低密度碱矿渣发泡混凝土的制备及基本力学性能

低密度碱矿渣发泡混凝土的制备及基本力学性能

张任栋,禹斌,陈存敏,郭杰,马志良

中国建筑第八工程局西北分公司 陕西省西安市710000

摘要：泡沫混凝土是一种向胶凝材料浆体中引入气泡的轻质多孔材料。传统的硅酸盐水泥泡沫混凝土性能稳定，材料来源多，但能耗高、环保问题突出。碱性矿渣胶凝材料是一种新型高性能绿色建筑材料，具有强度高、早期硬化快、耐久性好等优点。可以克服用普通硅酸盐水泥制备泡沫混凝土时硬化慢、强度低、能耗高的缺点。但是，碱矿渣泡沫混凝土也存在一些缺点，如发泡过程不稳定、低密度试件抗压强度低等。

关键词：碱矿渣发泡混凝土;低密度;产气速率;孔结构;力学性能；

一、水玻璃溶液包裹气体能力评价

对化学发泡法来说，溶液包裹气体的能力对发泡混凝土制品的性能有重要影响。表面张力是影响溶液包裹气体能力的重要因素，分别采用茶皂素、植物蛋白和硬脂酸钙三种稳泡剂，测试得到各组水玻璃溶液的表面张力值，随着稳泡剂掺量的增多，水玻璃溶液的表面张力随之下降，当掺量达到一定值后趋于稳定。测试结果显示，加入茶皂素、植物蛋白和硬脂酸钙的激发剂溶液表面张力最低值分别为53 mN/m、36 mN/m和43 mN/m，且溶液表面张力降至最低值所需稳泡剂掺入量的顺序依次是植物蛋白＞茶皂素＞硬脂酸钙，这两点均反映了稳泡剂表面活性的差异。溶液包裹气体的能力通过发泡倍数以及半消泡时间来评价。当掺入同种稳泡剂时，起泡量随着稳泡剂掺量的增多而增大，对应表面张力值可得，泡沫的发起量随着表面张力的降低而增多。虽然硬脂酸钙使水玻璃溶液的表面张力降低明显，但以硬脂酸钙作稳泡剂的溶液起泡能力最弱。当发泡量相近时，掺入茶皂素的溶液的表面张力要高于掺入植物蛋白的溶液的表面张力，这说明溶液的表面张力可以影响起泡，但并不是主导起泡性能的决定性因素，起泡能力还与稳泡剂的种类有关。茶皂素属于非离子型表面活性剂，内部由亲水基团和疏水基团组成，两种基团均有很好的表面活性，所以茶皂素有着很好的起泡性能，且茶皂素对溶液的酸碱度适应性广，在pH值4到10的范围内，茶皂素的起泡能力变化很小。根据气泡的半衰期可以评价气泡的稳定性，半衰期越长表明气泡越稳定。植物蛋白的掺量在0．002%～0．010%时气泡稳定性比较低，掺量在0．010%～0．060%时气泡的稳定性迅速提升。加入硬脂酸钙的溶液由于起泡量太少，其半消泡时间无法准确测定。在比较气泡稳定性时也能发现，表面张力更低的溶液发起的气泡稳定性越好，可得气泡的稳定性与溶液的表面张力密切相关。表明植物蛋白主要依靠水解蛋白起泡，并且水解蛋白的分子量比较大，溶液也更为黏稠，制备的泡沫泡壁的液相黏度较大，液体迁移相对困难。

二、温度和催化剂对制备碱矿渣发泡混凝土的影响

将双氧水加入到掺有0．060%植物蛋白的水玻璃溶液中后，在室温条件以及未掺催化剂的情况下几乎无法产生气泡。在常温且未掺催化剂的条件下制得碱矿渣发泡混凝土的密度与稳泡剂掺量之间的关系。在没有外界条件促进双氧水分解的情况下，随着稳泡剂掺量的增多，碱矿渣发泡混凝土的密度并没有明显下降。出现这种现象的原因为:在常温条件下双氧水的分解太慢而浆料凝结过快，浆体无法发起而导致制得的发泡混凝土密度大。发现溶液起始温度对制备发泡混凝土有重要影响，发泡体积会随着温度的升高而增大。研究了水玻璃溶液温度改变对发泡混凝土发起过程的影响，记录浆体在发泡桶中的发起高度h随时间t的变化。浆体的发起速率随着溶液温度的升高而增大，说明双氧水的分解加快。当水玻璃溶液的初始温度为35℃时，浆体最终的发泡体积最大;当溶液的初始温度达到40℃时，浆体的发泡体积出现降低;当溶液的初始温度达到45℃时，浆体发泡体积进一步降低且表面出现比较大的裂纹。这是由于温度升高后，在加快双氧水分解的同时也会加快浆体的凝结，浆体凝结过快使流动度降低，失去了连续变形的能力，此时浆体中的双氧水还未分解完毕，所以之后浆体继续膨胀将出现裂纹，浆体过快凝结硬化约束了浆体继续膨胀，也限制了其发泡高度。随着水玻璃溶液初始温度的升高，发泡混凝土的密度呈先减小后增大的趋势，且最低密度约为455 kg/m3。对比了不同催化剂对双氧水分解的催化效果，研究发现掺入适量二氧化锰能够制备超低密度的发泡混凝土，若过量掺入会使发泡混凝土的力学性能出现显著下降。不同掺量的二氧化锰对发泡混凝土发起过程的影响掺入二氧化锰后浆体的发泡速度进一步加快，二氧化锰掺入量为2．0%时浆体发泡高度最高，若再增加二氧化锰的掺量则会使发泡混凝土出现较明显的塌模。掺入一定量的二氧化锰可以进一步降低碱矿渣发泡混凝土的密度，且在掺入量为2．0%时能使密度达到最低值。掺入2．0%的二氧化锰，但没有提高水玻璃溶液初始温度制备的碱矿渣发泡混凝土内部看到掺入催化剂后制备的试件内部呈粉化状态，不能观察到完整的孔结构。为了将水玻璃溶液初始温度提升后制备的试件内部孔结构是否完好，根据之前的研究选择将水玻璃溶液初始温度设置为35℃进行制备，之后再与常温水玻璃溶液制备的试件做比较，水玻璃溶液初始温度提升到35℃时制备的试件拆模后内部保留完好，没有粉化，侧面的孔结构也清晰可见，与水玻璃溶液为常温时制备的现象截然不同，这表明水玻璃溶液温度提升后改善了试件内部粉化的现象。通过掺入适量催化剂以及适当提升水玻璃溶液初始温度的方法可以成功制备得到密度达标且内部结构完整的碱矿渣发泡混凝土。

三、不同密度下碱矿渣发泡混凝土的性能

以低密度和浆体内部结构作为标准选择最佳的制备条件，激发剂溶液温度为35℃以及二氧化锰掺量为2．0%时制备的碱矿渣发泡混凝土效果最好。研究了稳泡剂的种类和掺量对碱矿渣发泡混凝土性能的影响，碱矿渣发泡混凝土的干密度随着稳泡剂掺量的增多而降低，这与增加稳泡剂发泡量随之增大的规律吻合。掺入植物蛋白和茶皂素均可以将发泡混凝土的最低密度降低到300 kg/m3以下，且掺入植物蛋白制备的最低密度可以达到250 kg/m3以下。掺入硬脂酸钙的发泡混凝土的干密度明显高于另外两种稳泡剂制备的发泡混凝土，这与上文研究得到的硬脂酸钙发泡效果不好的结论吻合。分析可得，发泡混凝土的干密度与溶液包裹气体的能力密切相关，溶液包裹气体能力越好则制备的碱矿渣发泡混凝土的密度越小。掺植物蛋白对碱矿渣发泡混凝土的密度降低效果最好。可得碱矿渣发泡混凝土的抗压强度随着密度的降低而下降。硬脂酸钙制备的发泡混凝土密度最高，对应的抗压强度也越高。在同一密度等级下植物蛋白制备的发泡混凝土的抗压强度高于茶皂素制备的发泡混凝土的抗压强度。从上文的研究来看，茶皂素作稳泡剂时发起气泡的稳定性弱于植物蛋白发起气泡的稳定性，气泡稳定性弱会直接影响发泡混凝土的内部结构，从而导致发泡混凝土的强度降低。该性能等级的发泡混凝土可以应用于复合保温墙体，将该种发泡混凝土浇灌到除了承重墙之外的一般墙体夹层之中能形成整体式发泡混凝土灌浆墙体，可以提升墙体的保温隔热以及隔音的性能，同时也兼具防火功能。

总之，随着稳泡剂掺量的增多，制备的碱矿渣发泡混凝土的气孔变小，但由于连通孔数量的增多，孔结构圆度值变大。植物蛋白作稳泡剂发起的气泡稳定性更好，因此在大致同一密度等级下，采用植物蛋白制备的碱矿渣发泡混凝土的孔结构参数优于采用茶皂素制备的碱矿渣发泡混凝土。

参考文献：

［1］王方，碱激发矿渣胶凝材料综述.2019.

［2］赵东磊．低密度碱矿渣发泡混凝土的制备及基本力学性能探讨.2022.