(fā)泡，形成致密泡沫群，測定不同摻量的復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)、沉降距及泌水量。研究阿拉伯膠和LAS復(fù)配對發(fā)泡劑的改性影響，其試驗結(jié)果見表2和圖5。

表2 阿拉伯膠+LAS對復(fù)合發(fā)泡劑性能的影響

圖5 阿拉伯膠+0.5% LAS對發(fā)泡劑性能的影響

由圖5可見，發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)和泡沫泌水量均在阿拉伯膠質(zhì)量分數(shù)為0.22%～0.32%時，隨著麥芽糊精摻量的增加而不斷減小。當(dāng)阿拉伯膠摻量增至0.32%時，發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)降低至22.74，泡沫泌水量減小到25.65 mL。泡沫沉降距在阿拉伯膠質(zhì)量分數(shù)在0.22%～0.25%范圍內(nèi)呈下降趨勢，當(dāng)阿拉伯膠的質(zhì)量分數(shù)在0.25%～0.32%范圍內(nèi)時，泡沫沉降距有緩慢上升，但影響不大。

從試驗結(jié)果可以看出十二烷基苯磺酸鈉和麥芽糊精阿拉伯膠的復(fù)配對復(fù)合發(fā)泡劑的改性效果也相對優(yōu)良。綜合考慮發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)和泡沫穩(wěn)定性能，選擇阿拉伯膠的最佳摻入的質(zhì)量分數(shù)為0.25%，此時發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)為23.43，泌水量為24.24 mL，沉降距為6.87 mm。

對比質(zhì)量分數(shù)為0.27%麥芽糊精+質(zhì)量分數(shù)0.15%椰油酰胺基丙基甜菜堿、0.25%阿拉伯膠和0.5%十二烷基苯磺酸鈉的復(fù)配對復(fù)合發(fā)泡劑的性能影響結(jié)果可以看出，兩者發(fā)泡劑泡沫的沉降距和泌水量性能相差不大，但前者泡沫的起泡能力優(yōu)于后者，且十二烷基苯磺酸鈉的摻量相對較大。綜合考慮發(fā)泡劑的性能及經(jīng)濟性等原因，最終選擇質(zhì)量分數(shù)為0.27%麥芽糊精+質(zhì)量分數(shù)0.15% CAB作為穩(wěn)泡劑。

4 結(jié)論

1) 本文重點分析6種單一穩(wěn)泡劑對泡沫性能的影響，最終確定了各穩(wěn)泡劑的最佳摻量。

2) 結(jié)合試驗結(jié)果中各穩(wěn)泡劑對泡沫性能的影響，對比分析各穩(wěn)泡劑的優(yōu)缺點，最終選擇阿拉伯膠和十二烷基苯磺酸鈉十二醇、麥芽糊精和CAB進行多元穩(wěn)泡劑對發(fā)泡劑的改性研究。

3) 綜合考慮發(fā)泡劑的性能，最終選擇質(zhì)量分數(shù)為0.27%麥芽糊精+質(zhì)量分數(shù)為0.15% CAB作為穩(wěn)泡劑，此時發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)為25.57，泌水量為24.61 mL，沉降距為7.21 mm，相較原始母液分別降低了11.2%、17%和44.5%，可有效減少沉降，控制泡沫穩(wěn)定性。