H2O2原位發泡輕混凝土的制備與性能表征

樊傳剛，吳　瑞，黃興田，陳　賀，孟方方，李家茂

(1. 安徽工業大學 材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243002；2. 馬鞍山市墻體材料改革辦公室，安徽 馬鞍山 243000；3. 馬鞍山17冶工程科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

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H2O2原位發泡輕混凝土的制備與性能表征

樊傳剛1，吳瑞1，黃興田2，陳賀3，孟方方1，李家茂1

(1. 安徽工業大學 材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243002；2. 馬鞍山市墻體材料改革辦公室，安徽 馬鞍山 243000；3. 馬鞍山17冶工程科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

以H2O2溶液(質量濃度30%)為發泡劑，粗、細膨脹珍珠巖顆粒為輕集料和發泡劑載體，明膠為穩泡劑，采用將加載發泡劑的載體拌入輕集料混凝土的水泥漿中原位化學發泡的方法，制備出了系列輕混凝土試樣，并對其性能進行了系統表征。結果表明，原位發泡輕混凝土中外加1.5%(質量分數)膠凝材料量的穩泡劑后，對氣泡有較為理想的穩泡作用，可獲得均勻分布的細小氣泡(氣泡直徑0.5～1 mm)。原位發泡輕混凝土的體積密度隨發泡劑量增加而降低，隨穩泡劑量的增加而增大。當穩泡劑為膠凝材料量的1.5%(質量分數)時，原位發泡輕混凝土試樣的抗壓強度和導熱系數均隨著發泡劑量的增加而降低。其中，發泡劑量為膠凝材料量1.4%(質量分數)試樣的28 d抗壓強度為21 MPa，體積密度為940 kg/m3，比不發泡試樣的強質比提高了14%，導熱系數降低了13%。

輕混凝土；原位化學發泡；發泡劑載體

0　引　言

普通混凝土基材料變輕的途徑之一是使用輕集料取代普通集料[1-5]；途徑之二是使用物理和化學發泡的方法在混凝土結構中的膠結部分引入封閉氣孔[6-9]。但是，上述方法使材料變輕的同時其力學性能也隨之減弱。因此如何解決上述矛盾問題是擺在建材研究者面前極富挑戰性的問題。目前輕集料混凝土仍然是使高層建筑、大跨度橋梁等混凝土構件強質比提高的主要手段。雖然國內外在采用纖維和活性粉末增強等手段基礎上，發展出了一系列高性能輕集料混凝土并投入使用，由于其中的輕集料膠結部分為致密結構，所以該類混凝土的容重大多超過1 500 kg/m3[4-5]。文獻[8]在采用引氣劑的基礎上，嘗試將物理發泡劑和化學發泡劑加入輕集料混凝土的拌和物中，制備出更輕的用于建筑結構的輕集料混凝土。在輕集料混凝土引入封閉氣孔的過程中，無論是將物理發泡劑“預發泡”后拌入混凝土(或砂漿)，還是將化學發泡劑拌入混凝土后再發泡，拌合物中較粗集料的干擾明顯成為了泡沫或發泡劑均勻高效進入目標位置(即輕集料堆積間隙中的水泥灰漿或砂漿)的主要障礙，使輕集料混凝土無法有效變輕[8]。為此筆者采用一種H2O2原位發泡的輕混凝土制備方法嘗試去克服上述問題，即將發泡劑預加載到多孔載體中，然后通過攪拌將其投送到拌好混凝土的輕集料間水泥漿中均勻發泡，在發泡反應過程得到控制的條件下，獲得了一系列性能較為理想的輕混凝土試樣[10]。本文將系統介紹原位發泡輕混凝土試樣的制備與性能表征。

1 實驗

1.1原料與配合比設計

1.1.1原料

(1)42.5號普硅水泥(OP)，海螺牌，馬鞍山海螺水泥有限公司；(2) Ⅰ級粉煤灰，馬鞍山第二發電廠；(3) 膨脹珍珠巖：集料，粒度2～5 mm；載體，粒度<1 mm，產自河南信陽；(4) 其它外加成分：穩泡劑，明膠(工業級)；發泡劑，H2O2溶液，質量濃度30%(分析純)；減水劑，聚羧酸高效減水劑，馬鞍山中海集團產；催化劑，實驗室自制，含有某種過渡金屬離子；木質素纖維，長度5～10 mm，實驗室自制。

1.1.2輕混凝土配合比設計

基準混凝土配合比設計為水灰比0.3(質量比)；采用粉煤灰等量取代水泥法加入I級粉煤灰，取代率為20%；配料中外加木質素纖維占膠凝材料量的0.26%(質量分數)，采用2～5 mm粒度的粗膨脹珍珠巖為輕集料，輕集料(堆積體積，單位：L)與膠凝材料(質量，單位：kg)的比例為1∶2，粗膨脹珍珠巖加入膠凝材料漿體之前預濕，減水劑選用聚羧酸減水劑(為膠凝材料量的1.33%(質量分數))，發泡劑H2O2的外加量分別為膠凝材料量0，1.4%，2.8%，4.2%和5.6%(質量分數)(以下記作“發泡劑量0，1.4%，2.8%，4.2%和5.6%(質量分數)”)，采用小于1 mm的細膨脹珍珠巖顆粒為發泡劑載體，采用明膠為穩泡劑，其加入量分別為膠凝材料量的1%，1.5%和2%(質量分數)(以下記作“穩泡劑量1%，1.5%，2%(質量分數)”)。

1.2樣品制備與性能表征

按設計配合比稱取一定量的水泥、粉煤灰、木質素纖維、發泡劑、穩泡劑溶液、水、減水劑、催化劑溶液和膨脹珍珠巖。原位發泡載體的制備流程為：將發泡劑直接加入細膨脹珍珠巖中，然后緩慢攪拌30 s，使細膨脹珍珠巖成為加載發泡劑的載體，載體用量以飽和吸入發泡劑時的用量為準，飽和時載體用量(堆積體積，單位：mL)與發泡劑量(質量，單位：g)比為1∶2。將所稱取水泥、粉煤灰和木質素纖維喂入攪拌機中，先干拌30 s，再加入水、減水劑、穩泡劑和催化劑溶液，并依次慢攪30 s和快攪90 s，攪拌均勻后，向水泥漿中加入預濕粗膨脹珍珠巖并慢攪60 s，再向料漿中加入發泡劑載體并慢攪120 s，使發泡劑載體在輕集料混凝土的水泥漿中均勻混合后開始發泡。待發泡過程結束后，將發泡混凝土澆入10 cm×10 cm×10 cm和10 cm×10 cm×51.5 cm的混凝土標準試模中，并進行振動以脫出攪拌過程引入的大氣泡，靜養1d后脫模，脫模試樣在(20±2)℃水中養護至28 d齡期，從水中取出擦干，然后進行系列性能測試。

輕混凝土試樣的抗壓強度按GB/T500081-2002中的要求進行測試(WE-1000A型液壓式萬能試驗機，濟南試金集團有限公司產)；絕干密度按照GB/T11970-1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率的試驗方法》中要求進行測試；干縮率按照GB/50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中要求進行測試。其中抗壓強度和絕干密度測試試樣的尺寸均為10 cm×10 cm×10 cm；抗折強度、干縮率測試試樣的尺寸為10 cm×10 cm×51.5 cm的四方柱形。采用穩態法測定試樣的導熱系數(thermal conducting coefficient, TCC)(YBF-3型導熱系數測定儀，杭州大華儀器制造有限公司產)，試樣尺寸為?13.5 cm×4 cm。

2　結果與討論

2.1樣品形貌

采用H2O2制備泡沫輕混凝土的發泡反應如下

在無粗集料的普通化學發泡中，因膠凝材料和細集料的粒度較小，攪拌中對漿體產生的紊流粘滯作用小，高速攪拌可保證H2O2均勻分布到漿體的各個部位后均勻發泡[6,9]。當泡沫混凝土中需要粗(輕)集料進行增強和其它改性時，由于粗集料在攪拌中對漿體的紊流粘滯作用大，在同樣的攪拌條件下，無法保證H2O2均勻分布到漿體的各個部位(集料間隙)進行發泡。本文提出的原位發泡是將H2O2預先加載到膨脹珍珠巖顆粒(載體)中，再將其攪入已拌勻輕集料混凝土的水泥漿，當載體到達預定發泡位置后，H2O2緩慢從載體中釋放到集料堆積間隙的水泥漿中再發泡，該反應的滯后特征使發泡劑可通過載體與輕集料之間的相對剪切與對流運動，隨載體短時間均勻分布到集料的堆積間隙中進行原位發泡，該發泡過程中存在的可控機制為泡沫混凝土結構的強化和微區組織精細調控提供了可能。圖1所示為不同穩泡劑的原位發泡輕混凝土試樣的斷面照片，樣品的發泡劑加入量為2.8%(質量分數)。

圖1發泡劑含量2.8%(質量分數)時不同穩泡劑量的輕混凝土試樣斷面形貌

Fig 1 Cross-section morphology of resulting specimens of LC with different content of foam stabilizer and with 2.8wt% foaming agent content

從圖1可以看出，當穩泡劑量為1.5%和2%(質量分數)時，原位發泡的膠結部位除了個別較大氣泡外，其余氣泡直徑≤1 mm(通過對圖1中膠結部位氣泡大小和分布范圍進行測量和統計后確定)，大小分布均勻；當穩泡劑量為1%(質量分數)時，原位發泡的膠結部位氣泡尺寸超過3 mm，大小分布不均勻?？梢钥闯龇€泡劑對于原位發泡過程所形成氣泡尺寸大小有著較為明顯的影響，隨著穩泡劑量的增加，氣泡的直徑減小(穩泡劑變化范圍1%～1.5%(質量分數))。原位發泡獲得的輕集料膠結部位的上述空洞形貌將有利于輕混凝土力學性能的改善[9]。

2.2體積密度

圖2所示為不同穩泡劑含量輕混凝土試樣28 d體積密度(絕干)隨發泡劑量的變化關系。從圖中可以看出，在穩泡劑摻量相同時，試樣的體積密度隨著發泡劑量的增加而降低，這可歸結為輕混凝土中的氣孔量隨著發泡劑量增加而增加所致。對于穩泡劑量為1.5%(質量分數)的試樣，不加發泡劑時，試樣的體積密度為1 080 kg/m3，當發泡劑量為2.8%(質量分數)時，其體積密度為800 kg/m3，當發泡劑量為5.6%時，試樣的體積密度降低到680 kg/m3。

圖2發泡劑量變化對不同穩泡劑摻量輕混凝土試樣28 d體積密度的影響

Fig 2 Influence of the foaming agent content on the 28 d bulk density of resulting specimens of LC with different content of foam stabilizer

從圖2中還可以看出，對于發泡劑量相同的輕混凝土試樣，其28 d體積密度隨穩泡劑量增加而增大。這是因為穩泡劑明膠加入水泥漿后，使其內摩擦阻力增大，導致發泡劑原位發泡的單個氣體單位膨脹的界面阻力增大，從而使氣泡變小。結合圖1和圖2可以看出，穩泡劑量1.5%(質量分數)的穩泡作用較為理想。

2.3力學性能

圖3所示為1.5%(質量分數)穩泡劑的輕混凝土試樣28 d抗壓強度隨發泡劑量變化的關系。從圖中可以看出試樣的抗壓強度隨發泡劑量的增加呈現降低的趨勢：發泡劑量高于2.8%(質量分數)時，試樣抗壓強度隨發泡劑量增加而降低的幅度較大；發泡劑量<1.4%(質量分數)時，其降低幅度可忽略不計。其中，發泡劑量為1.4%(質量分數)時，輕混凝土試樣的28 d抗壓強度高達21 MPa；發泡劑量為2.8%(質量分數)時，其抗壓強度下降到了15 MPa。

圖3發泡劑量變化對含1.5%(質量分數)穩泡劑輕混凝土試樣的28 d抗壓強度影響

Fig 3 Influence of the foaming agent content on the 28 d compressive strength of resulting specimens of LC with 1.5wt% foam stabilizer

圖4所示為1.5%(質量分數)穩泡劑的輕混凝土試樣28 d強質比與發泡劑量之間的關系。從圖中可以看出試樣28 d強質比隨發泡劑量的增加先增加后降低，當發泡劑量為1.4%(質量分數)時，試樣的強質比出現極大值。這說明穩泡劑量為1.5%(質量分數)和發泡劑量為1.4%(質量分數)時，所獲得輕混凝土試樣具有明顯的輕質高強特征。

圖4發泡劑量變化對含1.5%(質量分數)穩泡劑的輕混凝土試樣28 d強質比的影響

Fig 4 Influence of the foaming agent content on the 28 d specific strength (SS) of resulting specimens of LC with 1.5wt% foam stabilizer

2.4導熱系數

圖5所示為1.5%(質量分數)穩泡劑輕混凝土試樣的導熱系數隨發泡劑量變化的關系。從圖中可看出試樣的導熱系數隨發泡劑量的增加而顯著降低，這主要是由于隨著發泡劑量增加，混凝土試樣中的≤1 mm直徑孔洞量增大(見圖1)，使樣品的膠結部分熱阻增大，再加上所含骨料本身具有較低的導熱系數，從而使輕混凝土的導熱系數降低[9]。

圖5發泡劑量變化對含1.5%(質量分數)穩泡劑的輕混凝土試樣導熱系數影響

Fig 5 Influence of foaming agent content on the TCC of resulting specimens of LC with 1.5wt% foam stabilizer

3　結　論

以膨脹珍珠巖為輕集料和發泡劑載體， H2O2溶液為化學發泡劑，明膠為穩泡劑，通過原位發泡法制備出了系列輕混凝土試樣，對其性能進行系統表征后，得出的結論如下。

(1)原位發泡輕混凝土試樣的體積密度隨發泡劑量的增加而降低；隨穩泡劑量的增加而增加。試樣中外加膠凝材料量1.5%(質量分數)的明膠后，對氣泡有較為理想的穩泡作用，發泡劑量為膠凝材料的2.8%(質量分數)時可獲得體積密度為800 kg/m3的輕混凝土。

(2)穩泡劑量為膠凝材料的1.5%(質量分數)時，原位發泡輕混凝土試樣的抗壓強度隨發泡劑量的增加而降低，其中發泡劑量為膠凝材料的2.8%(質量分數)試樣的28 d抗壓強度為15 MPa，發泡劑量為膠凝材料的1.4%(質量分數)試樣的28 d抗壓強度為21 MPa。

(3)穩泡劑量為膠凝材料的1.5%(質量分數)的原位發泡輕混凝土，其膠結部位具有較小的氣泡直徑，再加上所膠結輕集料本身較低的導熱系數，使其熱阻增大，從而使輕混凝土試樣的導熱系數隨著發泡劑量的增加而降低。當穩泡劑量和發泡劑量分別為膠凝材料的1.5%和2.8%(質量分數)時，該試樣的導熱系數僅為0.16 W/(m·K)。

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Preparation and characterization of the lightweight concrete produced by H2O2chemical foaming in situ

FAN Chuangang1, WU Rui1, HUANG Xingtian2, CHEN He3, MENG Fangfang1, LI Jiamao1

(1.School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma’anshan 243002,China;2. Ma’anshan Wall Material Reform Office, Ma’anshan 243000, China;3. Ma’anshan MCC17 Engineering Science and Technology Co. Ltd., Ma’anshan 243000, China)

The lightweight concrete (LC) specimens were prepared using the method of chemical foaming in situ. In the foaming process, the H2O2was used as foaming agent, the coarser and fine expanded perlites were used as lightweight aggregate and as carrier for H2O2respectively, and the gelatin was used as foam stabilizer. The foaming reaction of H2O2was taken place after it was being charged into carriers and the charged carriers were mixed into the mortar previously. The mortar was enclosed by the lightweight aggregates in fresh concrete. The properties of the resulting LC specimens were characterized systemically. It was found that the adding amount of 1.5wt% foam stabilizer had the promising stabilization for the foam formed in situ, which resulted in the bubbles with 0.5-1 mm diameter in homogeneous distribution. The bulk densities (BD) of resulting LC specimens were decreased with the increasing of the adding amount of foaming agent, and increased with the adding amount of foam stabilizer. For the resulting LC specimens with foam stabilizer amount of 1.5wt%, their 28 d compressive strengths (CS) and thermal conducting coefficients (TCC) were decreased with the increase of the amount of foaming agent. Among them, the resulting LC specimen with foaming agent of 1.4wt% had the 28 d CS of 21 MPa and the BD of 940 kg/m3. As compared with that of the resulting LC specimen without foaming agent, its specific strength value was improved by 14% and its TCC was decreased by 13%, respectively.

lightweight concrete; chemical foaming in situ; carrier of foaming agent

1001-9731(2016)05-05129-04

安徽省科技攻關資助項目(1301042105)

2015-05-10

2016-01-10 通訊作者：樊傳剛，E-mail: chgfan@ahut.edu.cn

樊傳剛(1967-), 男, 安徽淮南人，博士，教授，研究方向為綠色、低碳無機非金屬材料制備。

TU528.2

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.024