泡沫混凝土發(fā)泡劑的改性試驗研究

陶 宇，唐旭光

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

通過引入大量封閉的氣孔，泡沫混凝土具有保溫、隔熱、防凍、防腐和輕質(zhì)等優(yōu)點，近年來被廣泛應(yīng)用于建筑外墻保溫層、橋頭跳車、軟土區(qū)路基、管道回填及工程搶險等領(lǐng)域[1]。發(fā)泡劑作為制備泡沫混凝土的必要關(guān)鍵組分，其性能的優(yōu)劣越來越引起人們的重視。發(fā)泡劑又名“泡沫劑”，是一種溶于水后，能夠降低液體表面張力，通過物理和化學(xué)方法產(chǎn)生大量均勻而穩(wěn)定的泡沫的添加劑。按其發(fā)泡原理有物理發(fā)泡劑和化學(xué)發(fā)泡劑兩類，其中前者較為常見[2]。

現(xiàn)有關(guān)于泡沫混凝土發(fā)泡劑的研究主要集中在發(fā)泡改性方面，雷團結(jié)[3]等對比4 種陰離子表面活性劑，得出相同溶液濃度下AOS 的發(fā)泡能力最強，其次是K12、AES 次之，LAS 最差，并以0.8%的AOS為發(fā)泡劑母液，摻入0.20%的有機硅穩(wěn)泡劑ZT-1 和0.02%的羧甲基纖維素CMC 發(fā)現(xiàn)泡沫性能達(dá)到最優(yōu)；職紅濤[4]對比K12、LAS、AOS、AEO、AES 5 種發(fā)泡劑，發(fā)現(xiàn)K12 不僅發(fā)泡性能最優(yōu)，價格還便宜；薛國毛[5]等試驗分析了單一和多元穩(wěn)泡劑對泡沫性能指標(biāo)的影響，選定質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27%麥芽糊精+0.15%CAB 作為穩(wěn)泡劑；王翠花[6]對蛋白質(zhì)型發(fā)泡劑的改性試驗發(fā)現(xiàn)，三乙醇胺摻量為0.3～0.5%時，泡沫穩(wěn)定性得到改善。現(xiàn)選取4 種典型的物理發(fā)泡劑作為發(fā)泡液，以十二烷基硫酸鈉、羥丙基甲基纖維素和三聚磷酸納為改性劑對其進行改性研究，參照《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》從泡沫空氣穩(wěn)定性和料漿穩(wěn)定性來評價泡沫性能。

1 試驗

1.1 原材料

（1）物理發(fā)泡劑：復(fù)合動物蛋白活性劑，高分子植物蛋白活性劑，APG 烷基糖苷表面活性劑，松香酸納粉末。

（2）改性劑：十二烷基硫酸鈉（K12），羥丙基甲基纖維素（HPMC），三聚磷酸納（STPP）。

（3）輔助材料：P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；機制砂；自來水。

1.2 試驗設(shè)備

發(fā)泡裝置1 臺：小型變頻水泥發(fā)泡機，發(fā)泡能力100 L/min，空氣壓力8 kg，發(fā)泡流量調(diào)節(jié)（1-100）L/min；15 L 塑料圓桶；電子秤1 臺：量程2 000 g，精度1 g；1 L 燒杯2 個；精度0.02 mm 的深度游標(biāo)卡尺1 把；邊長50 mm 方片紙；量筒50 mL、250 mL、1 000 mL 各1 個；數(shù)顯式秒表1 塊。

表1 不同穩(wěn)泡組分對泡沫輕質(zhì)土的影響一覽表

1.3 試驗方法

空氣穩(wěn)定性：根據(jù)《泡沫混凝土發(fā)泡劑》（JC/2199—2013）[7]測試發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)，《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 177—2012）[8]測試發(fā)泡劑的1 h 沉降距和泌水量。

料漿穩(wěn)定性：根據(jù)《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基設(shè)計施工技術(shù)規(guī)程》（TJG F10 01—2011）[9]測試泡沫輕質(zhì)土料漿標(biāo)準(zhǔn)沉陷距。

2 結(jié)果與分析

2.1 泡沫劑的發(fā)泡性能

將復(fù)合動物蛋白、高分子植物蛋白、松香酸納、APG 烷基糖苷4 種泡沫劑在不同稀釋比下進行發(fā)泡試驗，所發(fā)泡沫的沉降距、泌水量參數(shù)如圖1～圖3所示。隨著稀釋比的增加，除松香酸納外其他三種泡沫劑的發(fā)泡倍數(shù)逐漸減小，泌水量呈線性增加，沉降距表現(xiàn)相對穩(wěn)定波動不大。相同稀釋比下高分子植物蛋白劑的發(fā)泡效率最高，當(dāng)稀釋比從20 增大到50時，沉降距只增加了5 mm，泌水量增加了6 mL，波動幅度遠(yuǎn)低于其他品種，且在20 與30 之間發(fā)泡效率相當(dāng)穩(wěn)定。

圖1 各種泡沫劑的發(fā)泡倍數(shù)曲線圖

圖2 各種泡沫劑的沉降距曲線圖

圖3 各種泡沫劑的泌水量曲線圖

綜合分析，通過以上三項指標(biāo)對比，優(yōu)先考慮稀釋比在30 條件下的泡沫溶液性能，高分子植物蛋白＞烷基糖苷＞復(fù)合植物蛋白＞松香酸納。

2.2 發(fā)泡機流量對泡沫性能的影響

根據(jù)上一步的試驗結(jié)果，以稀釋比30 的高分子植物蛋白劑溶液為發(fā)泡母液，分別在發(fā)泡機25、40、50、60、75、100 L/min 的流量下進行發(fā)泡試驗和泡沫性能測試。結(jié)果如圖4、圖5 所示，隨著流量的增大，發(fā)泡倍數(shù)曲線呈先遞增后遞減的趨勢，在流量50 L/min 附近出現(xiàn)峰值達(dá)55，泌水量曲線呈先下降后上升趨勢，在該點處出現(xiàn)最小值僅有15 mL，沉降距曲線單調(diào)遞減在60 到75 L/min 之間有所放緩。

圖4 流量對發(fā)泡效率的影響曲線圖

圖5 流量對泡沫性能的影響曲線圖

綜上分析，當(dāng)流量在20 到50 L/min 之間時，泡沫氣液混合不均勻，氣多液少。泡沫較輕，氣泡液膜較薄穩(wěn)定性差，雖然泡間泌水較少但是容易破泡。當(dāng)流量在50 到60 L/min 之間時，發(fā)泡機吸入的發(fā)泡液增多，氣液交互充分，流出的泡沫均勻而富有彈性、流動性好，氣泡的液膜厚度適中，泡沫穩(wěn)定性高。當(dāng)流量在60 到100 L/min 時，設(shè)備吸入的液體大于吸入的空氣，機械發(fā)泡能力下降，流出泡沫流動性高，但是過高的含水率導(dǎo)致泌水量嚴(yán)重氣泡穩(wěn)定性下降。不利于混凝土后期強度的增長。綜合考慮，優(yōu)選發(fā)泡劑流量50 L/min 的工況。

2.3 改性劑對發(fā)泡母液的影響

以十二烷基硫酸鈉（K12）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）、三聚磷酸鈉（STPP）為改性劑，對發(fā)泡母液在常溫下進行復(fù)配改性試驗和泡沫性能測試。

（1）將十二烷基硫酸鈉按照0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%、1.3%、1.5%的摻量加入到已制備好的發(fā)泡母液中，試驗結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖6 K12 改性的發(fā)泡曲線圖

圖7 K12 改性的泡沫性能曲線圖

隨著K12 摻量的增加，發(fā)泡倍數(shù)先增加后減小呈山峰狀分布，在1%附近達(dá)到峰值55.62，之后迅速下降到51.84。摻量與沉降距呈反比，與泌水量呈正比。在0.7%到1%之間，三項指標(biāo)表現(xiàn)穩(wěn)定，制備的泡沫性能最佳。綜上分析，K12 作為一種常見的陰離子表面活性劑，易溶于水，對母液的發(fā)泡效率起到一定促進作用，氣泡穩(wěn)定性得到提升但泌水量有點過大。

（2）將羥丙甲纖維素（HPMC）按0、0.02%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%的摻量加入到已制備好的發(fā)泡母液中，試驗結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 HPMC 改性的發(fā)泡曲線圖

圖9 HPMC 改性的泡沫性能曲線圖

隨著HPMC 的加入，發(fā)泡倍數(shù)開始下降，當(dāng)摻量小于0.05%時發(fā)泡倍數(shù)迅速遞減，液膜厚度增加氣泡穩(wěn)定性增強，但泌水量迅速增加。當(dāng)摻量大于0.05%變化有所放緩，摻量與沉降距呈反比，與泌水量呈正比。綜合分析，HPMC 對母液的稠度顯著提升，氣泡液膜厚度增加穩(wěn)定性得到改善，但是泡沫泌水量嚴(yán)重不利于混凝土強度發(fā)展。同時隨著泡沫母液的稠度提高，在發(fā)泡機發(fā)泡過程中對氣液交互具有抑制作用導(dǎo)致發(fā)泡倍數(shù)下降。

（3）將三聚磷酸鈉（STPP）按0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%、1.2%、1.4%的摻量加入到已制備好的發(fā)泡母液中，試驗結(jié)果如圖10、圖11 所示。隨著摻量的增加，發(fā)泡曲線、沉降和泌水量呈先遞增后遞減趨勢，在0.6%達(dá)到峰值55.31，此時的泌水量為最小值11.6 mL，沉降距7.6 mm。在此附近泡沫性能最優(yōu)，對比未添加發(fā)泡倍數(shù)增加了3 個點，沉降距、泌水量分別減小了6 mm、3 mL。

圖10 STPP 改性的發(fā)泡曲線圖

圖11 STPP 改性的泡沫性能曲線圖

綜合分析，STPP 是一種白色粉末狀顆粒的無機表面活性劑，易溶于水呈堿性，流動性較好，常作保水劑、品質(zhì)改良劑、pH 調(diào)節(jié)劑，通過螯合效應(yīng)，母液中的水分得到軟化，表面粘度進一步提升，分子間的作用力增大，液膜克服重力排液的阻力增強，在0.6%的摻量下改性發(fā)泡母液性能最佳。

2.4 改性發(fā)泡劑的泡沫料漿穩(wěn)定性

結(jié)合實驗室已有的試驗配比，取砂和水泥1∶1，采用等量取代法，粉煤灰取代30%的水泥，在0.5 的水膠比和650 L/m3的泡沫摻量下分別進行兩組混凝土制備試驗，結(jié)果如表1 所列。

相同泡沫摻量下，STPP 改性的發(fā)泡母液泡沫沉陷距更小。由于泡沫混凝土養(yǎng)護過程中，泡沫由氣泡經(jīng)過氣-液、氣-液-固、氣-固界面的轉(zhuǎn)變形成氣孔，水分蒸發(fā)液膜逐漸消失被水化膠凝產(chǎn)物替代形成氣泡壁。在各種不平衡擠壓力的作用下，泡沫形狀由近似的球體變成了不規(guī)則多邊扁形。STPP 改性的泡沫料漿穩(wěn)定性更高，凝固后混凝土試塊強度更高、質(zhì)量更輕，滿足并超出規(guī)范[8]路基填筑0.8MPa 的要求。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)分析4 種常見的典型發(fā)泡劑，對比不同稀釋比下的泡沫發(fā)泡倍數(shù)、沉降距、泌水量。基于上述試驗結(jié)果，優(yōu)選稀釋比30 的高分子植物蛋白劑為發(fā)泡母液，通過發(fā)泡機流量試驗，發(fā)現(xiàn)在50 L/min 的流量情況下泡沫性能最優(yōu)。

（2）以K12、HPMC、STPP 為改性劑，分別對母液進行改性研究，得出：K12 對母液的發(fā)泡效率有一定提升，但產(chǎn)生的泡沫不穩(wěn)定泌水量過大；HPMC 能改善氣泡的穩(wěn)定性，但稠度增加流動性下降，泌水量最大；STPP 在摻量0.6%附近，泡沫的空氣穩(wěn)定性最優(yōu)。

（3）對比K12 和STPP 改性的兩種泡沫摻入混凝土中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)STPP 改性的泡沫料漿穩(wěn)定性更好，硬化后標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊強度更高。