低密度堿礦渣發泡混凝土的制備及基本力學性能

李建林，張智強，余林文

(1.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045;2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

0 引 言

發泡混凝土是一種將氣泡引入到膠凝材料漿體內部的輕質多孔材料。傳統的硅酸鹽水泥發泡混凝土性能穩定，且材料來源多，但能耗高、不環保的問題顯著。堿礦渣膠凝材料是一類新型的高性能綠色建筑材料，具有強度高、早期硬化快、耐久性好等優點，用其制備發泡混凝土可以克服通用硅酸鹽水泥制備發泡混凝土時硬化慢、強度低以及能耗高等缺陷[1-3]。但是，堿礦渣發泡混凝土也存在發泡過程不穩定以及低密度試件抗壓強度低等不足[4-5]。

為解決上述問題，學者們從不同方面展開了研究。Samson等[6]在研究堿活化發泡混凝土時采用H2O2作為發泡劑，發現添加適量的表面活性劑可以使漿料內的氣泡在漿料形成強度之前不破裂，不聚合，有利于最終形成均勻的孔結構。He等[7]研究了α-烯烴磺酸鈉(AOS)、十二烷基硫酸鈉(K12)、醇醚硫酸鈉(AES)三種發泡劑的發泡性能和制備的發泡混凝土的物理性能，結果發現用AOS發泡劑制備的堿礦渣發泡混凝土的性能最好。楊保先等[8]采用正交試驗研究了礦渣摻量系數、溶膠比、堿當量三種因素對發泡混凝土性能的影響水平，并通過試驗結果調整配合比，使制備出的堿礦渣發泡混凝土的性能達到最優。Hajimohammadi等[9]采用了三種不同的混合配方，研究堿反應對最終無機泡沫孔徑分布、孔分布均勻性、密度的影響，調整配合比提升了堿激發發泡混凝土的性能。嵇鷹等[10]通過摻入粉煤灰和水泥對堿激發基體強度進行改善，同時也優化了孔結構，得到了發泡混凝土強度優化的最佳方案。陶新明[11]研究發現在礦渣發泡混凝土漿料中添加一定摻量的膨脹珍珠巖或?；⒅?，可以改善其內部微孔結構，從而改善發泡混凝土的導熱性能及抗壓強度。

發泡混凝土的密度越低，質量越輕，隔熱性能也越好，但是低密度也會導致強度下降，制備成型的難度更大，密度低于300 kg/m3的發泡混凝土即為低密度發泡混凝土。文獻中報道中對于干密度大于300 kg/m3堿礦渣發泡混凝土的研究較多，且大都是通過改變配合比來改善性能，而關于密度低于250 kg/m3的低密度堿礦渣發泡混凝土的研究報道很少。本文以化學發泡的方式制備堿礦渣發泡混凝土，試驗了不同溫度條件以及不同催化劑摻量下堿礦渣發泡混凝土的成型效果，找到了合適的成型條件，制備了密度低于250 kg/m3且內部結構良好的堿礦渣發泡混凝土，最后研究了穩泡劑對低密度堿礦渣發泡混凝土力學性能的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

礦渣粉：產自重慶鋼鐵集團有限責任公司，化學成分見表1，物理性能見表2。

表1 礦渣的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of slag

表2 礦渣的物理性能Table 2 Physical properties of slag

激發劑：水玻璃-NaOH混合溶液。NaOH，分析純，成都市科隆化學品有限公司生產；水玻璃，工業純，重慶明宏化工材料有限公司生產，主要化學成分見表3。試驗前，用NaOH將水玻璃溶液的模數調至1.4。

表3 水玻璃的主要化學成分Table 3 Main chemical composition of water glass

發泡劑：質量分數為30%的雙氧水，市售。

穩泡劑：茶皂素，工業級，陜西承乾生物科技有限公司生產；植物蛋白，工業級，市售；硬脂酸鈣，工業級，廣盈新材料(廣州)有限公司生產。

催化劑：二氧化錳，分析純，成都市科隆化學品有限公司生產。

1.2 溶液表面張力測試方法

溶液的表面張力測試采用MC-1021型表面張力儀，使用吊環法測定樣品溶液的表面張力值，每組樣品測試三次取平均值，測試在環境溫度為20 ℃的條件下進行。

1.3 溶液包裹氣體能力的評價方法

首先將配制好的水玻璃溶液中倒入帶容量刻度的容器中，再加入穩泡劑，之后將發泡桶放置在磁力攪拌器上以500 r/min的轉速攪拌60 s，最后加入雙氧水等待發泡。常溫下直接將雙氧水加入到水玻璃溶液中雙氧水分解太慢會導致無法有效生成氣泡，故而加入了以雙氧水質量為計量的1%的催化劑加快氣體產生。當發泡到最高點時記錄發泡體積，記錄氣泡量衰減一半時的時間，用于評價溶液包裹氣體的能力。

1.4 漿體發泡過程研究方法

稱量200 g礦渣粉倒入攪拌鍋中，打開水泥膠砂攪拌機慢攪模式，將加熱到設定溫度的激發劑溶液、穩泡劑和催化劑倒入攪拌鍋快攪60 s，加入雙氧水發泡劑持續快攪15 s，將攪拌鍋中的漿料倒入發泡桶并開始計時，記錄其在不同時刻的發泡體積。

1.5 試件制備方法

將稱量好的礦渣、激發劑、催化劑以及穩泡劑在水泥膠砂攪拌機中持續高速攪拌60 s，之后將發泡劑加入攪拌鍋中繼續保持高速攪拌15 s，最后澆筑在尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的三連模中靜停發泡并于3 d后脫模，隨后移至標準養護室中進行養護。制備試件的配合比如表4所示。

表4 堿礦渣發泡混凝土成型試件配合比Table 4 Mix proportion of alkali activated slag foamed concrete samples

1.6 性能測試方法

28 d抗壓強度：依照標準《無機硬質絕熱制品試驗方法》(GB/T 5486—2008)對各組試件進行抗壓強度測試，試件尺寸為100 mm×100 mm×30 mm，每組取三個試塊測試結果的平均值。

干密度：將抗壓強度試驗結束后收集到的堿礦渣發泡混凝土碎渣進行烘干處理，烘干溫度條件及密度計算公式參照標準《無機硬質絕熱制品試驗方法》(GB/T 5486—2008)。

1.7 孔結構測試方法

采用上海韌悅電子科技有限公司的RY605 CCD工業顯微鏡拍攝發泡混凝土斷面，然后應用計算機圖像處理軟件(Image-Pro Plus 6.0)測量孔結構參數[12]。

2 結果與討論

2.1 水玻璃溶液包裹氣體能力評價

對化學發泡法來說，溶液包裹氣體的能力對發泡混凝土制品的性能有重要影響[13]。表面張力是影響溶液包裹氣體能力的重要因素，分別采用茶皂素、植物蛋白和硬脂酸鈣三種穩泡劑，測試得到各組水玻璃溶液的表面張力值，如圖1所示。

圖1 穩泡劑摻量與溶液表面張力的關系Fig.1 Relationship between dosage of foam stabilizer and surface tension of solution

由圖1可得，隨著穩泡劑摻量的增多，水玻璃溶液的表面張力隨之下降，當摻量達到一定值后趨于穩定。測試結果顯示，加入茶皂素、植物蛋白和硬脂酸鈣的激發劑溶液表面張力最低值分別為53 mN/m、36 mN/m和43 mN/m，且溶液表面張力降至最低值所需穩泡劑摻入量的順序依次是植物蛋白>茶皂素>硬脂酸鈣，這兩點均反映了穩泡劑表面活性的差異。

溶液包裹氣體的能力通過發泡倍數以及半消泡時間來評價[14]。摻入穩泡劑的水玻璃溶液加入雙氧水發泡之后氣泡性能的結果如表5所示。

表5 摻不同穩泡劑發起的氣泡性能Table 5 Foam performance initiated with different foam stabilizers

試驗數據表明，當摻入同種穩泡劑時，起泡量隨著穩泡劑摻量的增多而增大，對應表面張力值可得，泡沫的發起量隨著表面張力的降低而增多。雖然硬脂酸鈣使水玻璃溶液的表面張力降低明顯，但以硬脂酸鈣作穩泡劑的溶液起泡能力最弱。當發泡量相近時，摻入茶皂素的溶液的表面張力要高于摻入植物蛋白的溶液的表面張力，這說明溶液的表面張力可以影響起泡，但并不是主導起泡性能的決定性因素，起泡能力還與穩泡劑的種類有關。茶皂素屬于非離子型表面活性劑，內部由親水基團和疏水基團組成，兩種基團均有很好的表面活性，所以茶皂素有著很好的起泡性能，且茶皂素對溶液的酸堿度適應性廣，在pH值4到10的范圍內，茶皂素的起泡能力變化很小[15-16]。

根據氣泡的半衰期可以評價氣泡的穩定性，半衰期越長表明氣泡越穩定。由表5可以看到，植物蛋白的摻量在0.002%～0.010%時氣泡穩定性比較低，摻量在0.010%～0.060%時氣泡的穩定性迅速提升。加入硬脂酸鈣的溶液由于起泡量太少，其半消泡時間無法準確測定。在比較氣泡穩定性時也能發現，表面張力更低的溶液發起的氣泡穩定性越好，可得氣泡的穩定性與溶液的表面張力密切相關。有研究[17]表明植物蛋白主要依靠水解蛋白起泡，并且水解蛋白的分子量比較大，溶液也更為黏稠，制備的泡沫泡壁的液相黏度較大，液體遷移相對困難。此外，蛋白質分子之間還可通過羥基、羧基、氨基等基團形成氫鍵，強烈的氫鍵作用可形成保護膜，使泡沫液膜的強度增加，促進泡沫的形成與穩定[18-19]。因此蛋白質類表面活性劑制備的氣泡表現出良好的穩定性。

2.2 溫度和催化劑對制備堿礦渣發泡混凝土的影響

試驗發現，將雙氧水加入到摻有0.060%植物蛋白的水玻璃溶液中后，在室溫條件以及未摻催化劑的情況下幾乎無法產生氣泡。圖2為用植物蛋白作為穩泡劑，在常溫且未摻催化劑的條件下制得堿礦渣發泡混凝土的密度與穩泡劑摻量之間的關系。

由圖2可得，在沒有外界條件促進雙氧水分解的情況下，隨著穩泡劑摻量的增多，堿礦渣發泡混凝土的密度并沒有明顯下降。出現這種現象的原因為：在常溫條件下雙氧水的分解太慢而漿料凝結過快，漿體無法發起而導致制得的發泡混凝土密度大。

圖2 雙氧水無促進分解條件下穩泡劑摻量與發泡混凝土密度的關系Fig.2 Relationship between dosage of foam stabilizer and density of foamed concrete under the condition of hydrogen peroxide without promote decomposition

有研究者[20]發現溶液起始溫度對制備發泡混凝土有重要影響，發泡體積會隨著溫度的升高而增大。本文研究了水玻璃溶液溫度改變對發泡混凝土發起過程的影響，記錄漿體在發泡桶中的發起高度h隨時間t的變化，結果如圖3所示。

圖3 不同水玻璃溶液起始溫度下發泡混凝土的發泡體積變化過程Fig.3 Foaming volume change process of foamed concrete at different initial temperatures of water glass solution

從圖3可以看到，漿體的發起速率隨著溶液溫度的升高而增大，說明雙氧水的分解加快。當水玻璃溶液的初始溫度為35 ℃時，漿體最終的發泡體積最大；當溶液的初始溫度達到40 ℃時，漿體的發泡體積出現降低；當溶液的初始溫度達到45 ℃時，漿體發泡體積進一步降低且表面出現比較大的裂紋。這是由于溫度升高后，在加快雙氧水分解的同時也會加快漿體的凝結，漿體凝結過快使流動度降低，失去了連續變形的能力，此時漿體中的雙氧水還未分解完畢，所以之后漿體繼續膨脹將出現裂紋，漿體過快凝結硬化約束了漿體繼續膨脹，也限制了其發泡高度。圖4是上述試驗中發起漿體的密度隨水玻璃溶液溫度的變化情況，可以看到隨著水玻璃溶液初始溫度的升高，發泡混凝土的密度呈先減小后增大的趨勢，且最低密度約為455 kg/m3。

圖4 水玻璃溶液起始溫度與發泡混凝土密度的關系Fig.4 Relationship between initial temperature of water glass solution and density of foamed concrete

有研究者[21-22]對比了不同催化劑對雙氧水分解的催化效果，研究發現摻入適量二氧化錳能夠制備超低密度的發泡混凝土，若過量摻入會使發泡混凝土的力學性能出現顯著下降。圖5為不同摻量的二氧化錳對發泡混凝土發起過程的影響。

圖5 不同催化劑摻量下發泡混凝土的發泡體積變化過程Fig.5 Foaming volume change process of foamed concrete with different catalyst dosages

從圖5可以看到，摻入二氧化錳后漿體的發泡速度進一步加快，二氧化錳摻入量為2.0%時漿體發泡高度最高，若再增加二氧化錳的摻量則會使發泡混凝土出現較明顯的塌模。從圖6所示的密度變化趨勢可以看到，摻入一定量的二氧化錳可以進一步降低堿礦渣發泡混凝土的密度，且在摻入量為2.0%時能使密度達到最低值。

圖6 催化劑摻量與發泡混凝土密度的關系Fig.6 Relationship between dosage of catalyst and density of foamed concrete

圖7所示的是摻入2.0%的二氧化錳，但沒有提高水玻璃溶液初始溫度制備的堿礦渣發泡混凝土內部的照片。

圖7 水玻璃溶液為常溫時制備的試件內部照片Fig.7 Interior image of sample created with water glass solution at room temperature

從圖7中看到摻入催化劑后制備的試件內部呈粉化狀態，不能觀察到完整的孔結構。通過分析推測，漿體內部粉化的原因可能是漿體內部的溫度太低導致凝結過慢，在內部的氣泡液膜破裂時，氣泡壁上吸附的膠凝材料仍未形成足夠的強度來支撐原有的形態，所以試件內部的氣孔壁也隨之破壞而使內部粉化。

為了試驗將水玻璃溶液初始溫度提升后制備的試件內部孔結構是否完好，根據之前的研究選擇將水玻璃溶液初始溫度設置為35 ℃進行制備，之后再與常溫水玻璃溶液制備的試件做比較，結果如圖8所示。

從圖8中可以看到，水玻璃溶液初始溫度提升到35 ℃時制備的試件拆模后內部保留完好，沒有粉化，側面的孔結構也清晰可見，與水玻璃溶液為常溫時制備的現象截然不同，這表明水玻璃溶液溫度提升后改善了試件內部粉化的現象。通過摻入適量催化劑以及適當提升水玻璃溶液初始溫度的方法可以成功制備得到密度達標且內部結構完整的堿礦渣發泡混凝土。

圖8 水玻璃溶液為常溫和35 ℃時制備的試件內部照片Fig.8 Interior images of samples created with water glass solution at room temperature and 35 ℃

2.3 不同密度下堿礦渣發泡混凝土的性能

以低密度和漿體內部結構作為標準選擇最佳的制備條件，激發劑溶液溫度為35 ℃以及二氧化錳摻量為2.0%時制備的堿礦渣發泡混凝土效果最好。研究了穩泡劑的種類和摻量對堿礦渣發泡混凝土性能的影響，成型試驗的配合比如表4所示，圖9為堿礦渣發泡混凝土的干密度隨著穩泡劑摻量的變化。

圖9 穩泡劑摻量與發泡混凝土密度的關系Fig.9 Relationship between dosage of foam stabilizer and density of foamed concrete

由圖9可得，堿礦渣發泡混凝土的干密度隨著穩泡劑摻量的增多而降低，這與增加穩泡劑發泡量隨之增大的規律吻合。摻入植物蛋白和茶皂素均可以將發泡混凝土的最低密度降低到300 kg/m3以下，且摻入植物蛋白制備的最低密度可以達到250 kg/m3以下。摻入硬脂酸鈣的發泡混凝土的干密度明顯高于另外兩種穩泡劑制備的發泡混凝土，這與上文研究得到的硬脂酸鈣發泡效果不好的結論吻合。分析可得，發泡混凝土的干密度與溶液包裹氣體的能力密切相關，溶液包裹氣體能力越好則制備的堿礦渣發泡混凝土的密度越小。從試驗結果來看，摻植物蛋白對堿礦渣發泡混凝土的密度降低效果最好。

表6為不同穩泡劑制備的各個密度等級的發泡混凝土抗壓強度測試數據，可得堿礦渣發泡混凝土的抗壓強度隨著密度的降低而下降。硬脂酸鈣制備的發泡混凝土密度最高，對應的抗壓強度也越高。在同一密度等級下植物蛋白制備的發泡混凝土的抗壓強度高于茶皂素制備的發泡混凝土的抗壓強度。從上文的研究來看，茶皂素作穩泡劑時發起氣泡的穩定性弱于植物蛋白發起氣泡的穩定性，氣泡穩定性弱會直接影響發泡混凝土的內部結構，從而導致發泡混凝土的強度降低。由此可見，發泡混凝土的抗壓強度除了與密度相關之外，氣泡的穩定性也是影響發泡混凝土強度的重要因素。本試驗中采用植物蛋白制得的堿礦渣發泡混凝土的密度最低為242 kg/m3，抗壓強度為0.20 MPa(此時摻量為0.060%)。該性能等級的發泡混凝土可以應用于復合保溫墻體，將該種發泡混凝土澆灌到除了承重墻之外的一般墻體夾層之中能形成整體式發泡混凝土灌漿墻體，可以提升墻體的保溫隔熱以及隔音的性能，同時也兼具防火功能。

表6 發泡混凝土密度與抗壓強度的關系Table 6 Relationship between density and compressive strength of foamed concrete

2.4 孔結構分析

氣孔是發泡混凝土最大的特征，孔結構參數會影響發泡混凝土的性能[23-24]。用工業顯微鏡對試件斷面進行拍照，之后用Image-Pore Plus 6.0圖像處理軟件對孔結構進行分析。植物蛋白穩泡劑和茶皂素穩泡劑制備的發泡混凝土的斷面照片分別如圖10和圖11所示，孔結構參數分別如表7和表8所示。

表8 茶皂素穩泡劑制備發泡混凝土的孔結構參數Table 8 Pore structure parameters of foamed concrete prepared by tea saponin foam stabilizer

圖11 茶皂素穩泡劑制備的發泡混凝土斷面照片Fig.11 Section images of foamed concrete prepared by tea saponin foam stabilizer

由圖10和表7可以得到植物蛋白制備的發泡混凝土的斷面形貌以及孔結構參數，隨著穩泡劑摻量的增多，氣孔變得越來越小，在提高氣泡數量的同時也會使孔壁越來越薄進而更加容易破裂，導致連通孔增多，孔結構圓度值越來越大的現象可以證明這一點。

圖10 植物蛋白穩泡劑制備的發泡混凝土斷面照片Fig.10 Section images of foamed concrete prepared by plant protein foam stabilizer

表7 植物蛋白穩泡劑制備發泡混凝土的孔結構參數Table 7 Pore structure parameters of foamed concrete prepared by plant protein foam stabilizer

由圖11和表8可以得到茶皂素制備的發泡混凝土的斷面形貌以及孔結構參數，與植物蛋白制備的發泡混凝土的孔結構參數相比，在大致同一密度等級下，植物蛋白制備的發泡混凝土的孔更大，圓度值更低，這是因為植物蛋白制備的泡沫更穩定，泡沫破裂產生的連通孔更少，所以植物蛋白作穩泡劑制備的泡沫混凝土的抗壓強度更高。

3 結 論

(1)調整激發劑溶液的初始溫度以及適當添加催化劑使漿體的凝結速度和雙氧水的分解速度相匹配，可以明顯提升發泡混凝土的制備效果。當水玻璃溶液的初始溫度控制在35 ℃以及二氧化錳摻量為2.0%時，可以制備得到密度約為250 kg/m3且內部結構完好的堿礦渣發泡混凝土，該條件為最佳制備條件。

(2)隨著穩泡劑摻量的增多，溶液包裹氣體的能力增強，制備的堿礦渣發泡混凝土的密度也隨之降低，與此同時其抗壓強度也迅速降低。植物蛋白作穩泡劑制備發泡混凝土的效果最好，當摻量為0.060%時，制備的試件密度最低為242 kg/m3，抗壓強度為0.20 MPa。

(3)隨著穩泡劑摻量的增多，制備的堿礦渣發泡混凝土的氣孔變小，但由于連通孔數量的增多，孔結構圓度值變大。植物蛋白作穩泡劑發起的氣泡穩定性更好，因此在大致同一密度等級下，采用植物蛋白制備的堿礦渣發泡混凝土的孔結構參數優于采用茶皂素制備的堿礦渣發泡混凝土。