稳泡剂对低密度碱矿渣泡沫混凝土基本性能的影响

李凌峰，李建林，张智强

（1.重庆市南川区规划研究服务中心，重庆 408400；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；3.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045）

0 引 言

泡沫混凝土具有质轻、保温隔热、耐火、隔声减震等优异性能，已在建设工程领域中得到较为广泛的应用。以碱矿渣作为胶凝材料制备的碱矿渣泡沫混凝土具备能耗少、低水化热、高早期强度、抗冻、抗侵蚀性良好等优势[1-3]，是一种新型低碳节能材料。目前，制备干密度低于300 kg/m3的碱矿渣泡沫混凝土成为该领域研究热点。陈飞屹[4]系统研究了稳泡剂、水胶比、碱当量等因素对碱矿渣泡沫混凝土基本性能的影响，结果表明，当水胶比为0.55，碱当量为7%，水玻璃模数为1.2 时制备的碱矿渣泡沫混凝土的性能最好。Hajimohammadi 等[5]采用3 种不同的混合配方，研究了碱反应对碱激发泡沫混凝土孔径分布及其均匀性和密度的影响，通过优化配合比提升了其性能。嵇鹰等[6]研究了基体强度和孔结构对碱矿渣泡沫混凝土性能的影响，研究表明，孔结构是影响低密度碱矿渣泡沫混凝土性能的主要因素，通过优化孔结构提高了保留基底强度的能力，改善了低密度碱矿渣泡沫混凝土的性能。He 等[7]研究了AOS、K12、AES 三种发泡剂在碱矿渣水泥浆体中的发泡性能，得出AOS 发泡剂用于制备碱矿渣泡沫混凝土性能最优。闫秋会等[8]采用十二烷基硫酸钠与动物蛋白发泡剂以一定比例复配制得复合发泡剂，制备的泡沫混凝土试块的各项性能比同等密度下用其他方法制得的试块更优。Zhu 等[9]用阴离子表面活性剂作为发泡剂，用黄原胶作为泡沫稳定剂，可以降低泡沫混凝土的孔隙连接比，对泡沫混凝土的吸水率、保温性能和耐久性能都有很好的改善。

稳泡剂是影响泡沫混凝土孔结构及性能的关键组分。目前关于稳泡剂采用物理发泡制备泡沫混凝土的研究较多，而有关稳泡剂采用化学发泡制备泡沫混凝土的研究较少。有研究表明[10-12]，植物蛋白、茶皂素、硬脂酸钙这3 种表面活性剂具有比较好的起泡性能和稳泡性能，常被用作发泡剂和稳泡剂。本文以双氧水作为发泡剂，采用化学发泡的方式制备碱矿渣泡沫混凝土，主要研究稳泡剂种类与掺量对稳泡效果和碱矿渣泡沫混凝土基本物理性能的影响，并对试件的孔结构参数进行了测试分析。

1 试 验

1.1 原材料

矿渣：重庆钢铁集团有限责任公司，化学成分见表1，物理性能见表2。

表1 矿渣的主要化学成分 %

表2 矿渣的物理性能

激发剂：NaOH，分析纯，成都科隆化学品有限公司；水玻璃（WG），工业纯，重庆明宏化工材料有限公司，基本物质化参数见表3。试验前用NaOH 将水玻璃溶液的模数调至1.4。

表3 水玻璃的基本物化参数

发泡剂：双氧水，浓度为30%，市售；稳泡剂：茶皂素，工业级，陕西承乾生物科技有限公司；植物蛋白，工业级，市售；硬脂酸钙，工业级，广盈新材料（广州）有限公司。

催化剂：二氧化锰，分析纯，成都市科隆化学品有限公司生产。

1.2 溶液包裹气体能力的评价方法

首先将配制好的水玻璃溶液倒入带容量刻度的容器中，再加入稳泡剂，之后加入发泡桶，放置在磁力搅拌器上以500 r/min 的转速搅拌60 s，最后加入双氧水等待发泡。当气泡发泡到最高点时记录发泡体积，记录气泡体积衰减1/2 时的时间，用于评价溶液包裹气体的能力。

1.3 试件制备方法

将称量好的矿渣、激发剂、催化剂以及稳泡剂在水泥胶砂搅拌机中持续高速搅拌60 s，之后将发泡剂加入搅拌锅中继续保持高速搅拌15 s，最后浇筑在尺寸为100 mm×100 mm×100 mm 的三连模中静停发泡，并于3 d 后脱模，随即将试件移至标准养护室中养护至规定龄期备用。

1.4 性能测试方法

抗压强度：按照GB/T 5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》进行测试，试件尺寸为100 mm×100 mm×30 mm，每组3 个试块取平均值。

干密度：按照GB/T 5486—2008 进行测试。

质量吸水率：按照GB/T 5486—2008 进行测试，试块尺寸为40 mm×40 mm×40 mm，每组3 个试块取平均值。

孔结构分析：采用上海韧悦电子科技有限公司的RY605 CCD 工业显微镜拍摄泡沫混凝土断面，然后应用Image-Pro Plus 6.0 计算机图像处理软件测量孔结构参数[13]。

2 结果与讨论

2.1 稳泡剂稳泡能力评价

化学发泡法制备泡沫混凝土的过程是依靠发泡剂的化学反应生成气体，使溶液包裹气体形成大量气泡而达到发泡的效果。泡沫混凝土成型初期，浆体还未凝结没有强度，此时泡沫混凝土的形态主要依靠泡沫支撑，若泡沫的稳定性差，将导致气泡破裂，会使泡沫混凝土内部的孔结构被破坏，甚至出现塌模现象，影响泡沫混凝土的孔结构及性能。因此，稳泡剂的选用十分重要。稳泡剂对气泡稳定性通过发泡倍数以及气泡半衰期来评价[14]。图1、图2 分别为掺入稳泡剂的激发剂溶液中加入双氧水后发泡体积以及气泡半衰期。

图1 稳泡剂种类及掺量对溶液发泡体积的影响

图2 稳泡剂种类及掺量对泡沫半衰期的影响

由图1 可见，随着稳泡剂掺量的增加，发泡体积越来越大，说明溶液包裹气体的能力越来越强。3 种稳泡剂中，掺植物蛋白的溶液发泡体积最大，掺硬脂酸钙的溶液发泡体积最小。

由图2 可见，掺不同稳泡剂溶液发起的泡沫稳定性有一定差距，植物蛋白发起的泡沫稳定性最好，硬脂酸钙稳泡能力最差。有研究表明[15]，植物蛋白主要依靠水解蛋白稳定气泡，并且水解蛋白的分子质量比较大，溶液也更为黏稠，制备的气泡泡壁的液相黏度较大，液体迁移相对困难。此外，蛋白质分子之间还可通过羟基、羧基、氨基等基团形成氢键，强烈的氢键作用可形成保护膜，使气泡液膜的强度增加，促进了气泡的形成与稳定。因此，蛋白质类表面活性剂制备的气泡表现出良好的稳定性[16-17]。但有研究表明，硬脂酸钙能使气泡不溶于水，可提高泡沫液膜的弹性和机械强度，使液膜能够更好地经受外力而不破裂[18]。

2.2 单掺稳泡剂对泡沫混凝土基本物理性能的影响

试验研究了单掺茶皂素、植物蛋白、硬脂酸钙3 种稳泡剂对碱矿渣泡沫混凝土干密度、抗压强度、质量吸水率的影响，试验配合比见表4，结果见图3~图5。

图3 稳泡剂掺量对碱矿渣泡沫混凝土干密度的影响

表4 单掺稳泡剂碱矿渣泡沫混凝土试件配合比

由图3 可见，碱矿渣泡沫混凝土的干密度随着稳泡剂掺量的增加而降低，这是因为增加稳泡剂的掺量使溶液包裹气体的能力增强，更多的气体被包裹在浆体中。不同稳泡剂对泡沫混凝土的干密度影响程度不同，从试验结果来看，植物蛋白对碱矿渣泡沫混凝土的干密度降低效果最好，硬脂酸钙效果最差。掺茶皂素制备的试件密度最低可降至265 kg/m3，而掺植物蛋白制备的试件最低干密度可达到235 kg/m3。掺硬脂酸钙的试件干密度明显高于另外2 种稳泡剂制备的试件，用其作为稳泡剂制备试件的最低干密度为425 kg/m3，这与研究得到的硬脂酸钙发泡效果不好的结论相吻合。

由图4 可见，碱矿渣泡沫混凝土的抗压强度随着干密度的减小而下降。在同一密度等级下掺植物蛋白制备的泡沫混凝土的抗压强度高于掺茶皂素的，当干密度在270 kg/m3左右时，掺茶皂素的泡沫混凝土抗压强度为0.10 MPa，而掺植物蛋白的泡沫混凝土抗压强度为0.26 MPa。当掺植物蛋白的泡沫混凝土的干密度最低时，其抗压强度为0.14 MPa。从上述对溶液包裹气体能力的研究结果来看，掺茶皂素的气泡稳定性弱于掺植物蛋白的，气泡稳定性直接影响泡沫混凝土的内部结构，从而影响泡沫混凝土的强度。由此可见，气泡的稳定性是影响泡沫混凝土强度的重要因素，本试验中掺植物蛋白时气泡稳定性优于掺茶皂素，所以在同一密度等级下掺植物蛋白的泡沫混凝土抗压强度也更高。

图4 碱矿渣泡沫混凝土干密度与抗压强度的关系

由图5 可见，随着碱矿渣泡沫混凝土干密度的增大，其质量吸水率逐步减小。掺植物蛋白的泡沫混凝土质量吸水率比掺茶皂素的更小。当掺植物蛋白稳泡剂制备的干密度为235 kg/m3的泡沫混凝土的质量吸水率为62%，而掺茶皂素稳泡剂制备的干密度为265 kg/m3的泡沫混凝土的质量吸水率为75%。虽然硬脂酸钙稳泡剂制备的泡沫混凝土的密度整体较高，但是在同一密度等级下，植物蛋白稳泡剂制备的泡沫混凝土的质量吸水率更小。泡沫混凝土的质量吸水越小，表示其内部结构越好，连通孔少。以上测试结果说明，掺植物蛋白比掺茶皂素和硬脂酸钙的泡沫混凝土的孔结构更优。

图5 碱矿渣泡沫混凝土干密度与质量吸水率的关系

2.3 复掺稳泡剂对泡沫混凝土基本物理性能的影响

有研究表明[19]，单掺硬脂酸钙时的发泡效果不好，但与其他稳泡剂复掺后对气泡稳定性的提升效果较好。故本试验采用植物蛋白与硬脂酸钙复掺，固定植物蛋白的掺量为0.060%，依次增加硬脂酸钙的掺量，试验配合比见表5，所制备碱矿渣泡沫混凝土的基本物理性能测试结果分别见图6、表6。

图6 复掺硬脂酸钙掺量对碱矿渣泡沫混凝土干密度和抗压强度的影响

表5 复掺稳泡剂碱矿渣泡沫混凝土制备试件配合比

表6 复掺硬脂酸钙对碱矿渣泡沫混凝土质量吸水率的影响

由图6 可见，植物蛋白掺量保持0.060%不变，随着硬脂酸钙掺量增加，试件的干密度几乎没有改变，稳定在235 kg/m3左右；而抗压强度明显提高，在硬脂酸钙掺量为0.060%时达到最大值，为0.21 MPa，相较于单掺0.06%植物蛋白时，抗压强度提高了50%。由此可见，复掺硬脂酸钙稳泡剂后碱矿渣泡沫混凝土的抗压强度有显著提高。

由表6 可见，随着复掺硬脂酸钙掺量的增加，泡沫混凝土的质量吸水率逐渐减小，复掺0.060%硬脂酸钙后泡沫混凝土的质量吸水率为56%，同一密度等级下单掺0.060%植物蛋白不复掺硬脂酸钙时试件的质量吸水率为62%，可见复掺硬脂酸钙降低了泡沫混凝土的质量吸水率，制备的泡沫混凝土内部结构更好，连通孔的数量减少，质量吸水率减小。

2.4 孔结构分析

泡沫混凝土最大的特征是内部具有大量气孔，孔的大小、形状以及孔径分布都影响着泡沫混凝土的性能[20-21]。不同稳泡剂种类及掺量的试件孔结构参数见表7，断面照片见图7。

图7 泡沫混凝土孔结构的照片

表7 不同稳泡剂种类及掺量时碱矿渣泡沫混凝土的孔结构参数

由表7 和图7 可知，对比试件1-1 和1-4，植物蛋白掺量为0.015%时制备的碱矿渣泡沫混凝土的孔径比植物蛋白掺量为0.060%时的孔径更大，圆度更小，气孔壁更厚。对比试件1-4、1-8 以及1-12 可知，不同种类稳泡剂对碱矿渣泡沫混凝土的孔结构影响显著，硬脂酸钙为稳泡剂制备的泡沫混凝土的孔最大，圆度最小，但是其干密度最大，植物蛋白和茶皂素为稳泡剂制备的试件密度相差不大，但是植物蛋白为稳泡剂制备的试件气孔形态更清晰，孔的圆度更小，说明其孔结构保留得更好，对应植物蛋白为稳泡剂制备的试件性能也更好。对比试件1-4 和2-4 可知，同样是掺入0.060%的植物蛋白，试件2-4 复掺了0.060%的硬脂酸钙，其孔形态明显变得更清晰，孔也变得更大，圆度也更小，这说明复掺硬脂酸钙明显改善了碱矿渣泡沫混凝土的孔结构，从而也使试件的物理力学性能得到了提高。

3 结 论

（1）以双氧水为发泡剂，在碱激发剂为水玻璃-NaOH 的溶液中，分别掺入植物蛋白、茶皂素和硬脂酸钙稳泡剂的稳泡效果为：植物蛋白最好，茶皂素略差，硬脂酸钙最差。

（2）在其他条件相同时，分别单掺植物蛋白、茶皂素和硬脂酸钙3 种稳泡剂的情况下，单掺植物蛋白制备的碱矿渣泡沫混凝土试件的各项基本物理性能均最好，干密度为235 kg/m3，抗压强度为0.14 MPa，质量吸水率为62%；植物蛋白复掺0.060%的硬脂酸钙后，同密度等级下的试件抗压强度提高到0.21 MPa，质量吸水率降低至56%。

（3）同密度等级下，植物蛋白作稳泡剂比茶皂素作稳泡剂制备试件的孔结构形态更清晰，平均孔径更大，孔壁更厚，圆度也更小。复掺硬脂酸钙稳泡剂后使试件的孔结构得到了进一步优化。