泡沫混凝土制備與關鍵技術性能影響因素研究

趙志忠，鄭建安，鄒 前，黎碧云，黃顯智

(1.廣西河田高速公路有限公司，廣西 百色 531500；2.廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530022；3.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；4.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；5.廣西壯族自治區公路隧道安全預警工程研究中心，廣西 南寧 530007)

0 引言

泡沫混凝土由水泥漿體與預先制備好的泡沫混合而成。硬化后的泡沫混凝土內部含有大量封閉的氣孔，因此具有易施工、輕質、抗震等優勢[1]。目前，泡沫混凝土已在軟土地基回填、空洞填充、隧道塌方治理、漏水封堵等工程中得到了應用[2]，且工程應用量持續穩定增長。泡沫穩定性對泡沫混凝土性能有先決作用，直接影響泡沫混凝土的密度、強度和導熱性能等。不穩定的泡沫用于制備泡沫混凝土時，通常會出現成型塌陷現象，從而對泡沫混凝土帶來負面影響。正確評價發泡劑的穩泡能力，對其工程應用具有重要意義。國外學者Petkova R等[3]采用消泡時間評價泡沫的穩定性，國內學者榮輝等[4]則采用1 h沉降距對泡沫穩定性加以衡量，但其未進一步對這一評價指標的意義進行說明。

本文采用不同稀釋倍率進行發泡，以不同方式對泡沫穩定性進行評價分析，并制備泡沫混凝土進行水固比影響研究，以期為工程設計及施工提供參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本研究所用水泥為海螺牌42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理性能如表1所示。

表1 水泥物理性能表

本研究所用發泡劑為復合型發泡劑，為淺黃色透明色粘稠液體，無刺激性氣味。

本研究所用水為飲用自來水。

1.2 試驗方法

為選出適宜的發泡劑稀釋倍率，本研究先進行了40倍、50倍、60倍三種不同稀釋倍率下泡沫的穩定性試驗。泡沫1 h沉降距、1 h泌水量參考《泡沫混凝土發泡劑》(JC/T 2199-2013)進行測試。

試驗中的泡沫混凝土設計濕密度為600 kg/m3，具體配合比如表2所示。

表2 泡沫混凝土配合比計算結果表

本試驗采用物理發泡方式，泡沫混凝土的主要制備流程如下：(1)將發泡劑與水按照一定的稀釋倍率配制成稀釋液，待攪拌均勻后，采用微型水泥發泡機以適合的發泡速率進行發泡；(2)將水泥、水按照規定質量比例稱量，并投入攪拌機拌和2 min；(3)稱取相應泡沫，與水泥漿體混合攪拌均勻，即可進行后續試驗。

將混合均勻的拌和物一次性裝入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的模具中，邊澆筑邊輕輕敲打模具，使試件內無大氣泡滯留。采用保鮮膜覆蓋，養護至24 h后拆模，并密封養護至規定齡期。

本試驗研究中泡沫混凝土流動性試驗參考《泡沫混凝土應用技術規程》(JGJ/T 341-2014)進行，并以流值表征。

2 結果與討論

2.1 稀釋倍率對泡沫穩定性的影響

40倍、50倍、60倍稀釋倍率下泡沫的穩定性如表3所示。由表3可以看出，三種稀釋倍率下制備的泡沫在靜置1 h后均未發生沉降現象，即泡沫1 h沉降距均為0。一般而言，在泡沫液膜的排液變薄、氣體擴散和膜破裂[1]三種作用下，氣泡群中的氣泡將逐漸消減，直觀上表現為高度下降，因此沉降距越小說明該氣泡群越穩定。本試驗中三種稀釋倍率下泡沫1 h沉降距均為0，說明此時泡沫沉降距無法對該泡沫的穩定性進行評價。另一方面，也說明該發泡劑的穩定性相對較好，氣泡雖然產生了部分破裂，但主要表現為相鄰小氣泡間融合、連通成大氣泡[5]，因此在整體上下沉不明顯，故其沉降距接近。

隨著發泡劑稀釋倍率的增加，泡沫1 h泌水量大幅增加。當發泡劑稀釋倍率為40倍時，泡沫1 h泌水量為27.5 mL，稀釋倍率增加到60倍時，泡沫1 h泌水量達50.1 mL，較前者增加了82.2%。泡沫中液體的析出是泡沫失穩的表現，這種現象主要來源于Plateau邊界氣泡的相互擠壓和重力作用[6-7]，1 h泌水量越大，表明泡沫受到這兩種作用的影響越大，泡沫消泡越多，泡沫群的穩定性越差。在本試驗中，三種稀釋倍率下泡沫穩定性由高到低分別為40倍、50倍、60倍，因此，在本文后續研究中均以40倍稀釋倍率制備泡沫。

表3 稀釋倍率對泡沫穩定性的影響試驗結果表

2.2 水固比對泡沫混凝土性能的影響

2.2.1 水固比對流動性的影響

水為泡沫混凝土漿體組分中的流體，是影響其流動性的關鍵因素。在泡沫混凝土的應用工程中常以改變水固比(在本研究中固體指水泥)的方式調整漿體流動性。圖1為泡沫混凝土流動性與水固比的關系曲線圖。由圖1可見，水固比為1∶1.6～1∶2.0的泡沫混凝土漿體，其流值為164～186 mm。水固比為1∶1.6和1∶1.7時，流值均為186 mm。繼續增大固體比例時，隨著固體比例增大，泡沫混凝土的流動性幾乎呈線性下降趨勢。這是由于固體比例增大時，泡沫液膜含的水分較少，漿體較為黏稠，因而流動性降低。

圖1 水固比對泡沫混凝土流動性的影響曲線圖

2.2.2 水固比對強度的影響

由圖2可知，泡沫混凝土水固比從1∶1.6變化到1∶2.0時，其7 d和28 d無側限抗壓強度均先增后減，當水固比為1∶1.7時，泡沫混凝土的無側限抗壓強度達到最大值。水固比為1∶1.6時，7 d和28 d無側限抗壓強度分別為0.83 MPa和1.51 MPa；水固比為1∶1.7時，7 d和28 d無側限抗壓強度分別為1.17 MPa和2.03 MPa，較前者分別提高了41.0%和34.4%。水固比為1∶1.8時，泡沫混凝土無側限抗壓強度與水固比為1∶1.7時接近，固體參數超過1.8后，無側限抗壓強度降低。水固比為1∶2.0時，泡沫混凝土7 d和28 d無側限抗壓強度比水固比為1∶1.7時分別下降了21.4%和12.8%。

水固比中的固體比例較小，即水比例較大時，大量水分在泡沫混凝土硬化過程中被蒸發，使泡沫混凝土內部形成連通孔隙[8]，從而降低泡沫混凝土的密實度與強度，因此水固比為1∶1.6時的泡沫混凝土比水固比為1∶1.7時的泡沫混凝土強度低。然而，并非是固體比例越大，泡沫混凝土的強度越高。當固體比例增大時，泡沫與漿體之間的摩擦增大，更多泡沫將產生破裂與消減現象，從而使泡沫混凝土漿體內泡沫分布不均，導致泡沫混凝土缺陷增加，強度有所下降[8]。因此，當水固比中的固體參數>1.8時，出現明顯的強度下降現象。

圖2 水固比對泡沫混凝土無側限抗壓強度的影響柱狀圖

綜合考慮，在目標密度為600 kg/m3的情況下，水固比為1∶1.7時流值最大，有利于施工。同時，該比例下泡沫混凝土的無側限抗壓強度為試驗比例范圍內的最大值。因此，本研究中的最佳水固比為1∶1.7。

3 結語

通過本文研究可以得到以下主要結論：

(1)發泡劑的穩定性相對較好時，氣泡雖產生了部分破裂，但以相鄰小氣泡間融合、連通成大氣泡為主，泡沫群整體下沉不明顯，因此，泡沫沉降距無法對其進行穩定性評價。隨著發泡劑稀釋倍率的增加，泡沫1 h泌水量增加，泡沫穩定性越差。40倍稀釋倍率下該發泡劑制備的泡沫穩定性最好。

(2)隨著水固比中固體比例的增加，泡沫混凝土的流

動性降低，7 d和28 d無側限抗壓強度均先增后減。

(3)當設計濕密度為600 kg/m3，水固比在1∶1.6～1∶2.0間變化時，最佳水固比為1∶1.7，此時泡沫混凝土流值、7 d和28 d無側限抗壓強度均達到最大值，分別為186 mm、1.17 MPa和2.03 MPa。