增稠剂与减水剂对泡沫混凝土孔结构稳定性的影响

白应华，田冉，李华伟，章启航

（1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068；2.武夷学院 土木工程与建筑学院，福建 武夷山 354300）

0 前言

泡沫混凝土是一种多孔材料，由于其能耗低、成本低、节能特性被广泛应用于多个领域[1-3]。浆料适宜的流动度和泡沫质量在泡沫混凝土的生产中具有重要意义，因为它们在最大限度提高泡沫稳定性与分布均匀上起到非常重要的作用[3]。聚羧酸减水剂被成熟应用于提高新拌混凝土的工作性能。朱俊杰等[4]研究发现，聚羧酸减水剂在低掺量下可对硬化后的泡沫混凝土孔结构进行优化，并提高整体结构抗压强度。目前许多研究学者证明多数增稠剂在低掺量下稳泡、在控制和改善泡沫的质地方面非常有效。钱逸文等[5]采用纤维素醚作为稳泡剂研究表明，掺0.3%纤维素醚的样品孔径分布更小、更窄。但由于纤维素醚可有效促进料颗粒之间的凝聚[6]，从而提高浆体塑性黏度，增塑增稠，Laetitia Patural等[7]研究表明，掺0.27%纤维素醚后浆体表现出强保水性。因此在外掺减水剂保证新拌浆体流动性时，两者之间存在相容适配性问题，容易造成浆体流动性与稠度难以同时协调[8]。

目前多数是研究了单掺减水剂或增稠剂下泡沫混凝土的孔结构与性能，对于两者之间的协同关系对泡沫浆体调控情况，以及硬化后的孔隙形状和尺寸变化对材料强度等特性产生影响少有研究。本文着重研究了减水剂和增稠剂间的竞争与协同对新拌泡沫浆体的流动性以及硬化后的孔结构的影响，并以期通过增强泡孔结构的稳定性，提高整体硬化泡沫混凝土的强度。

1 试验

1.1 原材料

水泥：唐山北极熊42.5级快凝快硬硫铝酸盐水泥。聚羧酸减水剂：巴斯夫，其成分为磺化三聚氢胺。增稠剂：河北晴俊，冷水速溶羟丙基甲基纤维素HPMC，白色粉末，100目通过率大于98.5%，2%水溶液表面张力42~56 mN/m。蛋白类发泡剂：河南华泰HTW-1型复合发泡剂，浅色透明液体，稀释倍数为40倍；高分子类发泡剂：合肥百乐能源设备有限公司生产的高分子复合型发泡剂和郑州鹏翼化工建材有限公司生产的QW-100水泥发泡剂，均采用稀释倍数为40倍。

1.2 试验方法

根据“等体积替换法”对泡沫混凝土的设计湿密度计算配合比，利用搅拌器对混合干粉慢搅1 min，同时将水与称量好的增稠剂搅拌1 min混合成溶液，然后将增稠剂溶液加入水泥中，慢搅2~3 min后再快速搅拌2 min。在搅拌期间利用发泡机发泡并称取所需的泡沫，快速加入水泥料浆中，再慢速搅拌1~2 min。按照JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土应用技术规程》测试其湿密度，如果湿密度过大，则需要再加入一定的泡沫；但如果湿密度过小，则需要重新制备。对制备的泡沫混凝土进行流动度测试，然后进行浇注，养护12 h后拆模，放入标准养护室养护28 d。

1.3 测试与表征方法

（1）不同发泡剂的泡沫稳定性测试。利用发泡机对不同发泡剂进行发泡，将制备的新鲜泡沫填满所用容器[9-10]，所用容器内径为50 mm，高度为350 mm，在泡沫上表面轻轻放置1个塑料小球（质量为2.70 g），每隔10 min记录1次泡沫的体积损失以及塑料小球下降的距离，以此表征泡沫的强度。泡沫稳定性测试见图1。

图1 泡沫稳定性测试

（2）流动度的测试。按照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》采用截模圆锥进行流动度测试。

（3）力学性能的测试。按照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》，试块的28 d强度采用WAY-300D型水泥胶砂抗折抗压试验机进行测试，对于密度为600 kg/m3的试块，加载速度设置为1 kN/s，对于密度为900 kg/m3以上的试块，加载速度设置为2.4 kN/s。

（4）孔结构表征。孔结构图像由泰斯肯VEGA扫描电子显微镜拍摄，保证可以使软件轻松识别超过100个以上的气孔[11]。然后利用Photoshop对拍摄图像进行处理，并利用图像分析软件Image Pro Plus对其孔结构进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 泡沫稳定性

本试验按每种市售发泡剂最佳的稀释倍数进行稀释，并对其泡沫稳定性进行测试。由于泡沫液膜的内外压差，泡沫总是有向普拉托边界排液的趋势，泡沫排液时间的延缓则可以保证泡沫的稳定性，伴随着排液，泡沫还会继续粗化生长，当液膜强度不足时泡沫发生破碎，所以泡沫堆积体积和泡沫排液量可以充分表征泡沫的稳定性。试验结果如图2所示。

图2 泡沫排水量和小球下降距离

由图2可以看出，3种发泡剂中，河南华泰水泥发泡剂前期的泌水量较大，后期的泌水量保持恒定在17 mm，总体泌水量较小；而合肥百乐水泥发泡剂虽然泌水量较大，但是小球下降程度和速度最低。从整体上看，3种发泡剂前10 min小球下降的速度均较为缓慢；随着时间的推移，泡沫的液膜张力无法维持内外压力的平衡，液膜厚度不断减小，溶液不断排出，泡沫继续生长甚至破裂，导致小球下降的速度越来越快。将0.25%增稠剂与华泰发泡剂溶液混合后，泌水情况和小球下降情况大大改善，表明增稠剂的引入大大改善了泡沫的稳定性。但是添加增稠剂40 min后泌水量增加，大大超过了未添加增稠剂的泌水量。可以认为是泡沫液膜变厚，泡沫液膜中的含水量也大大增加，随之泌水量也大大增加，超出了原有的泌水量。这一现象在添加了0.4%增稠剂的泡沫中可以更好的体现，测试了添加0.4%增稠剂后制作泡沫的密度，达到了82 mg/cm3，远远超出了未加增稠剂的35 mg/cm3。将30 min视为添加了0.4%增稠剂的泡沫的稳定时间，这一时间远远超过了之前的10 min。

2.2 泡沫混凝土的流动性

对掺0.3%增稠剂和不同减水剂掺量的泡沫混凝土浆体进行流动度测试，结果如图3所示。

图3 减水剂掺量对泡沫混凝土浆体流动度的影响

由图3可见，当减水剂掺量为0.5%时，随着湿密度的减小（泡沫掺量增加），泡沫混凝土的工作性能逐渐下降。当不掺加减水剂时，提起试模，浆体仍然保持垂直堆积的状态，这表明对于具有高空气含量的泡沫混凝土而言，实现自密实性是有问题的，在制作此密度以下的泡沫混凝土时应予以考虑[12]。泡沫混凝土湿密度为600 kg/m3，减水剂掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时，泡沫混凝土的流动度逐渐增大，依次为110、135、160、200 mm。当减水剂掺量为2.0%时，表现出十分良好的流动性且扩展迅速，但此时试块呈下层纯水泥上层泡沫的分层现象。设计湿密度为900 kg/m3，由于泡沫量的减少，浆体的流动性优于设计湿密度为600 kg/m3的。当减水剂掺量大于1.0%时，泡沫浆体具有自流平性质，流动度达到了175 mm。纤维素醚形成的网状和膜状结构包裹住一个个水泥颗粒，并相互黏聚，使得水泥新拌浆体内部不仅存在水泥颗粒本身的吸引力，还增加了纤维素醚与水泥颗粒间的粘附力以及纤维素醚分子相互的内聚力[13]。而聚羧酸减水剂主要通过对水泥的絮凝结构进行破坏来改善其流动性，两者宏观上来说是相对立的[14]，纤维素醚由于分子质量较大，对浆体流动性下降的能力强于减水剂的改善作用，这种干扰能力随着纤维素醚的分子质量增大而变大。但是随着减水剂掺量的增加，减水剂在此吸附竞争下逐渐取得优势，因此宏观表现出流动性能越来越好。

2.3 孔结构分析

对不同减水剂掺量及不同密度的泡沫混凝土进行编号A-B，A代表泡沫混凝土密度，B代表减水剂掺量。对其内部结构进行扫描电镜分析，对扫描图像利用fiji进行处理。图4～图6分别为密度等级为600、900、1200 kg/m3泡沫混凝土在不同减水剂掺量下的孔径分布。

图4 密度等级600 kg/m3泡沫混凝土的孔径分布

图6 密度等级1200 kg/m3泡沫混凝土的孔径分布

由图4可见，减水剂掺量为0.5%时，密度为600 kg/m3的泡沫混凝土大孔孔洞直径约为0.65 mm，大部分的孔洞直径维持在0.1 mm附近；当减水剂掺量从1.0%增加到1.5%，大孔数量逐渐增多。可以看出，减水剂对孔径分布有影响，随着减水剂掺量的增加，泡沫混凝土的平均孔径呈现上升的趋势，且大孔数量增多。

由图5可见，密度为900 kg/m3的泡沫混凝土依然表现出与密度等级600 kg/m3泡沫混凝土类似的趋势，随着减水剂掺量的增加，大孔数量增多，平均泡沫直径增加。减水剂掺量为0.25%时，平均孔径保持在0.1~0.2 mm。但是最大孔洞直径为0.522 mm，不排除为搅拌过程中的空气引入；减水剂掺量为0.5%时，最大孔洞直径达到了0.698 mm，但是大部分孔径均保持在0.1~0.3 mm；减水剂用量继续增加至1.0%时，大孔数量逐渐增多，但值得注意的是，其余小孔依然保持在0.1~0.3 mm。

图5 密度等级900 kg/m3泡沫混凝土的孔径分布

由图6可见，当减水剂掺量为0.1%时，密度为1200 kg/m3的泡沫混凝土出现了较大孔洞，平均孔径为0.2~0.4 mm；随着减水剂掺量的增加，孔结构表现出先变好后变差的趋势。大孔可能源于泡沫生长也可能来源于搅拌引入，忽略大孔，其余孔洞的平均孔径随减水剂用量的变化情况可以较好证明之前的观点。减水剂掺量为0.1%时，由于整体黏度较高，泡沫的流动性较差，造成在泡沫混合时泡沫破损或稳定性遭到破坏，泡沫呈现出生长的趋势，所以相较于减水剂掺量为0.25%时平均孔径较大；当减水剂掺量增加时，流动性逐渐改善，此时具有较好的孔结构；但随着减水剂掺量继续增至0.5%，流动性过大，为泡沫生长提供了较好的基体环境，而这恰是最不希望的。

由此可见，减水剂对密度为600 kg/m3泡沫混凝土的孔结构影响最大，对密度为1200 kg/m3的孔结构影响最小。另外，泡沫掺量的增加也会影响其孔结构，平均孔径随着泡沫掺量的增多而增大。可以预见的是，对于密度较小的泡沫混凝土，孔隙率的增加及平均孔径的增大均会对其强度有着负面影响。

2.4 泡沫混凝土的抗压强度

按上述减水剂与孔结构的关系，对最佳孔结构的泡沫混凝土分别进行抗压强度试验，并与JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土应用技术规程》要求进行对比。结果见表1。

表1 泡沫混凝土的抗压强度

由表1可见，由于制备泡沫混凝土的原材料（硫铝酸盐水泥）具有较高的基体强度，以及泡沫混凝土较窄的孔径分布，所以各密度的泡沫混凝土均具有较高的抗压强度。

3 结论

（1）一定范围内，泡沫的稳定性随着增稠剂的浓度的增加而增加。

（2）泡沫混凝土的流动性过好和过差都将影响其孔结构，试验发现，减水剂可以在与增稠剂的吸附竞争下改善泡沫混凝土的孔结构。

（3）当密度为600 kg/m3时，减水剂对泡沫混凝土的孔结构影响最大；密度为1200 kg/m3时，减水剂对泡沫混凝土孔结构的影响最小。

（4）由于制备泡沫混凝土的原材料（硫铝酸盐水泥）具有较高的基体强度以及泡沫混凝土较窄的孔径分布，所制各密度的泡沫混凝土均具有较高强度。