复配改性动物蛋白对泡沫混凝土性能的影响

白应华，武 界

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068)

1 引言

全球经济的迅速发展给环境带来了一些负面效应，建筑材料的节能环保问题开始引起国内外学者的广泛关注。建筑材料的广泛使用加剧了温室效应，建筑领域排放的CO2气体主要来源于胶凝材料，普通硅酸盐水泥[1]的运用加剧了CO2气体的排放，随着全球气温升高，建筑节能开始吸人眼球。全球气温的升高，建筑材料自身的隔热性能发挥巨大作用，虽然建筑保温板材的隔热性能优良[2]，但是耐火性较差。胶凝材料自身具有的耐火性恰恰弥补了这一点，国内外学者开始对胶凝材料自身进行研究。研究发现：泡沫混凝土内部复杂的孔结构可以反射损耗热量[3]，将外界的热量消耗，提高材料自身保温隔热性能。为了提高胶凝材料自身的保温隔热性，通过在普通混凝土中引入气泡制备泡沫混凝土，增加自身孔含量对热量的消耗。常用的引入气泡方法主要有两种：物理法和化学法[4]。前者采用一些高分子物质利用自身的水解降解形成泡沫，再将制得的泡沫加入到普通的胶凝材料浆体中混合搅拌，制备泡沫混凝土；后者利用化学反应制备气体，在混凝土中形成多孔性构造。泡沫混凝土的保温隔热性主要通过导热系数进行评价，导热系数越低，保温隔热性能越好。通过改善泡沫的稳定性可以增加气孔含量，降低其导热系数，提高泡沫混凝土保温隔热性。利用两种表面活性剂的协同作用进行泡沫的改善，制备出超高性能的泡沫。

2 原材料与实验方案

2.1 实验材料

怡佳塑胶原料有限公司动物蛋白发泡剂：主要成分为动物角质蛋白，可以通过自身降解形成泡沫，暗褐色透明液体，有一定腐味，pH值7.5，密度为(20 ℃条件下)1.10 g/cm3；表面型活性物质：α烯基磺酸钠(AOS)，白色粉末，固含量99%；十二烷基硫酸钠(K12)，白色针状固体，固含量93.8%、十二烷基苯磺酸钠(LAS)，白色粉末，固含量60%。

2.2 试验仪器

JTRG-Ⅲ型导热系数测定仪、发泡机、1000 mL烧杯、量程为10 mL的移液管、玻璃棒、电子秤、电热鼓风干燥箱等。

2.3 实验方案

2.3.1 前期动物蛋白的双掺改性

将动物蛋白发泡剂母液加水按照1∶40的质量比进行稀释，制取动物蛋白发泡剂稀释液。利用天平分别称量0.8 g的AOS和LAS，将两种表面活性剂粉末混合加入到1 L的动物蛋白发泡剂稀释液中，制备双掺浓度0.8 g/L的改性发泡剂稀释液，利用玻璃棒进行手动搅拌均匀。同样的方法分别称量0.9 g的AOS和LAS，1.0 g的AOS和LAS，1.1的AOS和LAS，依次重复上述办法制备浓度为0.9 g/L、1.0 g/L、1.1 g/L的改性发泡剂稀释液。参照双掺AOS和LAS的四种浓度改性稀释发泡剂溶液的制备方法，再制备双掺K12和AOS，K12和LAS的四种浓度改性稀释发泡剂溶液，采用压缩空气法制取泡沫。

2.3.2 试件的浇筑

参照 GB10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》的规定，定制相应的木质模具见图1，导热系数测定的标准试件尺寸为300 mm×300 mm×30 mm。浇筑的试件见图2。

图1 试件模具

图2 成型试样

3 实验结果分析

3.1 干密度理论设计值和实验测定值

参照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》制定本实验配合比，选取0.35的水胶比；参照《JGJ/T 341》对设计干密度为700 kg/m3的泡沫混凝土计算泡沫添加量为水质量的15%。

3.2 干密度测试结果

采用发泡机进行压缩空气法制取泡沫，参照泡沫混凝土规范设计计算干密度为700 kg/m3的泡沫混凝土试件所需泡沫量。对浇筑的试块进行烘干测量实际干密度值，测量结果见表1。对于测量的干密度值满足在700±50 kg/m3的允许误差范围内，说明添加的泡沫量在合理范围内。导致泡沫混凝土计算干密度增加的原因[6]：实验过程中，预制泡沫在与水泥净浆搅拌过程会出现部分破裂，实际泡沫添加会发生降低，因此泡沫混凝土试件内部气孔含量[7]会减少。

表1 干密度测定值

3.2 双掺改性动物蛋白发泡剂对导热系数影响

3.2.1 导热系数测定方法

建筑材料的保温隔热性能[8]评价通过测量材料的导热系数平均值。导热系数的具体测量方法有两种：稳态法和非稳态法。前者包括平板法和热流计法，后者包括瞬态热线法、瞬态平面热源法、探针法和激光法。对于本实验泡沫混凝土保温隔热板材主要采用稳态法[9]中的单试样双热流计法，测量试件及仪器见图3、图4，该测量方法对于板件表面的平整度要求较高，表面平整度误差控制在±2%以内，测量的结果精确度高，测量原理简单。本试验优选硫铝酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥制备泡沫混凝土，一方面利用其产生的CO2气体较少、节能环保的优点；另一方面就是利用硫铝酸盐水泥的早强快凝性，减少泡沫的塌陷，降低浇筑试件表面的下沉，保证保温板满足平整度要求。

泡沫混凝土的导热系数参照 GB10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》测定，采用湖北工业大学的导热系数测定仪(型号JTRG-Ⅲ)，试件尺寸为300 mm×300 mm×30 mm，试件在标准养护条件下养护3 d龄期脱模，将试件放入到标准养护室中养护28 d后，取出试件并测量其导热系数。

图3 保温板材试件

图4 导热系数测定仪

3.2.2 导热系数测定结果

泡沫混凝土作为保温隔热性材料，不仅降低了普通混凝土的自重，还解决了普通板材耐火性较差的问题，表2是建筑领域常用的固体材料导热系数值。泡沫混凝土保温板材作为建筑领域的新型材料，具有耐火性较好、导热性能优良等特点。相较与普通的耐火砖和建筑砖，内部的多孔蜂窝结构不仅提高自身隔热性能，还有效降低其自身重量，广泛用于建筑填充材料。另外使用泡沫混凝土保温板材相对于玻璃和石棉板材成本也有所降低，适用于工业生产。本试验通过优化孔结构[10]，制备导热系数较小，隔热性能较好的保温隔热板材。

表2 常用固体材料的导热系数

泡沫混凝土制备的保温板材，目前广泛应用于建筑领域。利用泡沫混凝土自身的耐火性，向内部引入泡沫，使其成为多孔结构混凝土，可以起到保温隔热的作用。泡沫混凝土的导热性能好坏取决于内部蜂窝孔状构造，对外界的热量进行反射吸收。为了改善泡沫内部的孔结构，提高泡沫稳定性，对动物蛋白进行改性。利用三种离子型表面活性剂进行改性，通过混合掺入其中两种改性剂，探究双掺下最佳添加比例。试验结果见图5，结果表明：①双掺任意两种离子型表面活性剂都按照相同质量掺入到1 L的动物蛋白发泡剂稀释液中，随着掺量的增加，改性剂浓度的也会增加，泡沫板的保温隔热性能会呈现规则性变化；②当双掺两种改性剂浓度小于1.0 g/L，导热系数测定值会逐渐减小，在两种改性剂浓度为1.0 g/L时，导热性能最佳，泡沫板材保温隔热性能最好；③双掺LAS和K12改性动物蛋白发泡剂时的改性效果最好，在掺入浓度为1.0 g/L时，保温板的导热系数最小可达0.1583 W/(m·K)，此时的保温隔热性能最优。

图5 双掺改性下泡沫混凝土导热系数

3.3 双掺改性对抗压强度的影响

随着泡沫添加量的增加，泡沫混凝土内部蜂窝孔数量会显著增加，保温隔热性能会大幅度提升，但是泡沫混凝土试块的抗压强度下降幅度会增大。要想制备超高性能泡沫混凝土，一方面，必须对胶凝材料的自身性能有所要求，本试验采用具有早强、高强性的快硬性硫铝酸盐水泥[11]制备泡沫混凝土；另一方面，通过外掺改性剂改性动物蛋白发泡剂制备较高的泡沫，增强泡沫混凝土内部孔构造的稳定性，提高泡沫混凝土的抗压强度。

图6 双掺改性下泡沫混凝土抗压强度

图6是利用双掺任意两种离子型表面活性剂对动物蛋白发泡剂进行改性，对不同浓度外掺量下的泡沫混凝土试块进行7 d抗压强度的测量，测量结果表明：①双掺AOS和LAS在四种浓度下7 d的抗压强度均最大。主要是LAS的加入可以有效的提高泡沫的粘结度，减小泡泌水量，降低浇筑时泡沫塌陷，减少泡沫塌陷对泡沫混凝土的强度影响[12]；AOS的加入，降低泡沫的沉陷距的同时，进一步提高发泡倍数；②双掺AOS和LAS在掺量浓度为0.8 g/L时，7 d的抗压强度最大，随着离子型表面活性剂的添加，泡沫量大幅度提高，泡沫之间会由于粘结力作用相互吸引聚结形成直径较大泡沫发生破裂，降低泡沫稳定性。离子型表面活性剂掺量为1.0 g/L时，改性发泡剂溶液起泡能力达到最大，此时泡沫含量最多，泡沫之间联结塌陷最明显，进一步增加离子型表面活性剂添加量，大孔径泡沫会泌水下沉，小孔径泡沫在浇筑过程中与浆体更好的结合，使得制备的泡沫混凝土抗压强度出现二次增加。

4 结论

(1)双掺任意两种离子型表面活性剂按照相同质量掺入到1 L的动物蛋白发泡剂稀释液中，随着掺量的增加，泡沫板的保温隔热性能会呈现规则性变化。

(2)当掺入的两种改性剂浓度都小于1.0 g/L，导热系数测定值会随着改性剂浓度的增大而降低，两种改性剂浓度都为1.0 g/L时，测量的导热系数平均值最小，此时保温板导热性能最佳，保温隔热性能最好。

(3)双掺LAS和K12改性动物蛋白发泡剂时的改性效果最好，在掺入浓度都为1.0 g/L时，保温板的导热系数最小可达0.1583 W/(m·K)，此时的保温隔热性能最优。

(4)双掺AOS和LAS在4种浓度下7 d的抗压强度均最大。主要是LAS的加入可以有效的提高泡沫的粘结度，减小泡泌水量，降低浇筑时泡沫塌陷，减少泡沫塌陷对泡沫混凝土的强度影响；AOS的加入，降低泡沫的沉陷距的同时，进一步提高发泡倍数。且双掺AOS和LAS在掺量浓度为0.8 g/L时，7 d的抗压强度最大。