微生物复合发泡剂制备承重保温型泡沫混凝土的基本特征

张静，荣辉，彭犇，岳昌盛，张磊，程鑫

（1.北京市燕通建筑构件有限公司，北京 102202；2.天津城建大学 材料科学与工程学院，天津 300384；3.天津市建筑绿色功能材料重点实验室，天津 300384；4.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）

泡沫混凝土具有轻质高强、保温隔声、整体性好、施工简便、成本低等优点。近年来，蛋白类发泡剂因具有较好的稳定性，成为国内外研究的重点，美国、意大利、日本等国家已相继开发出高效蛋白类发泡剂。与国外相比，我国研制的蛋白类发泡剂在发泡倍数和泡沫稳定性等方面存在不足[1-2]，导致其在实际工程中的应用受限。因此，更加高效稳定蛋白类发泡剂的研制是进一步推广泡沫混凝土在我国应用的基础[3]。本文以酵母菌为原材料制备一种微生物发泡剂，其产泡原理是酵母菌利用自身的生化反应分解营养物质，产生具有亲水或疏水性质的官能团，从而降低发泡剂溶液的表面张力，在外力作用下引入空气产生泡沫。由于酵母菌体内含有大量的蛋白质，因此所形成泡沫的稳定性较好，将其与表面活性剂类发泡剂复掺，又大大提高了微生物发泡剂的发泡倍数。采用综合性能较好的微生物复合发泡剂制备承重保温型泡沫混凝土，并对其抗压强度、导热系数、孔结构、孔隙率、孔径分布、孔形状因子等基本特征进行分析，以期明确基于微生物复合发泡剂制备的承重保温型泡沫混凝土基本性质。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，唐山顺鑫水泥有限公司，其物理力学性能及化学成分如表1 和表2 所示。

表1 水泥的物理力学性能

表2 水泥的化学成分 %

微生物复合发泡剂：将1%葡萄糖、1%胰蛋白胨和0.5%酵母浸粉加入适量蒸馏水中搅拌均匀，分装于锥形瓶后，放入灭菌锅中灭菌，待冷却后接种10%的酵母菌母液，再将该混合液放入恒温振荡培养箱中培养48 h，得到微生物发泡剂母液，将其与0.5%的十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）复掺，制得微生物复合发泡剂。

动物蛋白复合发泡剂：将120 g 牛蹄胶粉与13.5 g Ca（OH）2放置于1000 mL 的锥形瓶中，加入900 mL 自来水，利用电热恒温水浴锅在100 ℃下水解6 h，过滤得到澄清母液，使用时与水按照1∶1 混合使用。

1.2 试验方案

首先将微生物复合发泡剂与常用的动物蛋白复合发泡剂的泡沫性能进行对比，在此基础上，采用0.45 水灰比制备A06、A07、A08 密度等级泡沫混凝土，原材料配比如表3 所示。研究不同密度等级泡沫混凝土的物理力学性能、矿物组成和微观孔结构。

表3 不同密度等级泡沫混凝土的配比

1.3 试验方法

1.3.1 泡沫性质

参考JC/T 2199—2013《泡沫混凝土用泡沫剂》，对发泡剂溶液的发泡倍数、所制得泡沫的1 h 沉降距和1 h 泌水率分别进行测试。

1.3.2 物理力学性能

参考JG/T 266—2011《泡沫混凝土》，对所制得泡沫混凝土的抗压强度、干密度和导热系数进行测试。

1.3.3 矿物组成

采用日本Ultima-V1 型X 射线衍射仪对不同密度等级泡沫混凝土的矿物组成进行测试。

1.3.4 微观孔结构

（1）孔结构

将成型试样垂直切断，随后利用打磨机将断面打磨平整，为防止打磨时产生的水泥粉末将气孔堵塞，将打磨后的试样于超声波中振荡冲洗，烘干后获得孔结构明显的断面，采用VHX-600K 型超景深显微镜将断面构筑三维图像，以便观察。

（2）孔隙率

按照式（1）计算泡沫混凝土孔隙率：

式中：n——孔隙率，%；

Va——掺入泡沫体积，mL；

Vew——蒸发水体积，mL；

Vc——水泥体积，mL；

Vw——水体积，mL。

（3）孔径分布

将测得的所有孔径根据孔径尺寸划分为200～400、400～600、600～800、800～1000、1000～1200、1200 ～1400、1400 ～1600 μm 共7 个区域，计算不同区域内对应气孔所占百分比，绘制孔径累计分布曲线，并选取累计分布占90%时对应的孔径D90为相应泡沫混凝土的等效孔径。

（4）孔形状因子

在断面的四个边角及中心部位划定1 cm×1 cm 的正方形，利用超景深显微镜随机在每个正方形内选取3 个孔，测量气孔周长和气孔面积，并按照式（2）计算孔形状因子，最终将所有孔的孔形状因子求和取平均值获得相应密度等级下的孔形状因子。

式中：S——孔形状因子；

P——气孔周长，μm；

A——气孔面积，μm2。

2 结果与讨论

2.1 发泡剂的基本性质

在已有试验基础上[4]，对比分析动物蛋白复合发泡剂和微生物复合发泡剂的泡沫性质和微观结构，如表4、图1 所示。

表4 不同发泡剂的泡沫性质

图1 不同发泡剂制得泡沫的微观结构

由表4 可见，微生物复合发泡剂与动物蛋白复合发泡剂的发泡倍数相近，但后者所制得泡沫的稳定性较差。由图1 可以看出，微生物复合发泡剂所制得泡沫分布均匀，且平均孔径较小，为688.07 μm，孔壁较厚，为91.27 μm；动物蛋白复合发泡剂所制得泡沫分布相对不均匀，且平均孔径较大，为1031.06 μm，孔壁较薄，为84.20 μm。研究表明[5-6]，泡沫的孔径越小，孔壁越厚，其稳定性越好。另外，与微生物复合发泡剂相比，动物蛋白复合发泡剂所制得泡沫的孔间水更多，这也大大降低了泡沫的稳定性。因此，微生物复合发泡剂在泡沫性能及生产成本上均优于动物蛋白复合发泡剂。

2.2 泡沫混凝土的物理力学性能

在上述试验基础上，利用微生物复合发泡剂制备不同密度等级（A06、A07、A08）的泡沫混凝土，并对其物理力学性能进行测试，结果如表5 所示。

表5 不同密度等级泡沫混凝土的物理力学性能

由表5 可以看出，不同密度等级泡沫混凝土的干密度、抗压强度、导热系数均符合JG/T 266—2011 的要求，并且随着干密度的增加，泡沫混凝土的抗压强度和导热系数也不断增加。这是因为制备密度越大的泡沫混凝土，所需水泥用量越多，最终形成的水化产物越多，成型试样的抗压强度越高。另外，泡沫混凝土的导热系数与干密度呈正相关，成型试样的干密度越大，内部孔越少，导热系数就越大[7-8]。反之，导热系数则越小。

2.3 泡沫混凝土的矿物组成

不同密度等级泡沫混凝土的XRD 图谱如图2 所示。

图2 不同密度等级泡沫混凝土的XRD 图谱

由图2 可见，A06 密度等级泡沫混凝土试样中含有大量CaCO3，出现这种情况的原因可能是A06 密度等级泡沫混凝土的孔隙率较高，暴露在空气中的面积较大，导致水泥水化生成的CH 与空气中CO2充分接触形成大量CaCO3。而A07 和A08 密度等级泡沫混凝土试样中则含有大量CH 以及少量CaCO3。研究表明[9]，CH 生成量与水泥水化程度呈正比。因此，密度等级越高的试样水化产物越多，其抗压强度越高。

2.4 泡沫混凝土的孔结构

2.4.1 泡沫混凝土的孔结构分布

采用超景深显微镜观察A06、A07、A08 密度等级泡沫混凝土的孔结构，结果如图3 所示。

图3 不同密度等级泡沫混凝土的孔结构

由图3 可见，泡沫混凝土的孔结构随着密度等级的增加分布越来越均匀，孔径尺寸也越来越小，且大孔和连通孔的数量也逐渐减少。出现这种情况的原因是，制备高密度等级的泡沫混凝土时，泡沫混凝土浆体中水泥浆的占比较大，泡沫可以均匀的分散在水泥浆中，水泥浆也可充分并且均匀的包裹在泡沫上，导致成型泡沫混凝土的孔结构分布均匀，孔壁较厚。相反，制备密度等级较低的泡沫混凝土时，泡沫混凝土浆体中水泥浆的占比较少，泡沫在水泥浆中分散不均匀，且包裹在泡沫上的水泥浆较少，导致成型试样的孔壁较薄，孔结构较差。

2.4.2 泡沫混凝土的孔隙率（见表6）

表6 不同密度等级泡沫混凝土的孔隙率

由表6 可见，随着泡沫混凝土密度等级的增加其孔隙率逐渐减小。这与制备不同密度等级泡沫混凝土所用泡沫掺量有关，制备密度等级越高的泡沫混凝土，所需泡沫掺量越少，孔隙率较低，反之则泡沫掺量较多，孔隙率较高。2.4.3 泡沫混凝土的孔径分布（见图4）

图4 不同密度等级泡沫混凝土的孔径分布

研究认为[10]，泡沫混凝土的孔径不宜超过1 mm，大多应在0.1～1.0 mm 之间。由图4 可见：（1）A06、A07、A08 密度等级泡沫混凝土孔径在1 mm 以内的气孔分别占总气孔的88.0%、94.5%和99.5%，并且随着密度等级的增加，泡沫混凝土的孔径分布越均匀。这是因为，泡沫掺量较多的情况下，在料浆中不易分布均匀，泡沫聚集现象明显，相互连通的几率增大，导致成型试样的大孔和连通孔率增加，孔径分布也相对不均匀，分散度较大[11]。相反，泡沫掺量较少的情况下，泡沫之间相互连通的几率降低，大孔和连通孔率减少，孔径不均匀性降低，分散度较小。（2）泡沫混凝土的等效孔径随着密度等级的增加而不断降低，A06、A07、A08 密度等级泡沫混凝土的等效孔径分别为1080、740、560 μm。这是因为，泡沫混凝土的密度等级越高，泡沫表面所包裹的水泥浆层越厚，随着水化反应的进行，水泥浆体逐渐硬化，泡沫很难在浆体中移动或互相吞并。因此，密度等级越高的泡沫混凝土等效孔径越小，且孔壁越厚，宏观上表现为抗压强度较高[12]。

2.4.4 泡沫混凝土的孔形状因子

孔形状因子表征的是气孔偏离球形的程度，其值越大，气孔越偏离球形，只有当孔形状因子等于1 时，才是标准球形[13]。A06、A07、A08 密度等级泡沫混凝土的孔形状因子如表7 所示。

表7 不同密度等级泡沫混凝土的孔形状因子

从表7 可见，A06、A07、A08 密度等级泡沫混凝土的孔形状因子分别为0.939、0.970、1.004，密度等级越高的泡沫混凝土其孔形状越趋于标准球形。这是因为，低密度等级的泡沫混凝土中泡沫掺量较多，泡沫之间因相互串联，导致其稳定性大大降低，受水泥浆体挤压时产生的变形就越大，甚至出现消泡现象，致使成型试样的孔形状不规则[14]。

通过上述对泡沫混凝土物理力学性能和孔结构的研究发现，泡沫混凝土孔结构严重影响其抗压强度和导热系数。这是因为，硬化后的泡沫混凝土为气固两相混合物，泡沫混凝土的密度等级越高，其孔隙率越低，固相所占比例越大，抗压强度越高，但由于其热量传递的效率随着固相占比的增大而增大，导致其导热系数也越大[15-16]。而孔径分布越均匀、孔球形度越高，其应力集中现象越不明显，抗压强度也越高[17]。

3 结 论

（1）与动物蛋白复合发泡剂相比，微生物复合发泡剂的孔径较小，且分布相对均匀，其孔壁较厚，孔间水较少，稳定性较好。

（2）采用微生物复合发泡剂制得A06、A07、A08 密度等级泡沫混凝土的抗压强度分别为2.5、3.5、5.5 MPa，导热系数分别为0.12 、0.15、0.17 W/（m·K），孔隙率分别为79%、75%、73%，等效孔径分别为1080、740、560 μm，孔形状因子分别为0.939、0.970、1.004，均满足JG/T 266—2011 要求。

（3）A06 密度等级泡沫混凝土因孔隙率较高，水泥水化生成的CH 与空气中CO2充分接触形成大量CaCO3，A07 和A08密度等级泡沫混凝土则因孔隙率较小，导致成型试样中含有大量CH 以及少量CaCO3。