泡沫混凝土發泡劑的改性試驗研究

陶 宇，唐旭光

（湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

通過引入大量封閉的氣孔，泡沫混凝土具有保溫、隔熱、防凍、防腐和輕質等優點，近年來被廣泛應用于建筑外墻保溫層、橋頭跳車、軟土區路基、管道回填及工程搶險等領域[1]。發泡劑作為制備泡沫混凝土的必要關鍵組分，其性能的優劣越來越引起人們的重視。發泡劑又名“泡沫劑”，是一種溶于水后，能夠降低液體表面張力，通過物理和化學方法產生大量均勻而穩定的泡沫的添加劑。按其發泡原理有物理發泡劑和化學發泡劑兩類，其中前者較為常見[2]。

現有關于泡沫混凝土發泡劑的研究主要集中在發泡改性方面，雷團結[3]等對比4 種陰離子表面活性劑，得出相同溶液濃度下AOS 的發泡能力最強，其次是K12、AES 次之，LAS 最差，并以0.8%的AOS為發泡劑母液，摻入0.20%的有機硅穩泡劑ZT-1 和0.02%的羧甲基纖維素CMC 發現泡沫性能達到最優；職紅濤[4]對比K12、LAS、AOS、AEO、AES 5 種發泡劑，發現K12 不僅發泡性能最優，價格還便宜；薛國毛[5]等試驗分析了單一和多元穩泡劑對泡沫性能指標的影響，選定質量分數為0.27%麥芽糊精+0.15%CAB 作為穩泡劑；王翠花[6]對蛋白質型發泡劑的改性試驗發現，三乙醇胺摻量為0.3～0.5%時，泡沫穩定性得到改善?，F選取4 種典型的物理發泡劑作為發泡液，以十二烷基硫酸鈉、羥丙基甲基纖維素和三聚磷酸納為改性劑對其進行改性研究，參照《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》從泡沫空氣穩定性和料漿穩定性來評價泡沫性能。

1 試驗

1.1 原材料

（1）物理發泡劑：復合動物蛋白活性劑，高分子植物蛋白活性劑，APG 烷基糖苷表面活性劑，松香酸納粉末。

（2）改性劑：十二烷基硫酸鈉（K12），羥丙基甲基纖維素（HPMC），三聚磷酸納（STPP）。

（3）輔助材料：P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；機制砂；自來水。

1.2 試驗設備

發泡裝置1 臺：小型變頻水泥發泡機，發泡能力100 L/min，空氣壓力8 kg，發泡流量調節（1-100）L/min；15 L 塑料圓桶；電子秤1 臺：量程2 000 g，精度1 g；1 L 燒杯2 個；精度0.02 mm 的深度游標卡尺1 把；邊長50 mm 方片紙；量筒50 mL、250 mL、1 000 mL 各1 個；數顯式秒表1 塊。

表1 不同穩泡組分對泡沫輕質土的影響一覽表

1.3 試驗方法

空氣穩定性：根據《泡沫混凝土發泡劑》（JC/2199—2013）[7]測試發泡劑發泡倍數，《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJ/T 177—2012）[8]測試發泡劑的1 h 沉降距和泌水量。

料漿穩定性：根據《現澆泡沫輕質土路基設計施工技術規程》（TJG F10 01—2011）[9]測試泡沫輕質土料漿標準沉陷距。

2 結果與分析

2.1 泡沫劑的發泡性能

將復合動物蛋白、高分子植物蛋白、松香酸納、APG 烷基糖苷4 種泡沫劑在不同稀釋比下進行發泡試驗，所發泡沫的沉降距、泌水量參數如圖1～圖3所示。隨著稀釋比的增加，除松香酸納外其他三種泡沫劑的發泡倍數逐漸減小，泌水量呈線性增加，沉降距表現相對穩定波動不大。相同稀釋比下高分子植物蛋白劑的發泡效率最高，當稀釋比從20 增大到50時，沉降距只增加了5 mm，泌水量增加了6 mL，波動幅度遠低于其他品種，且在20 與30 之間發泡效率相當穩定。

圖1 各種泡沫劑的發泡倍數曲線圖

圖2 各種泡沫劑的沉降距曲線圖

圖3 各種泡沫劑的泌水量曲線圖

綜合分析，通過以上三項指標對比，優先考慮稀釋比在30 條件下的泡沫溶液性能，高分子植物蛋白＞烷基糖苷＞復合植物蛋白＞松香酸納。

2.2 發泡機流量對泡沫性能的影響

根據上一步的試驗結果，以稀釋比30 的高分子植物蛋白劑溶液為發泡母液，分別在發泡機25、40、50、60、75、100 L/min 的流量下進行發泡試驗和泡沫性能測試。結果如圖4、圖5 所示，隨著流量的增大，發泡倍數曲線呈先遞增后遞減的趨勢，在流量50 L/min 附近出現峰值達55，泌水量曲線呈先下降后上升趨勢，在該點處出現最小值僅有15 mL，沉降距曲線單調遞減在60 到75 L/min 之間有所放緩。

圖4 流量對發泡效率的影響曲線圖

圖5 流量對泡沫性能的影響曲線圖

綜上分析，當流量在20 到50 L/min 之間時，泡沫氣液混合不均勻，氣多液少。泡沫較輕，氣泡液膜較薄穩定性差，雖然泡間泌水較少但是容易破泡。當流量在50 到60 L/min 之間時，發泡機吸入的發泡液增多，氣液交互充分，流出的泡沫均勻而富有彈性、流動性好，氣泡的液膜厚度適中，泡沫穩定性高。當流量在60 到100 L/min 時，設備吸入的液體大于吸入的空氣，機械發泡能力下降，流出泡沫流動性高，但是過高的含水率導致泌水量嚴重氣泡穩定性下降。不利于混凝土后期強度的增長。綜合考慮，優選發泡劑流量50 L/min 的工況。

2.3 改性劑對發泡母液的影響

以十二烷基硫酸鈉（K12）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）、三聚磷酸鈉（STPP）為改性劑，對發泡母液在常溫下進行復配改性試驗和泡沫性能測試。

（1）將十二烷基硫酸鈉按照0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%、1.3%、1.5%的摻量加入到已制備好的發泡母液中，試驗結果如圖6、圖7 所示。

圖6 K12 改性的發泡曲線圖

圖7 K12 改性的泡沫性能曲線圖

隨著K12 摻量的增加，發泡倍數先增加后減小呈山峰狀分布，在1%附近達到峰值55.62，之后迅速下降到51.84。摻量與沉降距呈反比，與泌水量呈正比。在0.7%到1%之間，三項指標表現穩定，制備的泡沫性能最佳。綜上分析，K12 作為一種常見的陰離子表面活性劑，易溶于水，對母液的發泡效率起到一定促進作用，氣泡穩定性得到提升但泌水量有點過大。

（2）將羥丙甲纖維素（HPMC）按0、0.02%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%的摻量加入到已制備好的發泡母液中，試驗結果如圖8、圖9 所示。

圖8 HPMC 改性的發泡曲線圖

圖9 HPMC 改性的泡沫性能曲線圖

隨著HPMC 的加入，發泡倍數開始下降，當摻量小于0.05%時發泡倍數迅速遞減，液膜厚度增加氣泡穩定性增強，但泌水量迅速增加。當摻量大于0.05%變化有所放緩，摻量與沉降距呈反比，與泌水量呈正比。綜合分析，HPMC 對母液的稠度顯著提升，氣泡液膜厚度增加穩定性得到改善，但是泡沫泌水量嚴重不利于混凝土強度發展。同時隨著泡沫母液的稠度提高，在發泡機發泡過程中對氣液交互具有抑制作用導致發泡倍數下降。

（3）將三聚磷酸鈉（STPP）按0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%、1.2%、1.4%的摻量加入到已制備好的發泡母液中，試驗結果如圖10、圖11 所示。隨著摻量的增加，發泡曲線、沉降和泌水量呈先遞增后遞減趨勢，在0.6%達到峰值55.31，此時的泌水量為最小值11.6 mL，沉降距7.6 mm。在此附近泡沫性能最優，對比未添加發泡倍數增加了3 個點，沉降距、泌水量分別減小了6 mm、3 mL。

圖10 STPP 改性的發泡曲線圖

圖11 STPP 改性的泡沫性能曲線圖

綜合分析，STPP 是一種白色粉末狀顆粒的無機表面活性劑，易溶于水呈堿性，流動性較好，常作保水劑、品質改良劑、pH 調節劑，通過螯合效應，母液中的水分得到軟化，表面粘度進一步提升，分子間的作用力增大，液膜克服重力排液的阻力增強，在0.6%的摻量下改性發泡母液性能最佳。

2.4 改性發泡劑的泡沫料漿穩定性

結合實驗室已有的試驗配比，取砂和水泥1∶1，采用等量取代法，粉煤灰取代30%的水泥，在0.5 的水膠比和650 L/m3的泡沫摻量下分別進行兩組混凝土制備試驗，結果如表1 所列。

相同泡沫摻量下，STPP 改性的發泡母液泡沫沉陷距更小。由于泡沫混凝土養護過程中，泡沫由氣泡經過氣-液、氣-液-固、氣-固界面的轉變形成氣孔，水分蒸發液膜逐漸消失被水化膠凝產物替代形成氣泡壁。在各種不平衡擠壓力的作用下，泡沫形狀由近似的球體變成了不規則多邊扁形。STPP 改性的泡沫料漿穩定性更高，凝固后混凝土試塊強度更高、質量更輕，滿足并超出規范[8]路基填筑0.8MPa 的要求。

3 結論

（1）經分析4 種常見的典型發泡劑，對比不同稀釋比下的泡沫發泡倍數、沉降距、泌水量。基于上述試驗結果，優選稀釋比30 的高分子植物蛋白劑為發泡母液，通過發泡機流量試驗，發現在50 L/min 的流量情況下泡沫性能最優。

（2）以K12、HPMC、STPP 為改性劑，分別對母液進行改性研究，得出：K12 對母液的發泡效率有一定提升，但產生的泡沫不穩定泌水量過大；HPMC 能改善氣泡的穩定性，但稠度增加流動性下降，泌水量最大；STPP 在摻量0.6%附近，泡沫的空氣穩定性最優。

（3）對比K12 和STPP 改性的兩種泡沫摻入混凝土中的表現，發現STPP 改性的泡沫料漿穩定性更好，硬化后標準混凝土試塊強度更高。