棉籽蛋白质发泡剂在混凝土中的应用研究

刘存瑞，乔秀文

（1.苏州卫生职业技术学院，江苏苏州 215009；2.新疆石河子大学化学化工学院，新疆石河子 832000）

0 引言

在国家建筑节能与墙体改革政策的推动下，泡沫混凝土作为一种利废、环保、节能、价低、性能好的新型保温隔热建筑材料，得到了全社会越来越广泛的认知、重视和大量应用[1-2]。新疆是全国最大的产棉区，棉籽经过榨油产生的棉籽粕价格低廉，是一种亟待开发利用的重要蛋白质资源，以榨油后的棉籽粕为发泡剂，符合我国节能减排的战略方针，又能创造可观的经济效益[3]。随着电力工业发展，粉煤灰废渣也与日俱增，是一种能够综合利用的宝贵的二次资源。为防止污染，利用粉煤灰生产建筑材料逐渐形成一种新兴工业，在泡沫混凝土中大量使用粉煤灰可以达到降低混凝土成本、利于环保等目的[4]。泡沫混凝土通常是用机械方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到含硅质材料、钙质材料，水及各种外加剂等组成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种多孔材料[5]。近年来，国内外都非常重视泡沫混凝土的研究与应用，使其在建筑领域的应用越来越广泛。我国在多孔混凝土研制和应用方面起步很晚，于20世纪30年代研制使用，20世纪60年代初期才研制成功了蒸压泡沫混凝土制品，目前泡沫混凝土的主要生产方式为2种：一种是现场制备，就地浇注，也可以集中生产，用商品混凝土罐车运输；另一种是在工厂预制成各种泡沫混凝土建筑构件和制品，然后再用于建筑施工。

采用棉籽粕蛋白发泡剂制造大量的泡沫，以水泥和粉煤灰为基础配料，减水剂、速凝剂、水等为辅料，通过测量抗压抗折、密度、吸水率等指标，研究加入水灰比的量对泡沫混凝土的影响、物料配比和加入发泡剂对泡沫混凝土的影响，以及搅拌发泡剂的时间和加入外加剂对混凝土的影响。

1 材料和仪器

水泥（3级）、粉煤灰（3级）、发泡剂（植物蛋白类）、硫酸钠（分析纯）、三乙醇胺（分析纯）、萘系减水剂（分析纯）。

BS224S型电子天平，上海精密科学仪器有限公司产品；DK-8D型干燥箱，上海精宏实验设备有限公司产品；RW 20型IKA电动搅拌器，上海诺顶仪器有限公司产品；BS22型混凝土搅拌器，成都科能达仪器设备有限公司产品。

2 试验方法

将发泡剂溶液倒入高速搅拌机中，然后用搅拌机的高速叶片搅动发泡剂溶液来制取泡沫，将制得的泡沫加入配置好的混凝土中进行充分搅拌。具体操作过程如下。

（1） 发泡剂发泡。将制取的棉籽蛋白发泡剂，加入3～5倍的水，加入速凝剂（三乙醇胺） 以转速3 000 r/min对混合溶液机械搅拌进行发泡。

（2）泡沫混凝土浆料制备。将不同比例的水泥和粉煤灰混合，分别加入一定量的减水剂（萘系）、速凝剂（硫酸钠）和水搅拌均匀。

（3）泡沫混凝土试块的制备。将搅拌好的发泡剂加入混合好的浆料中，均匀搅拌之后，倒入成型的模具中。干燥48 h之后从模具中取出，进行养护。

（4）养护泡沫混凝土试块。根据外界气温在泡沫混凝土取出模具后3～12 h内用麻袋等适当材料将混凝土覆盖，并经常浇水保持湿润。

3 性能的表征测量

3.1 密度的测量

在试块养护到达14 d前取试件一组3块，逐块量取长（a）、宽（b）、高（c） 3个方向的轴线尺寸，精确至1 mm。利用体积计算公式：

然后称取质量m，取3块试块的质量和体积的平均值。可得出密度：

3.2 吸水率的测定

将泡沫混凝土试块放入干燥箱中，于105℃条件下干燥5 h，取出冷却至室温后称量其干质量m。将试块放入吸水槽中，水槽中水位高度为泡沫混凝土试块的1/3。然后开始计量时间，每过t时间称取试块质量。称量取出的混凝土试块要用干抹布蘸去试块外边的水分。

3.3 抗压抗折强度的测定

采用混凝土抗压抗折测量仪器测量。

4 结果与分析

4.1 泡沫混凝土水灰比的确定

选用不同水灰比进行试验，其中发泡剂添加量4%，水泥与粉煤灰的比例9∶1，测量其抗压与抗折强度。

不同水灰比下抗压与抗折强度的变化规律见图1。

图1 不同水灰比下抗压与抗折强度的变化规律

由图1可知，随着水灰配比的增加，抗压与抗折强度都呈现先增加后减小的趋势。当水灰比达到0.40时，抗压强度达到7.3 MPa，抗折强度达到2.4 MPa，此时性能最优。水灰配比在一定范围内增加时，使浆体流动性改善，泡沫在浆体中分布均匀，从而强度也有所增加；但过分增加水灰比会导致浆料变稀，密度下降，因此泡沫混凝土抗压、抗折强度下降。

4.2 主要物料配比对泡沫混凝土性能的影响

研究主要物料配比对泡沫混凝土性能的影响，其他条件为水灰比0.40，发泡剂添加量4%，搅拌时间5 min。完成后，对其进行表征。

水泥与粉煤灰不同配比下泡沫混凝土的抗压与抗折强度见图2，水泥与粉煤灰不同配比下泡沫混凝土的密度变化见图3。

图2 水泥与粉煤灰不同配比下泡沫混凝土的抗压与抗折强度

由图2和图3可看出，随着粉煤灰掺量的增加，泡沫混凝土的抗压与抗折强度均呈下降趋势，这是因为水泥的抗压与抗折性强于粉煤灰，且密度大于粉煤灰，因此密度也呈下降趋势。

4.3 发泡剂添加量对泡沫混凝土性能的影响

图3 水泥与粉煤灰不同配比下泡沫混凝土的密度变化

研究发泡剂添加量对泡沫混凝土性能的影响，其他条件为水灰比0.40，水泥与粉煤灰配比6∶4。完成后，对其进行表征。

不同发泡剂添加量下泡沫混凝土密度的变化见图4。

图4 不同发泡剂添加量下泡沫混凝土密度的变化

由图4可知，随着发泡剂添加量的增多，泡沫混凝土的密度呈现出先下降后平缓的趋势，这是因为发泡剂的增加会使引入的泡沫增加，从而产生更高的孔隙率，密度就会降低。但到一定程度时，泡沫在浆料中会饱和，所以密度逐渐平缓。

不同发泡剂添加量下泡沫混凝土吸水率的变化见图5。

图5 不同发泡剂添加量下泡沫混凝土吸水率的变化

由图5可知，随着发泡剂添加量的增多，泡沫混凝土的吸水率呈现出先上升后平缓的趋势。因为随着引入泡沫而产生的孔隙率就会增高，在性能上表现出较高的吸水率。

不同发泡剂添加量下泡沫混凝土抗压抗折强度的变化见图6。

由图6可知，在发泡剂增加的过程中，泡沫混凝土的抗压抗折都有了明显的降低，这是因为发泡剂为液相，液相的增加必然导致固相量的减少。

图6 不同发泡剂添加量下泡沫混凝土抗压抗折强度的变化

综合以上3个制约条件，加入发泡剂添加量为3%～4%较合适，此时密度为900～1 000 kg/m3，吸水率为16%左右，抗压抗折强度较好，分别为6～8 MPa，2.0～2.5 MPa，可得到性能较好的泡沫混凝土。

4.4 发泡剂搅拌时间对混凝土性能的影响

研究发泡剂搅拌时间对泡沫混凝土性能的影响，其他条件为水泥和粉煤灰配比6∶4，水灰比0.40，发泡剂添加量4%，制作各组分下的混凝土并表征。

发泡剂搅拌时间对泡沫混凝土性能的影响见表1，不同发泡剂搅拌时间下泡沫混凝土密度的变化见图7。

表1 发泡剂搅拌时间对泡沫混凝土性能的影响

图7 不同发泡剂搅拌时间下泡沫混凝土密度的变化

由表1可看出，发泡剂搅拌时间对泡沫混凝土的抗压与抗折强度、吸水率的影响不是很大。

从图7可看出，发泡剂搅拌时间对泡沫混凝土的密度有一定影响。

在泡沫混凝土中，泡沫搅拌时间短的泡沫不稳定，浆体中孔易破坏，泡沫搅拌时间长的泡沫相对稳定。带来一定孔径分布的气孔，而且是封闭均匀的，使得混凝土的抗压与抗折指标有了明显的提升。

4.5 速凝剂、减水剂的加入对泡沫混凝土性能的影响

研究速凝剂、减水剂的加入对泡沫混凝土性能的影响，其他条件为水灰比0.40，发泡剂添加量4%，搅拌时间5 min。在制备的过程中，分别向各组分加入1%萘系减水剂，1%硫酸钠，0.07%三乙醇胺。完成后，先与试验3.2进行对比，然后对其进行表征。

外加剂的添加对泡沫混凝土密度的影响见表2。

表2 外加剂的添加对泡沫混凝土密度的影响

由表2可得知，加入速凝剂和减水剂后，会使泡沫混凝土的密度小幅度下降，但下降程度不大。这是因为在干燥过程中，速凝剂与减水剂能减小泡沫在干燥过程中的破损，则孔隙率会比未添加外加剂的大。

添加外加剂对泡沫混凝土抗压抗折变化的对比见图8。

添加外加剂使泡沫混凝土的抗压与抗折性有一定程度的增强。所以速凝剂和减水剂在棉籽蛋白发泡剂混凝土中具有很好的适应性。

5 结论

通过试验数据发现在水灰比0.40，发泡剂添加量3%～4%，水泥与粉煤灰配比6∶4，发泡剂搅拌时间5 min；加入1%萘系减水剂，1%硫酸钠，0.07%三乙醇胺的条件下，制得的混凝土强度与性能之间取得平衡，在降低容重的前提下最小程度地降低泡沫混凝土的强度。试验对泡沫混凝土的研究提供参考依据，但是在泡沫混凝土的微观结构方面的相关性研究还需要进一步深入。

图8 添加外加剂对泡沫混凝土抗压抗折变化的对比

我国现阶段正在大力推进符合生态节能、资源综合利用的建筑材料的研究和开发，泡沫混凝土由于其良好的性能而具有广阔的应用前景，泡沫混凝土的应用将会越来越受到重视。