不同發泡劑性能對泡沫輕質混凝土宏觀性能的影響試驗研究

摘要：文章通過制備4種密度的泡沫輕質混凝土，摻入蛋白質型和復合型發泡劑制備的泡沫，對輕質土試件的泡沫穩定性、抗壓強度、流動性及體積吸水率進行了試驗研究與分析。結果表明：動物蛋白發泡劑制備的泡沫比復合型發泡劑具有更好的強度與穩定性；在4種濕密度范圍內，動物蛋白型泡沫輕質土的抗壓強度較采用復合型泡沫輕質土提升了17.5%～43.2%；發泡劑因素僅影響濕密度較高的泡沫輕質土的流動度，動物蛋白型泡沫輕質土因存在起到減水劑作用的疏水基團而流動度更大；高濕密度的動物蛋白型泡沫輕質土體積吸水率穩定值最小。

關鍵詞：輕質土；蛋白發泡劑；復合發泡劑；宏觀性能

中圖分類號：U416.03 A 06 016 3

0 引言

泡沫輕質土是一種新興材料，主要由膠凝材料、發泡劑及水組成，因具備良好的輕質性、強度密度可調節性、高經濟性等優點，目前已廣泛應用于公路擴寬、軟基處理、管道填埋及采空區充填等領域［1-2］。

由于泡沫輕質土的多孔特性，其物理力學性能受內部孔隙影響較大，對此，國內外學者開展了相關研究。龐超明等［3］研究表明泡沫混凝土的力學性能與其內部孔結構存在良好的相關性。李榮賀等［4］研究表明采用泡沫穩定好的發泡劑有利于輕質土力學性能的提升。黃儉才等［5］結合SEM分析了不同類型發泡劑對泡沫輕質土物理力學性能的影響，結果表明動物蛋白類發泡劑制備的氣泡輕質土具有更優良的孔隙分布。目前常用發泡劑主要有復合類、動物植物蛋白類及松香脂類發泡劑，其中植物蛋白類和松香脂類發泡劑發泡倍數和泡沫穩定性均較差，而動物蛋白類及復合類發泡劑則具備較好的穩定性［6］。劉佳奇等［7］重點探討了混凝土發泡劑以及泡沫混凝土的制備工藝，對國內外泡沫混凝土材料研究現狀進行了綜述，展望了混凝土發泡劑及泡沫混凝土的發展趨勢。

從上述研究可以看出，泡沫輕質材料的性能受發泡劑種類影響而存在不同程度差異，而泡沫輕質土材料是一種新材料，發泡劑對其性能的影響尚不明確，因此有必要開展發泡劑因素對泡沫輕質土物理力學性能的影響研究。本文選取復合類及動物蛋白類發泡劑制備四種濕密度等級的泡沫輕質土，研究發泡劑類型對輕質土性能的影響，為泡沫輕質土在充填領域推廣應用提供科學依據。

1 試驗

1.1 原材料

水泥為P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，產自柳州魚峰水泥廠；蛋白質發泡劑產自河南洛陽海平發泡劑有限公司，經發泡劑性能試驗，其稀釋倍數在1∶30時性能指標最佳；高分子復合發泡劑選自浙江建希有限公司，經發泡劑性能試驗，其稀釋倍數在1∶40時性能指標最佳。

1.2 配合比

參考《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJ/T177-2012）有關規定，本次試驗共設計了四種濕密度等級，各原材料配合比如表1所示。

1.3 試件制備及養護

本試驗采用物理發泡法制備泡沫輕質土，試樣的制備流程為：按設計配合比稱取水泥、泥和水，將其加入攪拌機中混合攪拌均勻制得水泥-混合漿體；將發泡劑按最佳稀釋比例與水稀釋，利用發泡機制得泡沫，再按照配合比將相應體積的泡沫輸送到攪拌機內，攪拌均勻后制得泡沫輕質土拌和物；將拌和物澆到 100 mm×100 mm×100 mm三聯立方試模中，覆膜養護 24 h后脫模，最后將試件裝入塑料袋中密封，儲存至環境發生器（相對濕度： 95％±3％，溫度： 22 ℃± 2 ℃）中養護至相應齡期。

1.4 試驗方法

1.4.1 流動度

充填用泡沫輕質土流動度測量參考《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJ/T177-2012），具體如下：采用內徑為 80 mm、高為 80 mm的圓筒進行測試，將制備好的泡沫輕質土拌和物灌入圓筒中并緩慢提起，靜置 1 min后采用游標卡尺測量最大半徑，重復測量3次并取平均值，應控制在160～ 200 mm。

1.4.2 泡沫穩定性

將由不同發泡劑制備好的泡沫輸入燒杯（高度為 155 mm）中，然后將大小、直徑及重量相同的小球放在泡沫頂部，對小球在 0 min、3 min、5 min（此后每間隔 5 min記錄一次，直至到達底部）時刻的位置進行拍攝記錄。

1.4.3 無側限抗壓強度

采用華龍WAW-600微機控制電液伺服萬能試驗機，使用位移控制法，加載速率為 5 mm/min，每組做3個平行樣并取平均值作為泡沫輕質土的無側限抗壓強度。

1.4.4 體積吸水率

測量試件在 20 ℃恒溫下浸泡于蒸餾水中 0 d、1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d、40 d、50 d、60 d后的質量，根據體積計算出試件密度，并取三個試件計算值的平均值作為其密度。以此得到各設計濕密度下泡沫輕質土密度及體積吸水率隨浸泡時間的變化規律。體積吸水率按式（1）計算：

VA=mi-m0ρwV0×100%（1）

式中：VA——泡沫輕質土的體積吸水率；

V 0——試驗前泡沫輕質土體積（m3）；

m i——浸泡i天后泡沫輕質土質量（kg）；

m 0——試驗前泡沫輕質土質量（kg）；

ρw——水密度，取 1 000 kg/m3。

2 試驗結果及分析

2.1 流動性能

復合發泡劑和蛋白質發泡劑制備的泡沫輕質土流動度測試結果如圖1所示。圖1測試結果表明，兩種泡沫輕質土流動度均在160～ 200 mm范圍內，符合《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJ/T177-2012）。

由圖1可以看出，隨著濕密度的增加，復合發泡劑泡沫輕質土流動度大致呈下降趨勢。分析認為，這是由于四種濕密度中的含量不同，在濕密度由 400 kg/m3增加至 1 100 kg/m3時，泡沫輕質土中的泥含量由20%增加至28.6%，比表面積大，具有較強的吸水能力，故在相同水膠比下低密度的泡沫輕質土中自由水比例較高，流動度也較高。與復合發泡劑泡沫輕質土不同的是，蛋白質發泡劑泡沫輕質土流動度呈增加趨勢。蛋白質發泡劑制得的泡沫存在較多疏水基團，具有一定的減水劑作用，且在泡沫穩定性試驗中發現蛋白質發泡劑泡沫相互之間的粘滯阻力較小，較復合發泡劑泡沫更易分離，故蛋白質發泡劑泡沫輕質土具有更大的流動度。當濕密度增加時，泡沫輕質土中固相物質含量增加，在漿體自重作用下氣泡易分離，不易形成團聚體，且這一因素對流動度的影響較大，因此流動度增大；相比之下，復合發泡劑產生的氣泡直徑小、黏度大，在漿體自重下也不易分離，故在濕密度較高時復合發泡劑泡沫輕質土的流動度仍較小。

2.2 泡沫穩定性

分別記錄觀測小球各時刻與位置的關系，得到圖2所示下沉深度曲線。

從圖2中可以看出，在 3 min時，復合發泡劑泡沫中的小球已經下沉至距杯頂1/3處，而蛋白質發泡劑泡沫中的小球剛進入杯中，最終復合發泡劑和蛋白質發泡劑泡沫到達杯底的時間分別為 12 min和 20 min；同時，小球在蛋白質發泡劑泡沫中下沉速率更低，僅為 0.118 mm/min，而在復合發泡劑泡沫中則達 0.194 mm/min。這一結果表明，蛋白質發泡劑泡沫相對于復合發泡劑泡沫的抗沉球能力更強，說明蛋白質發泡劑泡沫具有更高的穩定性，相應的其黏度與密度也更高。分析認為，蛋白質發泡劑的發泡實質是蛋白質降解，在采用物理發泡法制備泡沫時，分子量大的蛋白質的肽鍵在高壓空氣作用下分離，形成許多小分子量的蛋白質及較小的疏水基團，一方面降低了溶液的表面張力，另一方面分子基團之間具有氫鍵作用，形成了力學強度更高的泡沫液膜，泡壁堅韌穩定，故蛋白質發泡劑制備的泡沫具有更高的性能。

2.3 抗壓強度

不同濕密度（400～ 1 200 kg/m3）下復合發泡劑和蛋白質發泡劑制備的泡沫輕質土 28 d無側限抗壓強度對比如圖3所示。

由圖3可知，隨著濕密度的增加，復合發泡劑和蛋白質發泡劑制備的泡沫輕質土的抗壓強度均隨之提高，這是由于泡沫輕質土屬于多孔材料，其力學性能的變化與內部孔隙率密切相關。當密度較低時，泡沫輕質土內部引入了大量氣泡，導致材料內部的固相物質體積減小，材料部分位置出現應力集中現象，強度顯著下降；隨著密度的增大，引入的氣泡量減少，強度顯著提高。而在相同的濕密度等級下，蛋白質發泡劑泡沫輕質土的抗壓強度較復合發泡劑泡沫輕質土有顯著提高，且提高幅度隨著濕密度的增大而增大。在濕密度為 437.5 kg/m3時，蛋白質發泡劑泡沫輕質土的抗壓強度比復合發泡劑泡沫輕質土提高了 0.07 MPa，增幅為17.5%；濕密度提高至 1 170 kg/m3時，蛋白質發泡劑泡沫輕質土的抗壓強度提高了 1.36 MPa，增幅達到了43.2%。分析認為，泡沫輕質土的抗壓強度主要取決于膠凝材料的硬化程度和內部氣孔的質量。對于兩種類型的泡沫輕質土，通過微觀骨架結構分析已表明其膠凝材料的硬化程度基本相同，因此氣孔的質量是影響強度的關鍵因素。結合泡沫輕質土內部氣泡的微觀分析可知，在四種濕密度下，復合發泡劑泡沫輕質土的面積孔隙率由于氣泡顆粒膨脹而更大，而蛋白質發泡劑泡沫輕質土的氣泡顆粒相對穩定，面積孔隙率較低，由孔隙引起的材料應力集中現象更少，故其力學性能也更好。

2.4 體積吸水率

復合發泡劑和蛋白質發泡劑制備的泡沫輕質土在四種濕密度等級下體積吸水率隨浸泡時間的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，泡沫輕質土的體積吸水率隨著設計濕密度的增大而減小，其在時間上的變化過程可分為驟增期、緩增期及穩定期三個階段。在驟增期兩種泡沫輕質土表層及近表層的開放孔隙快速吸水，在曲線上表現為吸水率的顯著增加，與高濕密度（ 900 kg/m3和 1 100 kg/m3）泡沫輕質土相比，低濕密度（ 400 kg/m3和 600 kg/m3）泡沫輕質土內部孔隙較多，在 3 d時才進入緩增期， 40 d時達到穩定期。另外，在低濕密度時，蛋白質發泡劑泡沫輕質土的吸水率在各個階段均較復合發泡劑泡沫輕質土高；在浸泡 3 d后，復合發泡劑和蛋白質發泡劑泡沫輕質土的吸水率在 400 kg/m3和 600 kg/m3濕密度下分別為8.7%、6.0%和13.5%、6.3%，對應的穩定值分別為21.3%、11.4%和22.4%、12.6%。在高密度時情況有所不同，蛋白質發泡劑泡沫輕質土的吸水率表現為驟增期增速較快，緩增期增速較小，且在緩增階段兩種泡沫輕質土的吸水率變化曲線出現相交點，說明在此階段蛋白質發泡劑泡沫輕質土吸水率開始小于復合發泡劑泡沫輕質土；在濕密度為 900 kg/m3和 1 100 kg/m3時，復合發泡劑和蛋白質發泡劑泡沫輕質土吸水率對應穩定值分別為10.6%、6.3%和9.8%、6.0%，表明在濕密度較高時，采用蛋白發泡劑制備的輕質土內部結構更密實，在長期浸泡環境下耐水性能更好。

3 結語

本文研究了動物蛋白發泡劑和高分子復合發泡劑制備的泡沫輕質土的物理力學性能、微觀氣孔特征，主要得出以下結論：

（1）泡沫穩定性試驗及微觀分析表明，與復合型發泡劑相比，動物蛋白型發泡劑產生的發泡性能更穩定。

（2）采用動物蛋白發泡劑制備的泡沫輕質土由于面積孔隙率更低，其抗壓強度較采用復合型發泡劑制備的泡沫輕質土有顯著提升，提升幅度可達43.2%。

（3）兩種泡沫輕質土的流動度隨濕密度變化的趨勢相反。在低濕密度時，泡沫體積分數是影響流動度的主要因素，兩種泡沫輕質土流動性能差異不大；在濕密度較高時，蛋白質發泡劑泡沫中存在起到減水劑作用的疏水基團，因此蛋白質發泡劑泡沫輕質土流動度更大。

參考文獻

［1］聶金龍，李 廣，劉興峰.泡沫輕質混凝土在橋臺背填筑施工的應用［J］.建筑技術開發，2019，46（8）：54-56.

［2］陳忠平，孫仲均，錢爭暉.泡沫輕質土充填技術及應用［J］.施工技術，2011，40（10）：74-76.

［3］龐超明，王少華.泡沫混凝土孔結構的表征及其對性能的影響［J］.建筑材料學報，2017，20（1）：93-98.

［4］李榮賀，顧歡達.氣泡制備因素對河道淤泥氣泡混合土性質的影響研究［J］.長江科學院院報，2017，34（9）：137-141，149.

［5］黃儉才，徐 浩，朱 潔，等.發泡劑對氣泡輕質土性能和微觀結構影響研究［J］.新型建筑材料，2015，42（2）：50-53.

［6］劉 陽，唐 明，宋學君.混凝土發泡劑研究進展［J］.混凝土，2012（9）：57-58，62.

［7］劉佳奇，霍冀川，雷永林，等.發泡劑及泡沫混凝土的研究進展［J］.化學工業與工程，2010，27（1）：73-78.

收稿日期：2022-12-20