泡沫混凝土发泡剂的改性试验研究

陶 宇，唐旭光

（湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

通过引入大量封闭的气孔，泡沫混凝土具有保温、隔热、防冻、防腐和轻质等优点，近年来被广泛应用于建筑外墙保温层、桥头跳车、软土区路基、管道回填及工程抢险等领域[1]。发泡剂作为制备泡沫混凝土的必要关键组分，其性能的优劣越来越引起人们的重视。发泡剂又名“泡沫剂”，是一种溶于水后，能够降低液体表面张力，通过物理和化学方法产生大量均匀而稳定的泡沫的添加剂。按其发泡原理有物理发泡剂和化学发泡剂两类，其中前者较为常见[2]。

现有关于泡沫混凝土发泡剂的研究主要集中在发泡改性方面，雷团结[3]等对比4 种阴离子表面活性剂，得出相同溶液浓度下AOS 的发泡能力最强，其次是K12、AES 次之，LAS 最差，并以0.8%的AOS为发泡剂母液，掺入0.20%的有机硅稳泡剂ZT-1 和0.02%的羧甲基纤维素CMC 发现泡沫性能达到最优；职红涛[4]对比K12、LAS、AOS、AEO、AES 5 种发泡剂，发现K12 不仅发泡性能最优，价格还便宜；薛国毛[5]等试验分析了单一和多元稳泡剂对泡沫性能指标的影响，选定质量分数为0.27%麦芽糊精+0.15%CAB 作为稳泡剂；王翠花[6]对蛋白质型发泡剂的改性试验发现，三乙醇胺掺量为0.3～0.5%时，泡沫稳定性得到改善。现选取4 种典型的物理发泡剂作为发泡液，以十二烷基硫酸钠、羟丙基甲基纤维素和三聚磷酸纳为改性剂对其进行改性研究，参照《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》从泡沫空气稳定性和料浆稳定性来评价泡沫性能。

1 试验

1.1 原材料

（1）物理发泡剂：复合动物蛋白活性剂，高分子植物蛋白活性剂，APG 烷基糖苷表面活性剂，松香酸纳粉末。

（2）改性剂：十二烷基硫酸钠（K12），羟丙基甲基纤维素（HPMC），三聚磷酸纳（STPP）。

（3）辅助材料：P·O42.5 普通硅酸盐水泥；机制砂；自来水。

1.2 试验设备

发泡装置1 台：小型变频水泥发泡机，发泡能力100 L/min，空气压力8 kg，发泡流量调节（1-100）L/min；15 L 塑料圆桶；电子秤1 台：量程2 000 g，精度1 g；1 L 烧杯2 个；精度0.02 mm 的深度游标卡尺1 把；边长50 mm 方片纸；量筒50 mL、250 mL、1 000 mL 各1 个；数显式秒表1 块。

表1 不同稳泡组分对泡沫轻质土的影响一览表

1.3 试验方法

空气稳定性：根据《泡沫混凝土发泡剂》（JC/2199—2013）[7]测试发泡剂发泡倍数，《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》（CJJ/T 177—2012）[8]测试发泡剂的1 h 沉降距和泌水量。

料浆稳定性：根据《现浇泡沫轻质土路基设计施工技术规程》（TJG F10 01—2011）[9]测试泡沫轻质土料浆标准沉陷距。

2 结果与分析

2.1 泡沫剂的发泡性能

将复合动物蛋白、高分子植物蛋白、松香酸纳、APG 烷基糖苷4 种泡沫剂在不同稀释比下进行发泡试验，所发泡沫的沉降距、泌水量参数如图1～图3所示。随着稀释比的增加，除松香酸纳外其他三种泡沫剂的发泡倍数逐渐减小，泌水量呈线性增加，沉降距表现相对稳定波动不大。相同稀释比下高分子植物蛋白剂的发泡效率最高，当稀释比从20 增大到50时，沉降距只增加了5 mm，泌水量增加了6 mL，波动幅度远低于其他品种，且在20 与30 之间发泡效率相当稳定。

图1 各种泡沫剂的发泡倍数曲线图

图2 各种泡沫剂的沉降距曲线图

图3 各种泡沫剂的泌水量曲线图

综合分析，通过以上三项指标对比，优先考虑稀释比在30 条件下的泡沫溶液性能，高分子植物蛋白＞烷基糖苷＞复合植物蛋白＞松香酸纳。

2.2 发泡机流量对泡沫性能的影响

根据上一步的试验结果，以稀释比30 的高分子植物蛋白剂溶液为发泡母液，分别在发泡机25、40、50、60、75、100 L/min 的流量下进行发泡试验和泡沫性能测试。结果如图4、图5 所示，随着流量的增大，发泡倍数曲线呈先递增后递减的趋势，在流量50 L/min 附近出现峰值达55，泌水量曲线呈先下降后上升趋势，在该点处出现最小值仅有15 mL，沉降距曲线单调递减在60 到75 L/min 之间有所放缓。

图4 流量对发泡效率的影响曲线图

图5 流量对泡沫性能的影响曲线图

综上分析，当流量在20 到50 L/min 之间时，泡沫气液混合不均匀，气多液少。泡沫较轻，气泡液膜较薄稳定性差，虽然泡间泌水较少但是容易破泡。当流量在50 到60 L/min 之间时，发泡机吸入的发泡液增多，气液交互充分，流出的泡沫均匀而富有弹性、流动性好，气泡的液膜厚度适中，泡沫稳定性高。当流量在60 到100 L/min 时，设备吸入的液体大于吸入的空气，机械发泡能力下降，流出泡沫流动性高，但是过高的含水率导致泌水量严重气泡稳定性下降。不利于混凝土后期强度的增长。综合考虑，优选发泡剂流量50 L/min 的工况。

2.3 改性剂对发泡母液的影响

以十二烷基硫酸钠（K12）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、三聚磷酸钠（STPP）为改性剂，对发泡母液在常温下进行复配改性试验和泡沫性能测试。

（1）将十二烷基硫酸钠按照0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%、1.3%、1.5%的掺量加入到已制备好的发泡母液中，试验结果如图6、图7 所示。

图6 K12 改性的发泡曲线图

图7 K12 改性的泡沫性能曲线图

随着K12 掺量的增加，发泡倍数先增加后减小呈山峰状分布，在1%附近达到峰值55.62，之后迅速下降到51.84。掺量与沉降距呈反比，与泌水量呈正比。在0.7%到1%之间，三项指标表现稳定，制备的泡沫性能最佳。综上分析，K12 作为一种常见的阴离子表面活性剂，易溶于水，对母液的发泡效率起到一定促进作用，气泡稳定性得到提升但泌水量有点过大。

（2）将羟丙甲纤维素（HPMC）按0、0.02%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%的掺量加入到已制备好的发泡母液中，试验结果如图8、图9 所示。

图8 HPMC 改性的发泡曲线图

图9 HPMC 改性的泡沫性能曲线图

随着HPMC 的加入，发泡倍数开始下降，当掺量小于0.05%时发泡倍数迅速递减，液膜厚度增加气泡稳定性增强，但泌水量迅速增加。当掺量大于0.05%变化有所放缓，掺量与沉降距呈反比，与泌水量呈正比。综合分析，HPMC 对母液的稠度显著提升，气泡液膜厚度增加稳定性得到改善，但是泡沫泌水量严重不利于混凝土强度发展。同时随着泡沫母液的稠度提高，在发泡机发泡过程中对气液交互具有抑制作用导致发泡倍数下降。

（3）将三聚磷酸钠（STPP）按0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%、1.2%、1.4%的掺量加入到已制备好的发泡母液中，试验结果如图10、图11 所示。随着掺量的增加，发泡曲线、沉降和泌水量呈先递增后递减趋势，在0.6%达到峰值55.31，此时的泌水量为最小值11.6 mL，沉降距7.6 mm。在此附近泡沫性能最优，对比未添加发泡倍数增加了3 个点，沉降距、泌水量分别减小了6 mm、3 mL。

图10 STPP 改性的发泡曲线图

图11 STPP 改性的泡沫性能曲线图

综合分析，STPP 是一种白色粉末状颗粒的无机表面活性剂，易溶于水呈碱性，流动性较好，常作保水剂、品质改良剂、pH 调节剂，通过螯合效应，母液中的水分得到软化，表面粘度进一步提升，分子间的作用力增大，液膜克服重力排液的阻力增强，在0.6%的掺量下改性发泡母液性能最佳。

2.4 改性发泡剂的泡沫料浆稳定性

结合实验室已有的试验配比，取砂和水泥1∶1，采用等量取代法，粉煤灰取代30%的水泥，在0.5 的水胶比和650 L/m3的泡沫掺量下分别进行两组混凝土制备试验，结果如表1 所列。

相同泡沫掺量下，STPP 改性的发泡母液泡沫沉陷距更小。由于泡沫混凝土养护过程中，泡沫由气泡经过气-液、气-液-固、气-固界面的转变形成气孔，水分蒸发液膜逐渐消失被水化胶凝产物替代形成气泡壁。在各种不平衡挤压力的作用下，泡沫形状由近似的球体变成了不规则多边扁形。STPP 改性的泡沫料浆稳定性更高，凝固后混凝土试块强度更高、质量更轻，满足并超出规范[8]路基填筑0.8MPa 的要求。

3 结论

（1）经分析4 种常见的典型发泡剂，对比不同稀释比下的泡沫发泡倍数、沉降距、泌水量。基于上述试验结果，优选稀释比30 的高分子植物蛋白剂为发泡母液，通过发泡机流量试验，发现在50 L/min 的流量情况下泡沫性能最优。

（2）以K12、HPMC、STPP 为改性剂，分别对母液进行改性研究，得出：K12 对母液的发泡效率有一定提升，但产生的泡沫不稳定泌水量过大；HPMC 能改善气泡的稳定性，但稠度增加流动性下降，泌水量最大；STPP 在掺量0.6%附近，泡沫的空气稳定性最优。

（3）对比K12 和STPP 改性的两种泡沫掺入混凝土中的表现，发现STPP 改性的泡沫料浆稳定性更好，硬化后标准混凝土试块强度更高。