泡沫轻质土发泡剂的改性试验研究*

薛国毛 李金龙 谢规球 陈 云

(1.中交第四公路工程局有限公司 北京 100022； 2.中南大学土木工程学院 长沙 410075)

发泡剂作为生产泡沫混凝土的重要原材料之一，是泡沫混凝土形成的主要条件和物质基础。由天然材料合成的发泡剂具有优良的起泡能力，并且在混凝土中加入泡沫，可以使混凝土形成多孔结构，减小土体的容重。物理法制备的泡沫体积小、稳定性高，并且液体黏度与吉布斯效应，以及离子或非离子吸附会影响泡沫的质量。

泡沫混凝土的稳定性和强度是其重要的性能[1]，如今越来越多的学者通过研究高稳定的颗粒稳定型泡沫来改善泡沫的稳定性。李兆敏等[2-3]揭示了纳米颗粒能够提高泡沫稳定性的作用机理，并对其应用前景和发展做了阐述，认为纳米颗粒虽然在稳定泡沫方面有独特的优势，但也存在纳米用量大的问题，并且泡沫密度高、发泡能力低、成本高，需要进一步的研究和探索。佟建楠等[4]以碳酸氢钾和稀盐酸为原料，利用二者之间的反应原理研制出新型化学发泡剂泡沫，但发泡剂性能较差，需要添加泡沫稳定剂。荣辉等[5]以酵母菌为原材料制备微生物发泡剂，揭示微生物发泡剂的发泡机制。钱逸文等[6]研究了碱矿渣泡沫混凝土，并使用维素醚和糯米浆对其进行改性，通过测定混凝土的孔结构和比强度来探究其改性的效果。

由以上研究可以看出，目前对发泡剂及发泡方式的探索，主要是通过开发新型材料制作的发泡剂来改善发泡能力及泡沫稳定性。本文在常用发泡剂当中添加一些增稠剂或表面活性物等，分析单一和多元稳泡剂对泡沫性能指标的影响，从而确定最佳掺量以使泡沫性能有较好改善效果。并且依托广州从化至清远连州高速公路高填方路堤段工程，针对泡沫轻质土在高速公路高、陡路基中泡沫稳定性问题，进行发泡剂的改性试验研究。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

1) 发泡剂。发泡剂一般可分为化学发泡剂和物理发泡剂2大类。试验所用发泡剂为河南安州亿化工产品有限公司生产的QW-100型号发泡剂，属于物理发泡剂的一种。

2) 稳泡剂。根据稳泡剂作用方式，可将掺入物分为2类：①增稠剂，通过增大黏度减小泡沫的排水速率，来达到增强泡沫稳定性的目的；②通过增强泡沫膜壁的韧性，减小张力，改善泡沫薄膜的质量来增强泡沫的稳定性。本试验选取阿拉伯胶、明胶、麦芽糊精、十二烷基苯磺酸钠(LAS)、羟丙基甲基纤维素(CAB)及椰油酰胺基丙基甜菜碱(HPMC)等市场上常见和工程中常用的稳泡剂进行了泡沫性能检测试验。

1.2 发泡液的制备

本试验依托广州从化至清远连州高速公路高填方路堤填筑工程，采用泡沫轻质土作为路基填筑材料，依据施工要求和相关规范要求，发泡剂稀释倍数取40。故在使用发泡机制备泡沫群之前，先取25 mL发泡剂母液于烧杯或量筒中，加入1 000 mL水将发泡剂稀释40倍。然后，使用电子秤称取一定掺量的稳泡剂，加入发泡液中搅拌，形成试验所用发泡剂。

1.3 性能测试方法

1) 发泡倍数测定。首先用量杯或量筒称取一定量的发泡剂稀释液，加入稳泡剂，利用发泡机使其充分发泡；将电子秤调平后，称量准备盛装泡沫的干燥容器质量；然后将容器取泡沫样，并用平口刀将泡沫试样与杯口刮平，称量总质量；最后利用公式求出泡沫密度和发泡剂发泡倍数。

(1)

(2)

式中：ρ为泡沫密度，g/cm3；m1为干燥容器质量，g；m2为盛满泡沫的容器质量，g；V为盛装泡沫的容器体积，cm3；M为发泡倍数；ρ0为泡沫剂水溶液密度，取1.0 g/cm3。

3) 泡沫沉降距和泌水量测定。沉降距是指1 L泡沫1 h的下降距离，泌水量是1 L泡沫1 h消泡后余留下的发泡液，与消泡时间一样是衡量泡沫稳定性的指标。

将发泡好的泡沫装入1 L的容器中，沿容器顶部刮去泡沫，然后将边长为5 cm的方纸片放在泡沫上并记录时间，沉降距为1 h后泡沫下降的距离，mm。容器内的泡沫会随着时间的推移逐渐分解，将泌出的水倒入50 mL的量杯中测量，测定1 h内容器中所分泌出水量(mL)就是泌水量。

对不同稳泡剂掺量的发泡剂制成的泡沫，进行发泡倍数、沉降距、泌水量性能测定，每组进行3次试验取平均值。

2 单一稳泡剂对发泡剂性能影响对比分析

将6种稳泡剂对发泡剂性能的影响进行统一对比分析。各稳泡剂对泡沫性能的影响对比见图1～图3。

图1 各稳泡剂对发泡倍数影响对比图

图2 各稳泡剂对泡沫泌水量影响对比图

图3 各稳泡剂对泡沫沉降距影响对比图

由图1可知，麦芽糊精对泡沫发泡倍数的影响最为优良，麦芽糊精的掺入对发泡剂的发泡能力有一定的促进作用。十二烷基苯磺酸钠对发泡倍数的影响次之，其质量分数在0.5%之前对发泡倍数的影响不大，之后随着掺量的增多表现出抑制作用。随着羟丙基甲基纤维素质量分数的增加，发泡剂的发泡倍数呈下降趋势，并且下降速度较快，降低幅度可达到15%左右，对发泡剂的发泡能力表现出较大的削弱能力，对发泡倍数的影响较明显。明胶水溶液对发泡倍数的影响与HPMC类似，当质量分数为0.5%时，发泡倍数相较母液降低了41.2%。阿拉伯胶质量分数在0.3%之前发泡倍数呈缓慢下降趋势，下降幅度为4.6%和2.5%，当阿拉伯胶质量分数大于0.3%，发泡剂发泡倍数下降趋势加快。较少的CAB用量可使发泡倍数有一定减小，但整体变化幅度不大。

由图2可知，泡沫泌水量随着阿拉伯胶和LAS、HPMC、CAB质量分数的增加均不断减少，在LAS质量分数为0.3%之前，下降幅度较小，CAB质量分数为0.1%～0.15%之间时变化幅度最大，泌水量由29.46 mL降低到26.31 mL，降低了10.7%。泡沫的泌水量随着明胶水溶液和麦芽糊精质量分数的增加呈现先减小后有所增加的现象。整体来看阿拉伯胶和CAB对泡沫泌水量性能的影响较为优良。

由图3可知，十二烷基苯磺酸钠、明胶及羟丙基甲基纤维素对发泡剂泡沫沉降距的影响相差不大，沉降距均随着掺量的增加整体呈现下降趋势。随着麦芽糊精质量分数的增加泡沫沉降距缓慢上升，但影响不大。阿拉伯胶和椰油酰胺基丙基甜菜碱对泡沫沉降距的影响效果最为明显，较少的掺量可使沉降距明显降低，CAB在质量分数为0.1%～0.15%之间时变化幅度最大，沉降距由10.71 mm降低到7.74 mm，降低了27.7%，阿拉伯胶在质量分数为0.4%之前对沉降距有较好改善效果，之后随着掺量的增多，泡沫沉降距有所上升。

综合考虑发泡剂的发泡能力和泡沫稳定性，阿拉伯胶、明胶水溶液、麦芽糊精、十二烷基苯磺酸钠、羟丙基甲基纤维素和CAB的最佳掺入量的质量分数分别0.3%，0.5%，0.3%，0.5%，0.4%，0.15%。

3 多元稳泡剂对发泡剂性能的影响

在上述所采用的稳泡剂中，选取2种类型中的优良稳泡剂进行复配，以提高发泡溶液的综合性能。从单一稳泡剂的稳泡性研究中可以发现，阿拉伯胶和麦芽糊精对复合发泡剂的泡沫稳定性具有良好的效果，而在第二类稳泡剂中十二烷基苯磺酸钠以及CAB也具备优异的稳泡性能。目前研究发泡剂的方法有互补法、协同法、增效法和增加功能法[7-8]。因此本文对发泡剂的改性主要为采用上述互补法进行研究，选择阿拉伯胶和LAS、麦芽糊精和CAB进行复配。

3.1 麦芽糊精和CAB复配对发泡剂性能的影响

将25 mLQW-100发泡剂母液加入1 000 mL水中，稀释40倍并充分搅拌。固定CAB的质量分数为0.15%，分别量取质量分数为0.25%，0.27%，0.30%，0.32%，0.35%的麦芽糊精粉末加入发泡液中，使其充分溶解。然后使用发泡机发泡，形成致密泡沫群，测定不同掺量的复配发泡剂的发泡倍数、沉降距及泌水量。研究麦芽糊精和CAB复配对发泡剂的改性影响，其试验结果见表1和图4。

表1 麦芽糊精+CAB对复合发泡剂性能的影响

由表1可见，当取CAB质量分数为0.15%，麦芽糊精质量分数为0.25%～0.35%时，泡沫的发泡倍数、泌水量和沉降距整体变化不大。两者复配的多元稳泡剂对发泡剂的改性效果相对2种单一稳泡剂来讲整体较为优良。

图4 麦芽糊精+0.15% CAB对发泡剂性能的影响

由图4可知，发泡剂发泡倍数和泡沫泌水量均在麦芽糊精质量分数为0.25%～0.27%时，呈下降趋势，在其质量分数为0.27%～0.35%时有缓慢上升，但影响不大。泡沫沉降距在麦芽糊精质量分数在0.25%～0.35%范围内，随着麦芽糊精掺量的增加而不断减小。当麦芽糊精掺量增至0.35%时，泡沫沉降距降低至6.92 mm，下降幅度为18.1%。

试验证明，椰油酰胺基丙基甜菜碱和麦芽糊精的复配对复合发泡剂具有良好的伍配性。综合考虑发泡剂的发泡倍数和泡沫稳定性能，选择麦芽糊精的最佳掺入质量分数为0.27%，此时发泡剂的发泡倍数为25.57，泌水量为24.61 mL，沉降距为7.21 mm。

3.2 阿拉伯胶和LAS复配对发泡剂性能的影响

将25 mLQW-100发泡剂母液加入1 000 mL水中，稀释40倍并充分搅拌。固定LAS的质量分数为0.5%，分别量取质量分数为0.22%，0.25%，0.27%，0.30%，0.32%的阿拉伯胶粉末加入发泡液中，使其充分溶解。然后使用发泡机发泡，形成致密泡沫群，测定不同掺量的复配发泡剂的发泡倍数、沉降距及泌水量。研究阿拉伯胶和LAS复配对发泡剂的改性影响，其试验结果见表2和图5。

表2 阿拉伯胶+LAS对复合发泡剂性能的影响

图5 阿拉伯胶+0.5% LAS对发泡剂性能的影响

由图5可见，发泡剂发泡倍数和泡沫泌水量均在阿拉伯胶质量分数为0.22%～0.32%时，随着麦芽糊精掺量的增加而不断减小。当阿拉伯胶掺量增至0.32%时，发泡剂发泡倍数降低至22.74，泡沫泌水量减小到25.65 mL。泡沫沉降距在阿拉伯胶质量分数在0.22%～0.25%范围内呈下降趋势，当阿拉伯胶的质量分数在0.25%～0.32%范围内时，泡沫沉降距有缓慢上升，但影响不大。

从试验结果可以看出十二烷基苯磺酸钠和麦芽糊精阿拉伯胶的复配对复合发泡剂的改性效果也相对优良。综合考虑发泡剂的发泡倍数和泡沫稳定性能，选择阿拉伯胶的最佳掺入的质量分数为0.25%，此时发泡剂的发泡倍数为23.43，泌水量为24.24 mL，沉降距为6.87 mm。

对比质量分数为0.27%麦芽糊精+质量分数0.15%椰油酰胺基丙基甜菜碱、0.25%阿拉伯胶和0.5%十二烷基苯磺酸钠的复配对复合发泡剂的性能影响结果可以看出，两者发泡剂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优于后者，且十二烷基苯磺酸钠的掺量相对较大。综合考虑发泡剂的性能及经济性等原因，最终选择质量分数为0.27%麦芽糊精+质量分数0.15% CAB作为稳泡剂。

4 结论

1) 本文重点分析6种单一稳泡剂对泡沫性能的影响，最终确定了各稳泡剂的最佳掺量。

2) 结合试验结果中各稳泡剂对泡沫性能的影响，对比分析各稳泡剂的优缺点，最终选择阿拉伯胶和十二烷基苯磺酸钠十二醇、麦芽糊精和CAB进行多元稳泡剂对发泡剂的改性研究。

3) 综合考虑发泡剂的性能，最终选择质量分数为0.27%麦芽糊精+质量分数为0.15% CAB作为稳泡剂，此时发泡剂的发泡倍数为25.57，泌水量为24.61 mL，沉降距为7.21 mm，相较原始母液分别降低了11.2%、17%和44.5%，可有效减少沉降，控制泡沫稳定性。