基于礦渣材料的低密度發泡混凝土制備及性能研究

徐 昊 姜 超

（山東高速工程檢測有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

泡沫混凝土是在水泥漿體、泡沫和摻合料復合基礎上，將氣泡引入材料內部的一種輕質新型多孔材料[1-2]。礦渣類發泡混凝土因其具有強度高、保溫性能優異的特點，在對礦渣等固廢進行有效利用的同時，也能減少對大氣的污染[3-4]。但是，很多學者在研究過程中發現堿礦渣類發泡混凝土在制備過程中存在發泡不穩定的問題，從而導致制備的混凝土試件強度不足。

該文基于礦渣類工業固廢材料，采用化學發泡的形式制備了一種低密度發泡混凝土，研究了不同溫度、不同催化劑摻量對發泡混凝土的影響規律，分析了泡沫混凝土的抗壓強度，該研究可為工業固廢類發泡混凝土的制備提供重要的理論與技術支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

礦渣：試驗過程中所需的礦渣均來自什邡市海宏礦渣粉有限公司，其主要化學成分及力學參數詳見表1 與表2。

表1 礦渣的化學組成成分

表2 礦渣的力學參數

氫氧化鈉（分析純），購自吉林昊迪試劑經銷有限責任公司；水玻璃（工業純），購自聊城市邦拓物資有限公司；雙氧水（質量分數30%，市售）；茶皂素（工業級），購自湖南朗林生物資源股份有限公司；動物蛋白（工業級），購自卡梅德生物科技有限公司；硬脂酸鈣（工業級），購自青島賽諾新材料有限公司；二氧化錳（分析純），購自湘潭邁恩工貿有限公司。

1.2 試驗測試方法

1.2.1 表面張力的測試

溶液的表面張力測試采用的是德國KRUSS-100 型表面張力儀，其中樣品測試3 次，然后取平均值。

1.2.2 泡沫完整性測試

先按照一定的配比在發泡桶里配置一定比例的水玻璃溶液，并加入穩泡劑，然后在攪拌器下攪拌2min，攪拌后添加雙氧水。當溶液的氣泡不再變化時，記錄發泡的體積，等待1h 后，重新記錄溶液的發泡高度，由此可計算出泡沫的完整性。

1.2.3 強度測試

強度測試與干密度測試：試件28d 抗壓強度與干密度按照標準《無機硬質絕熱制品試驗方法》（GB/T 5486—2008）進行測試。

1.2.4 孔隙測試

采用型號為TM3030 的電子顯微鏡對發泡混凝土進行微觀表征分析，同時進一步借助圖像處理軟件進行孔隙分析。

1.3 礦渣發泡混凝土試件制作

將礦渣、水玻璃、氫氧化鈉、二氧化錳和穩泡劑按照一定比例稱量，放入水泥攪拌器中攪拌2min，使其充分混合。然后將雙氧水加入攪拌器中繼續攪拌1min，最后將漿液分別置于50mm×50mm×50mm 的模具中，等待1d 后將其放入標準養護箱中進行養護，其試驗配比見表3。

表3 礦渣發泡混凝土的組成

2 結果與討論

2.1 泡沫完整性評價

溶液中的泡沫完整性對發泡混凝土的性能有重要影響，而表面張力又是影響溶液泡沫完整性的重要因素。本節對3種不同的穩泡劑分別進行了測試，其各溶液的表面張力值如圖1 所示。

圖1 不同穩泡劑與溶液表面張力之間的關系

由圖1 可以看出，使用同一種穩泡劑時，隨著穩泡劑含量的增加，其溶液的表面張力越來越小。但當摻入量達到0.06%時，表面張力基本趨于穩定狀態。此外，可以看出不同穩泡劑表現出的活性具有顯著差異，其穩定性順序依次為動物蛋白＞硬脂酸鈣＞茶皂素。

試驗通過氣泡的消泡高度測試了泡沫的穩定性能，在溶液中摻入一定量的雙氧水后，其不同活性劑的發泡性能見表4。

表4 不同穩泡劑起泡性能對比

由表4 可以看出，隨著穩泡劑摻入量的增大，泡沫的起泡量與其成正比例函數關系。對比3 種穩泡劑可以明顯看出，添加硬脂酸鈣時，溶液基本未起泡；添加動物蛋白時，其泡沫初始高度差最小，這也表明3 種穩泡劑中動物蛋白的穩泡性能最佳。原因如下：一方面是因為動物蛋白中含有豐富的蛋白質，其在水解過程中分子量較大，會使溶液變得黏稠；另一方面，動物蛋白中分子之間具有強相互作用，該作用能夠在溶液表面形成一層保護膜，進一步保護氣泡不被破壞。綜上所述，對3 種不同穩泡劑發泡性能的對比可知，動物蛋白具有良好的穩泡性能[5]。

2.2 溫度對制備礦渣基發泡混凝土的影響

有研究者發現，在制備試件的過程中，溫度對發泡混凝土具有一定影響，發泡的體積往往會隨溫度的變化而變化。該文針對溫度變化的情況，將動物蛋白作為穩泡劑進行穩泡，詳細記錄了發泡過程中混凝土體積的變化，其變化趨勢如圖2 所示。

圖2 發泡混凝土體積與溫度之間的關系

由圖2 可以看出，發泡混凝土的體積隨溫度的升高而增加，但當溫度超過50℃時，其發泡高度呈現明顯的下降趨勢。主要原因是溫度的升高會加快雙氧水的分解，導致溶液的流動性能降低，進而阻礙了混凝土的進一步膨脹。

圖3 測試了不同的反應溫度下混凝土密度的變化規律。結果表明，隨著反應溫度的升高，其密度先表現出下降的趨勢，當溫度為50℃時，密度達到最低值，最低密度約為410kg/m3。但隨著溫度的繼續升高，密度開始增大。

圖3 不同反應溫度與混凝土密度之間的關系

2.3 催化劑對礦渣基發泡混凝土的影響

不同摻量的催化劑（二氧化錳）對發泡混凝土發泡量的影響如圖4 所示。摻入二氧化錳后，其發泡量在60min內達到了600mL。當二氧化錳摻量為1%時，其發泡量達到最佳值。繼續增加催化劑的摻入量時，混凝土的發泡量開始出現下降的趨勢。此外，該文還研究分析了二氧化錳不同摻入量時的密度變化情況，與上述分析的情況相似，進一步證實了當催化劑含量在1%時，溶液狀態最佳。

2.4 發泡混凝土力學性能研究

該文在最佳反應溫度（50℃）條件下制備了多組混凝土試件，并在此條件下進行了混凝土力學性能的研究，主要分析了穩泡劑的種類和催化劑的摻量對混凝土性能的影響。結果顯示，隨著穩泡劑含量的增加，混凝土的密度呈下降的趨勢，這證實了與增加穩泡劑發泡量的關系是一致的。當摻入動物蛋白和硬脂酸鈣時，混凝土的密度會降到300kg/m3以下。穩泡劑對密度和泡沫穩定性的影響是一致的，泡沫穩定性越好，制備的礦渣發泡混凝土的密度就越小，表明動物蛋白對礦渣發泡混凝土的密度、穩泡性都具有積極作用。表5 顯示了不同穩泡劑、混凝土密度與混凝土抗壓強度三者之間的關系。研究表明，隨著混凝土密度的下降，混凝土的抗壓強度也呈現下降的趨勢。動物蛋白制備的混凝土試件的密度相對降低，對應的抗壓強度也是最低的。茶皂素制備的發泡混凝土密度最高，對應的混凝土抗壓強度也是最高的。硬脂酸鈣制備的發泡混凝土強度與密度介于兩者之間。氣泡的穩定性通常會影響混凝土的內部孔隙結構，動物蛋白所產生的泡沫量是最多、最穩定的，導致了用動物蛋白制備發泡混凝土試件的強度最低。影響發泡混凝土抗壓強度的因素除了本身密度之外，泡沫的穩定性也是一個重要因素。該文中采用的動物蛋白制備的發泡混凝土密度最低值為250kg/m3，其強度為0.2MPa。此類混凝土可應用于墻體保溫領域，同時也具有防火功能。

表5 密度與混凝土抗壓強度的關系

2.5 孔隙測試分析

該文用電子顯微鏡對發泡混凝土內部孔結構進行了測試，然后用孔結構軟件進行數據處理分析。動物蛋白含量為0.05%下的掃描電鏡圖片如圖5 所示?？梢钥闯?，混凝土的孔結構較均勻，氣泡的大小也相對較均勻并且可以看出孔的數量較多，這與前文所得結論是一致的。動物蛋白制備的發泡混凝土孔參數對比見表6。從表6 可以看出，所制備的發泡混凝土的平均孔隙面積為1.89mm2，平均孔徑為1.56mm，這也進一步證實了其具有較大的孔面積，與其具有的較低的抗壓強度是吻合的。

圖5 發泡混凝土SEM 分析

表6 動物蛋白制備的發泡混凝土孔參數對比

3 結論

該文采用化學法制備了礦渣基發泡混凝土，得出如下結論：1）溶液泡沫完整性對發泡混凝土制品的性能有重要影響，動物蛋白對發泡混凝土泡沫穩定性的影響最小，其次是硬脂酸鈣，茶皂素影響最大。2）通過調整溶液體系的反應溫度并加入合適的催化劑，能夠有效控制混凝土發泡量及密度。當反應溫度為50℃、二氧化錳催化劑的含量為1%時，所制備的發泡混凝土的密度最低，其最低密度為250kg/m3。3）隨著催化劑摻量的增多，混凝土的密度也隨之下降，密度與強度之間呈正比例關系。當二氧化錳催化劑的含量為1%時，其制備的混凝土密度最低為250kg/m3，對應的抗壓強度為0.2MPa。