復(fù)配改性動(dòng)物蛋白對(duì)泡沫混凝土性能的影響

白應(yīng)華，武 界

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

1 引言

全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展給環(huán)境帶來(lái)了一些負(fù)面效應(yīng)，建筑材料的節(jié)能環(huán)保問(wèn)題開(kāi)始引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。建筑材料的廣泛使用加劇了溫室效應(yīng)，建筑領(lǐng)域排放的CO2氣體主要來(lái)源于膠凝材料，普通硅酸鹽水泥[1]的運(yùn)用加劇了CO2氣體的排放，隨著全球氣溫升高，建筑節(jié)能開(kāi)始吸人眼球。全球氣溫的升高，建筑材料自身的隔熱性能發(fā)揮巨大作用，雖然建筑保溫板材的隔熱性能優(yōu)良[2]，但是耐火性較差。膠凝材料自身具有的耐火性恰恰彌補(bǔ)了這一點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)膠凝材料自身進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：泡沫混凝土內(nèi)部復(fù)雜的孔結(jié)構(gòu)可以反射損耗熱量[3]，將外界的熱量消耗，提高材料自身保溫隔熱性能。為了提高膠凝材料自身的保溫隔熱性，通過(guò)在普通混凝土中引入氣泡制備泡沫混凝土，增加自身孔含量對(duì)熱量的消耗。常用的引入氣泡方法主要有兩種：物理法和化學(xué)法[4]。前者采用一些高分子物質(zhì)利用自身的水解降解形成泡沫，再將制得的泡沫加入到普通的膠凝材料漿體中混合攪拌，制備泡沫混凝土；后者利用化學(xué)反應(yīng)制備氣體，在混凝土中形成多孔性構(gòu)造。泡沫混凝土的保溫隔熱性主要通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，導(dǎo)熱系數(shù)越低，保溫隔熱性能越好。通過(guò)改善泡沫的穩(wěn)定性可以增加氣孔含量，降低其導(dǎo)熱系數(shù)，提高泡沫混凝土保溫隔熱性。利用兩種表面活性劑的協(xié)同作用進(jìn)行泡沫的改善，制備出超高性能的泡沫。

2 原材料與實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

怡佳塑膠原料有限公司動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑：主要成分為動(dòng)物角質(zhì)蛋白，可以通過(guò)自身降解形成泡沫，暗褐色透明液體，有一定腐味，pH值7.5，密度為(20 ℃條件下)1.10 g/cm3；表面型活性物質(zhì)：α烯基磺酸鈉(AOS)，白色粉末，固含量99%；十二烷基硫酸鈉(K12)，白色針狀固體，固含量93.8%、十二烷基苯磺酸鈉(LAS)，白色粉末，固含量60%。

2.2 試驗(yàn)儀器

JTRG-Ⅲ型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀、發(fā)泡機(jī)、1000 mL燒杯、量程為10 mL的移液管、玻璃棒、電子秤、電熱鼓風(fēng)干燥箱等。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

2.3.1 前期動(dòng)物蛋白的雙摻改性

將動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑母液加水按照1∶40的質(zhì)量比進(jìn)行稀釋，制取動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑稀釋液。利用天平分別稱量0.8 g的AOS和LAS，將兩種表面活性劑粉末混合加入到1 L的動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑稀釋液中，制備雙摻濃度0.8 g/L的改性發(fā)泡劑稀釋液，利用玻璃棒進(jìn)行手動(dòng)攪拌均勻。同樣的方法分別稱量0.9 g的AOS和LAS，1.0 g的AOS和LAS，1.1的AOS和LAS，依次重復(fù)上述辦法制備濃度為0.9 g/L、1.0 g/L、1.1 g/L的改性發(fā)泡劑稀釋液。參照雙摻AOS和LAS的四種濃度改性稀釋發(fā)泡劑溶液的制備方法，再制備雙摻K12和AOS，K12和LAS的四種濃度改性稀釋發(fā)泡劑溶液，采用壓縮空氣法制取泡沫。

2.3.2 試件的澆筑

參照 GB10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》的規(guī)定，定制相應(yīng)的木質(zhì)模具見(jiàn)圖1，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm。澆筑的試件見(jiàn)圖2。

圖1 試件模具

圖2 成型試樣

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 干密度理論設(shè)計(jì)值和實(shí)驗(yàn)測(cè)定值

參照J(rèn)GJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》制定本實(shí)驗(yàn)配合比，選取0.35的水膠比；參照《JGJ/T 341》對(duì)設(shè)計(jì)干密度為700 kg/m3的泡沫混凝土計(jì)算泡沫添加量為水質(zhì)量的15%。

3.2 干密度測(cè)試結(jié)果

采用發(fā)泡機(jī)進(jìn)行壓縮空氣法制取泡沫，參照泡沫混凝土規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算干密度為700 kg/m3的泡沫混凝土試件所需泡沫量。對(duì)澆筑的試塊進(jìn)行烘干測(cè)量實(shí)際干密度值，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)于測(cè)量的干密度值滿足在700±50 kg/m3的允許誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明添加的泡沫量在合理范圍內(nèi)。導(dǎo)致泡沫混凝土計(jì)算干密度增加的原因[6]：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)制泡沫在與水泥凈漿攪拌過(guò)程會(huì)出現(xiàn)部分破裂，實(shí)際泡沫添加會(huì)發(fā)生降低，因此泡沫混凝土試件內(nèi)部氣孔含量[7]會(huì)減少。

表1 干密度測(cè)定值

3.2 雙摻改性動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響

3.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法

建筑材料的保溫隔熱性能[8]評(píng)價(jià)通過(guò)測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)平均值。導(dǎo)熱系數(shù)的具體測(cè)量方法有兩種：穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。前者包括平板法和熱流計(jì)法，后者包括瞬態(tài)熱線法、瞬態(tài)平面熱源法、探針?lè)ê图す夥?。?duì)于本實(shí)驗(yàn)泡沫混凝土保溫隔熱板材主要采用穩(wěn)態(tài)法[9]中的單試樣雙熱流計(jì)法，測(cè)量試件及儀器見(jiàn)圖3、圖4，該測(cè)量方法對(duì)于板件表面的平整度要求較高，表面平整度誤差控制在±2%以內(nèi)，測(cè)量的結(jié)果精確度高，測(cè)量原理簡(jiǎn)單。本試驗(yàn)優(yōu)選硫鋁酸鹽水泥替代普通硅酸鹽水泥制備泡沫混凝土，一方面利用其產(chǎn)生的CO2氣體較少、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)；另一方面就是利用硫鋁酸鹽水泥的早強(qiáng)快凝性，減少泡沫的塌陷，降低澆筑試件表面的下沉，保證保溫板滿足平整度要求。

泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)參照 GB10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》測(cè)定，采用湖北工業(yè)大學(xué)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀(型號(hào)JTRG-Ⅲ)，試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)3 d齡期脫模，將試件放入到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d后，取出試件并測(cè)量其導(dǎo)熱系數(shù)。

圖3 保溫板材試件

圖4 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀

3.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果

泡沫混凝土作為保溫隔熱性材料，不僅降低了普通混凝土的自重，還解決了普通板材耐火性較差的問(wèn)題，表2是建筑領(lǐng)域常用的固體材料導(dǎo)熱系數(shù)值。泡沫混凝土保溫板材作為建筑領(lǐng)域的新型材料，具有耐火性較好、導(dǎo)熱性能優(yōu)良等特點(diǎn)。相較與普通的耐火磚和建筑磚，內(nèi)部的多孔蜂窩結(jié)構(gòu)不僅提高自身隔熱性能，還有效降低其自身重量，廣泛用于建筑填充材料。另外使用泡沫混凝土保溫板材相對(duì)于玻璃和石棉板材成本也有所降低，適用于工業(yè)生產(chǎn)。本試驗(yàn)通過(guò)優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)[10]，制備導(dǎo)熱系數(shù)較小，隔熱性能較好的保溫隔熱板材。

表2 常用固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)

泡沫混凝土制備的保溫板材，目前廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。利用泡沫混凝土自身的耐火性，向內(nèi)部引入泡沫，使其成為多孔結(jié)構(gòu)混凝土，可以起到保溫隔熱的作用。泡沫混凝土的導(dǎo)熱性能好壞取決于內(nèi)部蜂窩孔狀構(gòu)造，對(duì)外界的熱量進(jìn)行反射吸收。為了改善泡沫內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，提高泡沫穩(wěn)定性，對(duì)動(dòng)物蛋白進(jìn)行改性。利用三種離子型表面活性劑進(jìn)行改性，通過(guò)混合摻入其中兩種改性劑，探究雙摻下最佳添加比例。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5，結(jié)果表明：①雙摻任意兩種離子型表面活性劑都按照相同質(zhì)量摻入到1 L的動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑稀釋液中，隨著摻量的增加，改性劑濃度的也會(huì)增加，泡沫板的保溫隔熱性能會(huì)呈現(xiàn)規(guī)則性變化；②當(dāng)雙摻兩種改性劑濃度小于1.0 g/L，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定值會(huì)逐漸減小，在兩種改性劑濃度為1.0 g/L時(shí)，導(dǎo)熱性能最佳，泡沫板材保溫隔熱性能最好；③雙摻LAS和K12改性動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑時(shí)的改性效果最好，在摻入濃度為1.0 g/L時(shí)，保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)最小可達(dá)0.1583 W/(m·K)，此時(shí)的保溫隔熱性能最優(yōu)。

圖5 雙摻改性下泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)

3.3 雙摻改性對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

隨著泡沫添加量的增加，泡沫混凝土內(nèi)部蜂窩孔數(shù)量會(huì)顯著增加，保溫隔熱性能會(huì)大幅度提升，但是泡沫混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度下降幅度會(huì)增大。要想制備超高性能泡沫混凝土，一方面，必須對(duì)膠凝材料的自身性能有所要求，本試驗(yàn)采用具有早強(qiáng)、高強(qiáng)性的快硬性硫鋁酸鹽水泥[11]制備泡沫混凝土；另一方面，通過(guò)外摻改性劑改性動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑制備較高的泡沫，增強(qiáng)泡沫混凝土內(nèi)部孔構(gòu)造的穩(wěn)定性，提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖6 雙摻改性下泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度

圖6是利用雙摻任意兩種離子型表面活性劑對(duì)動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑進(jìn)行改性，對(duì)不同濃度外摻量下的泡沫混凝土試塊進(jìn)行7 d抗壓強(qiáng)度的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明：①雙摻AOS和LAS在四種濃度下7 d的抗壓強(qiáng)度均最大。主要是LAS的加入可以有效的提高泡沫的粘結(jié)度，減小泡泌水量，降低澆筑時(shí)泡沫塌陷，減少泡沫塌陷對(duì)泡沫混凝土的強(qiáng)度影響[12]；AOS的加入，降低泡沫的沉陷距的同時(shí)，進(jìn)一步提高發(fā)泡倍數(shù)；②雙摻AOS和LAS在摻量濃度為0.8 g/L時(shí)，7 d的抗壓強(qiáng)度最大，隨著離子型表面活性劑的添加，泡沫量大幅度提高，泡沫之間會(huì)由于粘結(jié)力作用相互吸引聚結(jié)形成直徑較大泡沫發(fā)生破裂，降低泡沫穩(wěn)定性。離子型表面活性劑摻量為1.0 g/L時(shí)，改性發(fā)泡劑溶液起泡能力達(dá)到最大，此時(shí)泡沫含量最多，泡沫之間聯(lián)結(jié)塌陷最明顯，進(jìn)一步增加離子型表面活性劑添加量，大孔徑泡沫會(huì)泌水下沉，小孔徑泡沫在澆筑過(guò)程中與漿體更好的結(jié)合，使得制備的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)二次增加。

4 結(jié)論

(1)雙摻任意兩種離子型表面活性劑按照相同質(zhì)量摻入到1 L的動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑稀釋液中，隨著摻量的增加，泡沫板的保溫隔熱性能會(huì)呈現(xiàn)規(guī)則性變化。

(2)當(dāng)摻入的兩種改性劑濃度都小于1.0 g/L，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定值會(huì)隨著改性劑濃度的增大而降低，兩種改性劑濃度都為1.0 g/L時(shí)，測(cè)量的導(dǎo)熱系數(shù)平均值最小，此時(shí)保溫板導(dǎo)熱性能最佳，保溫隔熱性能最好。

(3)雙摻LAS和K12改性動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑時(shí)的改性效果最好，在摻入濃度都為1.0 g/L時(shí)，保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)最小可達(dá)0.1583 W/(m·K)，此時(shí)的保溫隔熱性能最優(yōu)。

(4)雙摻AOS和LAS在4種濃度下7 d的抗壓強(qiáng)度均最大。主要是LAS的加入可以有效的提高泡沫的粘結(jié)度，減小泡泌水量，降低澆筑時(shí)泡沫塌陷，減少泡沫塌陷對(duì)泡沫混凝土的強(qiáng)度影響；AOS的加入，降低泡沫的沉陷距的同時(shí)，進(jìn)一步提高發(fā)泡倍數(shù)。且雙摻AOS和LAS在摻量濃度為0.8 g/L時(shí)，7 d的抗壓強(qiáng)度最大。