增稠劑與減水劑對泡沫混凝土孔結構穩定性的影響

白應華，田冉，李華偉，章啟航

（1.湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068；2.武夷學院 土木工程與建筑學院，福建 武夷山 354300）

0 前言

泡沫混凝土是一種多孔材料，由于其能耗低、成本低、節能特性被廣泛應用于多個領域[1-3]。漿料適宜的流動度和泡沫質量在泡沫混凝土的生產中具有重要意義，因為它們在最大限度提高泡沫穩定性與分布均勻上起到非常重要的作用[3]。聚羧酸減水劑被成熟應用于提高新拌混凝土的工作性能。朱俊杰等[4]研究發現，聚羧酸減水劑在低摻量下可對硬化后的泡沫混凝土孔結構進行優化，并提高整體結構抗壓強度。目前許多研究學者證明多數增稠劑在低摻量下穩泡、在控制和改善泡沫的質地方面非常有效。錢逸文等[5]采用纖維素醚作為穩泡劑研究表明，摻0.3%纖維素醚的樣品孔徑分布更小、更窄。但由于纖維素醚可有效促進料顆粒之間的凝聚[6]，從而提高漿體塑性黏度，增塑增稠，Laetitia Patural等[7]研究表明，摻0.27%纖維素醚后漿體表現出強保水性。因此在外摻減水劑保證新拌漿體流動性時，兩者之間存在相容適配性問題，容易造成漿體流動性與稠度難以同時協調[8]。

目前多數是研究了單摻減水劑或增稠劑下泡沫混凝土的孔結構與性能，對于兩者之間的協同關系對泡沫漿體調控情況，以及硬化后的孔隙形狀和尺寸變化對材料強度等特性產生影響少有研究。本文著重研究了減水劑和增稠劑間的競爭與協同對新拌泡沫漿體的流動性以及硬化后的孔結構的影響，并以期通過增強泡孔結構的穩定性，提高整體硬化泡沫混凝土的強度。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：唐山北極熊42.5級快凝快硬硫鋁酸鹽水泥。聚羧酸減水劑：巴斯夫，其成分為磺化三聚氫胺。增稠劑：河北晴俊，冷水速溶羥丙基甲基纖維素HPMC，白色粉末，100目通過率大于98.5%，2%水溶液表面張力42~56 mN/m。蛋白類發泡劑：河南華泰HTW-1型復合發泡劑，淺色透明液體，稀釋倍數為40倍；高分子類發泡劑：合肥百樂能源設備有限公司生產的高分子復合型發泡劑和鄭州鵬翼化工建材有限公司生產的QW-100水泥發泡劑，均采用稀釋倍數為40倍。

1.2 試驗方法

根據“等體積替換法”對泡沫混凝土的設計濕密度計算配合比，利用攪拌器對混合干粉慢攪1 min，同時將水與稱量好的增稠劑攪拌1 min混合成溶液，然后將增稠劑溶液加入水泥中，慢攪2~3 min后再快速攪拌2 min。在攪拌期間利用發泡機發泡并稱取所需的泡沫，快速加入水泥料漿中，再慢速攪拌1~2 min。按照JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應用技術規程》測試其濕密度，如果濕密度過大，則需要再加入一定的泡沫；但如果濕密度過小，則需要重新制備。對制備的泡沫混凝土進行流動度測試，然后進行澆注，養護12 h后拆模，放入標準養護室養護28 d。

1.3 測試與表征方法

（1）不同發泡劑的泡沫穩定性測試。利用發泡機對不同發泡劑進行發泡，將制備的新鮮泡沫填滿所用容器[9-10]，所用容器內徑為50 mm，高度為350 mm，在泡沫上表面輕輕放置1個塑料小球（質量為2.70 g），每隔10 min記錄1次泡沫的體積損失以及塑料小球下降的距離，以此表征泡沫的強度。泡沫穩定性測試見圖1。

圖1 泡沫穩定性測試

（2）流動度的測試。按照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》采用截模圓錐進行流動度測試。

（3）力學性能的測試。按照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》，試塊的28 d強度采用WAY-300D型水泥膠砂抗折抗壓試驗機進行測試，對于密度為600 kg/m3的試塊，加載速度設置為1 kN/s，對于密度為900 kg/m3以上的試塊，加載速度設置為2.4 kN/s。

（4）孔結構表征。孔結構圖像由泰斯肯VEGA掃描電子顯微鏡拍攝，保證可以使軟件輕松識別超過100個以上的氣孔[11]。然后利用Photoshop對拍攝圖像進行處理，并利用圖像分析軟件Image Pro Plus對其孔結構進行分析。

2 試驗結果與分析

2.1 泡沫穩定性

本試驗按每種市售發泡劑最佳的稀釋倍數進行稀釋，并對其泡沫穩定性進行測試。由于泡沫液膜的內外壓差，泡沫總是有向普拉托邊界排液的趨勢，泡沫排液時間的延緩則可以保證泡沫的穩定性，伴隨著排液，泡沫還會繼續粗化生長，當液膜強度不足時泡沫發生破碎，所以泡沫堆積體積和泡沫排液量可以充分表征泡沫的穩定性。試驗結果如圖2所示。

圖2 泡沫排水量和小球下降距離

由圖2可以看出，3種發泡劑中，河南華泰水泥發泡劑前期的泌水量較大，后期的泌水量保持恒定在17 mm，總體泌水量較小；而合肥百樂水泥發泡劑雖然泌水量較大，但是小球下降程度和速度最低。從整體上看，3種發泡劑前10 min小球下降的速度均較為緩慢；隨著時間的推移，泡沫的液膜張力無法維持內外壓力的平衡，液膜厚度不斷減小，溶液不斷排出，泡沫繼續生長甚至破裂，導致小球下降的速度越來越快。將0.25%增稠劑與華泰發泡劑溶液混合后，泌水情況和小球下降情況大大改善，表明增稠劑的引入大大改善了泡沫的穩定性。但是添加增稠劑40 min后泌水量增加，大大超過了未添加增稠劑的泌水量。可以認為是泡沫液膜變厚，泡沫液膜中的含水量也大大增加，隨之泌水量也大大增加，超出了原有的泌水量。這一現象在添加了0.4%增稠劑的泡沫中可以更好的體現，測試了添加0.4%增稠劑后制作泡沫的密度，達到了82 mg/cm3，遠遠超出了未加增稠劑的35 mg/cm3。將30 min視為添加了0.4%增稠劑的泡沫的穩定時間，這一時間遠遠超過了之前的10 min。

2.2 泡沫混凝土的流動性

對摻0.3%增稠劑和不同減水劑摻量的泡沫混凝土漿體進行流動度測試，結果如圖3所示。

圖3 減水劑摻量對泡沫混凝土漿體流動度的影響

由圖3可見，當減水劑摻量為0.5%時，隨著濕密度的減小（泡沫摻量增加），泡沫混凝土的工作性能逐漸下降。當不摻加減水劑時，提起試模，漿體仍然保持垂直堆積的狀態，這表明對于具有高空氣含量的泡沫混凝土而言，實現自密實性是有問題的，在制作此密度以下的泡沫混凝土時應予以考慮[12]。泡沫混凝土濕密度為600 kg/m3，減水劑摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時，泡沫混凝土的流動度逐漸增大，依次為110、135、160、200 mm。當減水劑摻量為2.0%時，表現出十分良好的流動性且擴展迅速，但此時試塊呈下層純水泥上層泡沫的分層現象。設計濕密度為900 kg/m3，由于泡沫量的減少，漿體的流動性優于設計濕密度為600 kg/m3的。當減水劑摻量大于1.0%時，泡沫漿體具有自流平性質，流動度達到了175 mm。纖維素醚形成的網狀和膜狀結構包裹住一個個水泥顆粒，并相互黏聚，使得水泥新拌漿體內部不僅存在水泥顆粒本身的吸引力，還增加了纖維素醚與水泥顆粒間的粘附力以及纖維素醚分子相互的內聚力[13]。而聚羧酸減水劑主要通過對水泥的絮凝結構進行破壞來改善其流動性，兩者宏觀上來說是相對立的[14]，纖維素醚由于分子質量較大，對漿體流動性下降的能力強于減水劑的改善作用，這種干擾能力隨著纖維素醚的分子質量增大而變大。但是隨著減水劑摻量的增加，減水劑在此吸附競爭下逐漸取得優勢，因此宏觀表現出流動性能越來越好。

2.3 孔結構分析

對不同減水劑摻量及不同密度的泡沫混凝土進行編號A-B，A代表泡沫混凝土密度，B代表減水劑摻量。對其內部結構進行掃描電鏡分析，對掃描圖像利用fiji進行處理。圖4～圖6分別為密度等級為600、900、1200 kg/m3泡沫混凝土在不同減水劑摻量下的孔徑分布。

圖4 密度等級600 kg/m3泡沫混凝土的孔徑分布

圖6 密度等級1200 kg/m3泡沫混凝土的孔徑分布

由圖4可見，減水劑摻量為0.5%時，密度為600 kg/m3的泡沫混凝土大孔孔洞直徑約為0.65 mm，大部分的孔洞直徑維持在0.1 mm附近；當減水劑摻量從1.0%增加到1.5%，大孔數量逐漸增多。可以看出，減水劑對孔徑分布有影響，隨著減水劑摻量的增加，泡沫混凝土的平均孔徑呈現上升的趨勢，且大孔數量增多。

由圖5可見，密度為900 kg/m3的泡沫混凝土依然表現出與密度等級600 kg/m3泡沫混凝土類似的趨勢，隨著減水劑摻量的增加，大孔數量增多，平均泡沫直徑增加。減水劑摻量為0.25%時，平均孔徑保持在0.1~0.2 mm。但是最大孔洞直徑為0.522 mm，不排除為攪拌過程中的空氣引入；減水劑摻量為0.5%時，最大孔洞直徑達到了0.698 mm，但是大部分孔徑均保持在0.1~0.3 mm；減水劑用量繼續增加至1.0%時，大孔數量逐漸增多，但值得注意的是，其余小孔依然保持在0.1~0.3 mm。

圖5 密度等級900 kg/m3泡沫混凝土的孔徑分布

由圖6可見，當減水劑摻量為0.1%時，密度為1200 kg/m3的泡沫混凝土出現了較大孔洞，平均孔徑為0.2~0.4 mm；隨著減水劑摻量的增加，孔結構表現出先變好后變差的趨勢。大孔可能源于泡沫生長也可能來源于攪拌引入，忽略大孔，其余孔洞的平均孔徑隨減水劑用量的變化情況可以較好證明之前的觀點。減水劑摻量為0.1%時，由于整體黏度較高，泡沫的流動性較差，造成在泡沫混合時泡沫破損或穩定性遭到破壞，泡沫呈現出生長的趨勢，所以相較于減水劑摻量為0.25%時平均孔徑較大；當減水劑摻量增加時，流動性逐漸改善，此時具有較好的孔結構；但隨著減水劑摻量繼續增至0.5%，流動性過大，為泡沫生長提供了較好的基體環境，而這恰是最不希望的。

由此可見，減水劑對密度為600 kg/m3泡沫混凝土的孔結構影響最大，對密度為1200 kg/m3的孔結構影響最小。另外，泡沫摻量的增加也會影響其孔結構，平均孔徑隨著泡沫摻量的增多而增大。可以預見的是，對于密度較小的泡沫混凝土，孔隙率的增加及平均孔徑的增大均會對其強度有著負面影響。

2.4 泡沫混凝土的抗壓強度

按上述減水劑與孔結構的關系，對最佳孔結構的泡沫混凝土分別進行抗壓強度試驗，并與JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應用技術規程》要求進行對比。結果見表1。

表1 泡沫混凝土的抗壓強度

由表1可見，由于制備泡沫混凝土的原材料（硫鋁酸鹽水泥）具有較高的基體強度，以及泡沫混凝土較窄的孔徑分布，所以各密度的泡沫混凝土均具有較高的抗壓強度。

3 結論

（1）一定范圍內，泡沫的穩定性隨著增稠劑的濃度的增加而增加。

（2）泡沫混凝土的流動性過好和過差都將影響其孔結構，試驗發現，減水劑可以在與增稠劑的吸附競爭下改善泡沫混凝土的孔結構。

（3）當密度為600 kg/m3時，減水劑對泡沫混凝土的孔結構影響最大；密度為1200 kg/m3時，減水劑對泡沫混凝土孔結構的影響最小。

（4）由于制備泡沫混凝土的原材料（硫鋁酸鹽水泥）具有較高的基體強度以及泡沫混凝土較窄的孔徑分布，所制各密度的泡沫混凝土均具有較高強度。