基于矿渣材料的低密度发泡混凝土制备及性能研究

徐 昊 姜 超

（山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

泡沫混凝土是在水泥浆体、泡沫和掺合料复合基础上，将气泡引入材料内部的一种轻质新型多孔材料[1-2]。矿渣类发泡混凝土因其具有强度高、保温性能优异的特点，在对矿渣等固废进行有效利用的同时，也能减少对大气的污染[3-4]。但是，很多学者在研究过程中发现碱矿渣类发泡混凝土在制备过程中存在发泡不稳定的问题，从而导致制备的混凝土试件强度不足。

该文基于矿渣类工业固废材料，采用化学发泡的形式制备了一种低密度发泡混凝土，研究了不同温度、不同催化剂掺量对发泡混凝土的影响规律，分析了泡沫混凝土的抗压强度，该研究可为工业固废类发泡混凝土的制备提供重要的理论与技术支撑。

1 试验部分

1.1 试验原材料

矿渣：试验过程中所需的矿渣均来自什邡市海宏矿渣粉有限公司，其主要化学成分及力学参数详见表1 与表2。

表1 矿渣的化学组成成分

表2 矿渣的力学参数

氢氧化钠（分析纯），购自吉林昊迪试剂经销有限责任公司；水玻璃（工业纯），购自聊城市邦拓物资有限公司；双氧水（质量分数30%，市售）；茶皂素（工业级），购自湖南朗林生物资源股份有限公司；动物蛋白（工业级），购自卡梅德生物科技有限公司；硬脂酸钙（工业级），购自青岛赛诺新材料有限公司；二氧化锰（分析纯），购自湘潭迈恩工贸有限公司。

1.2 试验测试方法

1.2.1 表面张力的测试

溶液的表面张力测试采用的是德国KRUSS-100 型表面张力仪，其中样品测试3 次，然后取平均值。

1.2.2 泡沫完整性测试

先按照一定的配比在发泡桶里配置一定比例的水玻璃溶液，并加入稳泡剂，然后在搅拌器下搅拌2min，搅拌后添加双氧水。当溶液的气泡不再变化时，记录发泡的体积，等待1h 后，重新记录溶液的发泡高度，由此可计算出泡沫的完整性。

1.2.3 强度测试

强度测试与干密度测试：试件28d 抗压强度与干密度按照标准《无机硬质绝热制品试验方法》（GB/T 5486—2008）进行测试。

1.2.4 孔隙测试

采用型号为TM3030 的电子显微镜对发泡混凝土进行微观表征分析，同时进一步借助图像处理软件进行孔隙分析。

1.3 矿渣发泡混凝土试件制作

将矿渣、水玻璃、氢氧化钠、二氧化锰和稳泡剂按照一定比例称量，放入水泥搅拌器中搅拌2min，使其充分混合。然后将双氧水加入搅拌器中继续搅拌1min，最后将浆液分别置于50mm×50mm×50mm 的模具中，等待1d 后将其放入标准养护箱中进行养护，其试验配比见表3。

表3 矿渣发泡混凝土的组成

2 结果与讨论

2.1 泡沫完整性评价

溶液中的泡沫完整性对发泡混凝土的性能有重要影响，而表面张力又是影响溶液泡沫完整性的重要因素。本节对3种不同的稳泡剂分别进行了测试，其各溶液的表面张力值如图1 所示。

图1 不同稳泡剂与溶液表面张力之间的关系

由图1 可以看出，使用同一种稳泡剂时，随着稳泡剂含量的增加，其溶液的表面张力越来越小。但当掺入量达到0.06%时，表面张力基本趋于稳定状态。此外，可以看出不同稳泡剂表现出的活性具有显著差异，其稳定性顺序依次为动物蛋白＞硬脂酸钙＞茶皂素。

试验通过气泡的消泡高度测试了泡沫的稳定性能，在溶液中掺入一定量的双氧水后，其不同活性剂的发泡性能见表4。

表4 不同稳泡剂起泡性能对比

由表4 可以看出，随着稳泡剂掺入量的增大，泡沫的起泡量与其成正比例函数关系。对比3 种稳泡剂可以明显看出，添加硬脂酸钙时，溶液基本未起泡；添加动物蛋白时，其泡沫初始高度差最小，这也表明3 种稳泡剂中动物蛋白的稳泡性能最佳。原因如下：一方面是因为动物蛋白中含有丰富的蛋白质，其在水解过程中分子量较大，会使溶液变得黏稠；另一方面，动物蛋白中分子之间具有强相互作用，该作用能够在溶液表面形成一层保护膜，进一步保护气泡不被破坏。综上所述，对3 种不同稳泡剂发泡性能的对比可知，动物蛋白具有良好的稳泡性能[5]。

2.2 温度对制备矿渣基发泡混凝土的影响

有研究者发现，在制备试件的过程中，温度对发泡混凝土具有一定影响，发泡的体积往往会随温度的变化而变化。该文针对温度变化的情况，将动物蛋白作为稳泡剂进行稳泡，详细记录了发泡过程中混凝土体积的变化，其变化趋势如图2 所示。

图2 发泡混凝土体积与温度之间的关系

由图2 可以看出，发泡混凝土的体积随温度的升高而增加，但当温度超过50℃时，其发泡高度呈现明显的下降趋势。主要原因是温度的升高会加快双氧水的分解，导致溶液的流动性能降低，进而阻碍了混凝土的进一步膨胀。

图3 测试了不同的反应温度下混凝土密度的变化规律。结果表明，随着反应温度的升高，其密度先表现出下降的趋势，当温度为50℃时，密度达到最低值，最低密度约为410kg/m3。但随着温度的继续升高，密度开始增大。

图3 不同反应温度与混凝土密度之间的关系

2.3 催化剂对矿渣基发泡混凝土的影响

不同掺量的催化剂（二氧化锰）对发泡混凝土发泡量的影响如图4 所示。掺入二氧化锰后，其发泡量在60min内达到了600mL。当二氧化锰掺量为1%时，其发泡量达到最佳值。继续增加催化剂的掺入量时，混凝土的发泡量开始出现下降的趋势。此外，该文还研究分析了二氧化锰不同掺入量时的密度变化情况，与上述分析的情况相似，进一步证实了当催化剂含量在1%时，溶液状态最佳。

2.4 发泡混凝土力学性能研究

该文在最佳反应温度（50℃）条件下制备了多组混凝土试件，并在此条件下进行了混凝土力学性能的研究，主要分析了稳泡剂的种类和催化剂的掺量对混凝土性能的影响。结果显示，随着稳泡剂含量的增加，混凝土的密度呈下降的趋势，这证实了与增加稳泡剂发泡量的关系是一致的。当掺入动物蛋白和硬脂酸钙时，混凝土的密度会降到300kg/m3以下。稳泡剂对密度和泡沫稳定性的影响是一致的，泡沫稳定性越好，制备的矿渣发泡混凝土的密度就越小，表明动物蛋白对矿渣发泡混凝土的密度、稳泡性都具有积极作用。表5 显示了不同稳泡剂、混凝土密度与混凝土抗压强度三者之间的关系。研究表明，随着混凝土密度的下降，混凝土的抗压强度也呈现下降的趋势。动物蛋白制备的混凝土试件的密度相对降低，对应的抗压强度也是最低的。茶皂素制备的发泡混凝土密度最高，对应的混凝土抗压强度也是最高的。硬脂酸钙制备的发泡混凝土强度与密度介于两者之间。气泡的稳定性通常会影响混凝土的内部孔隙结构，动物蛋白所产生的泡沫量是最多、最稳定的，导致了用动物蛋白制备发泡混凝土试件的强度最低。影响发泡混凝土抗压强度的因素除了本身密度之外，泡沫的稳定性也是一个重要因素。该文中采用的动物蛋白制备的发泡混凝土密度最低值为250kg/m3，其强度为0.2MPa。此类混凝土可应用于墙体保温领域，同时也具有防火功能。

表5 密度与混凝土抗压强度的关系

2.5 孔隙测试分析

该文用电子显微镜对发泡混凝土内部孔结构进行了测试，然后用孔结构软件进行数据处理分析。动物蛋白含量为0.05%下的扫描电镜图片如图5 所示。可以看出，混凝土的孔结构较均匀，气泡的大小也相对较均匀并且可以看出孔的数量较多，这与前文所得结论是一致的。动物蛋白制备的发泡混凝土孔参数对比见表6。从表6 可以看出，所制备的发泡混凝土的平均孔隙面积为1.89mm2，平均孔径为1.56mm，这也进一步证实了其具有较大的孔面积，与其具有的较低的抗压强度是吻合的。

图5 发泡混凝土SEM 分析

表6 动物蛋白制备的发泡混凝土孔参数对比

3 结论

该文采用化学法制备了矿渣基发泡混凝土，得出如下结论：1）溶液泡沫完整性对发泡混凝土制品的性能有重要影响，动物蛋白对发泡混凝土泡沫稳定性的影响最小，其次是硬脂酸钙，茶皂素影响最大。2）通过调整溶液体系的反应温度并加入合适的催化剂，能够有效控制混凝土发泡量及密度。当反应温度为50℃、二氧化锰催化剂的含量为1%时，所制备的发泡混凝土的密度最低，其最低密度为250kg/m3。3）随着催化剂掺量的增多，混凝土的密度也随之下降，密度与强度之间呈正比例关系。当二氧化锰催化剂的含量为1%时，其制备的混凝土密度最低为250kg/m3，对应的抗压强度为0.2MPa。