泡沫輕質(zhì)土發(fā)泡劑的改性試驗(yàn)研究*

薛國毛 李金龍 謝規(guī)球 陳 云

(1.中交第四公路工程局有限公司 北京 100022； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410075)

發(fā)泡劑作為生產(chǎn)泡沫混凝土的重要原材料之一，是泡沫混凝土形成的主要條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。由天然材料合成的發(fā)泡劑具有優(yōu)良的起泡能力，并且在混凝土中加入泡沫，可以使混凝土形成多孔結(jié)構(gòu)，減小土體的容重。物理法制備的泡沫體積小、穩(wěn)定性高，并且液體黏度與吉布斯效應(yīng)，以及離子或非離子吸附會(huì)影響泡沫的質(zhì)量。

泡沫混凝土的穩(wěn)定性和強(qiáng)度是其重要的性能[1]，如今越來越多的學(xué)者通過研究高穩(wěn)定的顆粒穩(wěn)定型泡沫來改善泡沫的穩(wěn)定性。李兆敏等[2-3]揭示了納米顆粒能夠提高泡沫穩(wěn)定性的作用機(jī)理，并對(duì)其應(yīng)用前景和發(fā)展做了闡述，認(rèn)為納米顆粒雖然在穩(wěn)定泡沫方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也存在納米用量大的問題，并且泡沫密度高、發(fā)泡能力低、成本高，需要進(jìn)一步的研究和探索。佟建楠等[4]以碳酸氫鉀和稀鹽酸為原料，利用二者之間的反應(yīng)原理研制出新型化學(xué)發(fā)泡劑泡沫，但發(fā)泡劑性能較差，需要添加泡沫穩(wěn)定劑。榮輝等[5]以酵母菌為原材料制備微生物發(fā)泡劑，揭示微生物發(fā)泡劑的發(fā)泡機(jī)制。錢逸文等[6]研究了堿礦渣泡沫混凝土，并使用維素醚和糯米漿對(duì)其進(jìn)行改性，通過測定混凝土的孔結(jié)構(gòu)和比強(qiáng)度來探究其改性的效果。

由以上研究可以看出，目前對(duì)發(fā)泡劑及發(fā)泡方式的探索，主要是通過開發(fā)新型材料制作的發(fā)泡劑來改善發(fā)泡能力及泡沫穩(wěn)定性。本文在常用發(fā)泡劑當(dāng)中添加一些增稠劑或表面活性物等，分析單一和多元穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫性能指標(biāo)的影響，從而確定最佳摻量以使泡沫性能有較好改善效果。并且依托廣州從化至清遠(yuǎn)連州高速公路高填方路堤段工程，針對(duì)泡沫輕質(zhì)土在高速公路高、陡路基中泡沫穩(wěn)定性問題，進(jìn)行發(fā)泡劑的改性試驗(yàn)研究。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1) 發(fā)泡劑。發(fā)泡劑一般可分為化學(xué)發(fā)泡劑和物理發(fā)泡劑2大類。試驗(yàn)所用發(fā)泡劑為河南安州億化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的QW-100型號(hào)發(fā)泡劑，屬于物理發(fā)泡劑的一種。

2) 穩(wěn)泡劑。根據(jù)穩(wěn)泡劑作用方式，可將摻入物分為2類：①增稠劑，通過增大黏度減小泡沫的排水速率，來達(dá)到增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性的目的；②通過增強(qiáng)泡沫膜壁的韌性，減小張力，改善泡沫薄膜的質(zhì)量來增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性。本試驗(yàn)選取阿拉伯膠、明膠、麥芽糊精、十二烷基苯磺酸鈉(LAS)、羥丙基甲基纖維素(CAB)及椰油酰胺基丙基甜菜堿(HPMC)等市場上常見和工程中常用的穩(wěn)泡劑進(jìn)行了泡沫性能檢測試驗(yàn)。

1.2 發(fā)泡液的制備

本試驗(yàn)依托廣州從化至清遠(yuǎn)連州高速公路高填方路堤填筑工程，采用泡沫輕質(zhì)土作為路基填筑材料，依據(jù)施工要求和相關(guān)規(guī)范要求，發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)取40。故在使用發(fā)泡機(jī)制備泡沫群之前，先取25 mL發(fā)泡劑母液于燒杯或量筒中，加入1 000 mL水將發(fā)泡劑稀釋40倍。然后，使用電子秤稱取一定摻量的穩(wěn)泡劑，加入發(fā)泡液中攪拌，形成試驗(yàn)所用發(fā)泡劑。

1.3 性能測試方法

1) 發(fā)泡倍數(shù)測定。首先用量杯或量筒稱取一定量的發(fā)泡劑稀釋液，加入穩(wěn)泡劑，利用發(fā)泡機(jī)使其充分發(fā)泡；將電子秤調(diào)平后，稱量準(zhǔn)備盛裝泡沫的干燥容器質(zhì)量；然后將容器取泡沫樣，并用平口刀將泡沫試樣與杯口刮平，稱量總質(zhì)量；最后利用公式求出泡沫密度和發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)。

(1)

(2)

式中：ρ為泡沫密度，g/cm3；m1為干燥容器質(zhì)量，g；m2為盛滿泡沫的容器質(zhì)量，g；V為盛裝泡沫的容器體積，cm3；M為發(fā)泡倍數(shù)；ρ0為泡沫劑水溶液密度，取1.0 g/cm3。

3) 泡沫沉降距和泌水量測定。沉降距是指1 L泡沫1 h的下降距離，泌水量是1 L泡沫1 h消泡后余留下的發(fā)泡液，與消泡時(shí)間一樣是衡量泡沫穩(wěn)定性的指標(biāo)。

將發(fā)泡好的泡沫裝入1 L的容器中，沿容器頂部刮去泡沫，然后將邊長為5 cm的方紙片放在泡沫上并記錄時(shí)間，沉降距為1 h后泡沫下降的距離，mm。容器內(nèi)的泡沫會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸分解，將泌出的水倒入50 mL的量杯中測量，測定1 h內(nèi)容器中所分泌出水量(mL)就是泌水量。

對(duì)不同穩(wěn)泡劑摻量的發(fā)泡劑制成的泡沫，進(jìn)行發(fā)泡倍數(shù)、沉降距、泌水量性能測定，每組進(jìn)行3次試驗(yàn)取平均值。

2 單一穩(wěn)泡劑對(duì)發(fā)泡劑性能影響對(duì)比分析

將6種穩(wěn)泡劑對(duì)發(fā)泡劑性能的影響進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)比分析。各穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫性能的影響對(duì)比見圖1～圖3。

圖1 各穩(wěn)泡劑對(duì)發(fā)泡倍數(shù)影響對(duì)比圖

圖2 各穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫泌水量影響對(duì)比圖

圖3 各穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫沉降距影響對(duì)比圖

由圖1可知，麥芽糊精對(duì)泡沫發(fā)泡倍數(shù)的影響最為優(yōu)良，麥芽糊精的摻入對(duì)發(fā)泡劑的發(fā)泡能力有一定的促進(jìn)作用。十二烷基苯磺酸鈉對(duì)發(fā)泡倍數(shù)的影響次之，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%之前對(duì)發(fā)泡倍數(shù)的影響不大，之后隨著摻量的增多表現(xiàn)出抑制作用。隨著羥丙基甲基纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)呈下降趨勢(shì)，并且下降速度較快，降低幅度可達(dá)到15%左右，對(duì)發(fā)泡劑的發(fā)泡能力表現(xiàn)出較大的削弱能力，對(duì)發(fā)泡倍數(shù)的影響較明顯。明膠水溶液對(duì)發(fā)泡倍數(shù)的影響與HPMC類似，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，發(fā)泡倍數(shù)相較母液降低了41.2%。阿拉伯膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%之前發(fā)泡倍數(shù)呈緩慢下降趨勢(shì)，下降幅度為4.6%和2.5%，當(dāng)阿拉伯膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.3%，發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)下降趨勢(shì)加快。較少的CAB用量可使發(fā)泡倍數(shù)有一定減小，但整體變化幅度不大。

由圖2可知，泡沫泌水量隨著阿拉伯膠和LAS、HPMC、CAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加均不斷減少，在LAS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%之前，下降幅度較小，CAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.15%之間時(shí)變化幅度最大，泌水量由29.46 mL降低到26.31 mL，降低了10.7%。泡沫的泌水量隨著明膠水溶液和麥芽糊精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先減小后有所增加的現(xiàn)象。整體來看阿拉伯膠和CAB對(duì)泡沫泌水量性能的影響較為優(yōu)良。

由圖3可知，十二烷基苯磺酸鈉、明膠及羥丙基甲基纖維素對(duì)發(fā)泡劑泡沫沉降距的影響相差不大，沉降距均隨著摻量的增加整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著麥芽糊精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加泡沫沉降距緩慢上升，但影響不大。阿拉伯膠和椰油酰胺基丙基甜菜堿對(duì)泡沫沉降距的影響效果最為明顯，較少的摻量可使沉降距明顯降低，CAB在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.15%之間時(shí)變化幅度最大，沉降距由10.71 mm降低到7.74 mm，降低了27.7%，阿拉伯膠在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%之前對(duì)沉降距有較好改善效果，之后隨著摻量的增多，泡沫沉降距有所上升。

綜合考慮發(fā)泡劑的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性，阿拉伯膠、明膠水溶液、麥芽糊精、十二烷基苯磺酸鈉、羥丙基甲基纖維素和CAB的最佳摻入量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別0.3%，0.5%，0.3%，0.5%，0.4%，0.15%。

3 多元穩(wěn)泡劑對(duì)發(fā)泡劑性能的影響

在上述所采用的穩(wěn)泡劑中，選取2種類型中的優(yōu)良穩(wěn)泡劑進(jìn)行復(fù)配，以提高發(fā)泡溶液的綜合性能。從單一穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡性研究中可以發(fā)現(xiàn)，阿拉伯膠和麥芽糊精對(duì)復(fù)合發(fā)泡劑的泡沫穩(wěn)定性具有良好的效果，而在第二類穩(wěn)泡劑中十二烷基苯磺酸鈉以及CAB也具備優(yōu)異的穩(wěn)泡性能。目前研究發(fā)泡劑的方法有互補(bǔ)法、協(xié)同法、增效法和增加功能法[7-8]。因此本文對(duì)發(fā)泡劑的改性主要為采用上述互補(bǔ)法進(jìn)行研究，選擇阿拉伯膠和LAS、麥芽糊精和CAB進(jìn)行復(fù)配。

3.1 麥芽糊精和CAB復(fù)配對(duì)發(fā)泡劑性能的影響

將25 mLQW-100發(fā)泡劑母液加入1 000 mL水中，稀釋40倍并充分?jǐn)嚢?。固定CAB的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%，分別量取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，0.27%，0.30%，0.32%，0.35%的麥芽糊精粉末加入發(fā)泡液中，使其充分溶解。然后使用發(fā)泡機(jī)發(fā)泡，形成致密泡沫群，測定不同摻量的復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)、沉降距及泌水量。研究麥芽糊精和CAB復(fù)配對(duì)發(fā)泡劑的改性影響，其試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖4。

表1 麥芽糊精+CAB對(duì)復(fù)合發(fā)泡劑性能的影響

由表1可見，當(dāng)取CAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%，麥芽糊精質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～0.35%時(shí)，泡沫的發(fā)泡倍數(shù)、泌水量和沉降距整體變化不大。兩者復(fù)配的多元穩(wěn)泡劑對(duì)發(fā)泡劑的改性效果相對(duì)2種單一穩(wěn)泡劑來講整體較為優(yōu)良。

圖4 麥芽糊精+0.15% CAB對(duì)發(fā)泡劑性能的影響

由圖4可知，發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)和泡沫泌水量均在麥芽糊精質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～0.27%時(shí)，呈下降趨勢(shì)，在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27%～0.35%時(shí)有緩慢上升，但影響不大。泡沫沉降距在麥芽糊精質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25%～0.35%范圍內(nèi)，隨著麥芽糊精摻量的增加而不斷減小。當(dāng)麥芽糊精摻量增至0.35%時(shí)，泡沫沉降距降低至6.92 mm，下降幅度為18.1%。

試驗(yàn)證明，椰油酰胺基丙基甜菜堿和麥芽糊精的復(fù)配對(duì)復(fù)合發(fā)泡劑具有良好的伍配性。綜合考慮發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)和泡沫穩(wěn)定性能，選擇麥芽糊精的最佳摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27%，此時(shí)發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)為25.57，泌水量為24.61 mL，沉降距為7.21 mm。

3.2 阿拉伯膠和LAS復(fù)配對(duì)發(fā)泡劑性能的影響

將25 mLQW-100發(fā)泡劑母液加入1 000 mL水中，稀釋40倍并充分?jǐn)嚢?。固定LAS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，分別量取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%，0.25%，0.27%，0.30%，0.32%的阿拉伯膠粉末加入發(fā)泡液中，使其充分溶解。然后使用發(fā)泡機(jī)發(fā)泡，形成致密泡沫群，測定不同摻量的復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)、沉降距及泌水量。研究阿拉伯膠和LAS復(fù)配對(duì)發(fā)泡劑的改性影響，其試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖5。

表2 阿拉伯膠+LAS對(duì)復(fù)合發(fā)泡劑性能的影響

圖5 阿拉伯膠+0.5% LAS對(duì)發(fā)泡劑性能的影響

由圖5可見，發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)和泡沫泌水量均在阿拉伯膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%～0.32%時(shí)，隨著麥芽糊精摻量的增加而不斷減小。當(dāng)阿拉伯膠摻量增至0.32%時(shí)，發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)降低至22.74，泡沫泌水量減小到25.65 mL。泡沫沉降距在阿拉伯膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.22%～0.25%范圍內(nèi)呈下降趨勢(shì)，當(dāng)阿拉伯膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25%～0.32%范圍內(nèi)時(shí)，泡沫沉降距有緩慢上升，但影響不大。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出十二烷基苯磺酸鈉和麥芽糊精阿拉伯膠的復(fù)配對(duì)復(fù)合發(fā)泡劑的改性效果也相對(duì)優(yōu)良。綜合考慮發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)和泡沫穩(wěn)定性能，選擇阿拉伯膠的最佳摻入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，此時(shí)發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)為23.43，泌水量為24.24 mL，沉降距為6.87 mm。

對(duì)比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27%麥芽糊精+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%椰油酰胺基丙基甜菜堿、0.25%阿拉伯膠和0.5%十二烷基苯磺酸鈉的復(fù)配對(duì)復(fù)合發(fā)泡劑的性能影響結(jié)果可以看出，兩者發(fā)泡劑泡沫的沉降距和泌水量性能相差不大，但前者泡沫的起泡能力優(yōu)于后者，且十二烷基苯磺酸鈉的摻量相對(duì)較大。綜合考慮發(fā)泡劑的性能及經(jīng)濟(jì)性等原因，最終選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27%麥芽糊精+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15% CAB作為穩(wěn)泡劑。

4 結(jié)論

1) 本文重點(diǎn)分析6種單一穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫性能的影響，最終確定了各穩(wěn)泡劑的最佳摻量。

2) 結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果中各穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫性能的影響，對(duì)比分析各穩(wěn)泡劑的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇阿拉伯膠和十二烷基苯磺酸鈉十二醇、麥芽糊精和CAB進(jìn)行多元穩(wěn)泡劑對(duì)發(fā)泡劑的改性研究。

3) 綜合考慮發(fā)泡劑的性能，最終選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27%麥芽糊精+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15% CAB作為穩(wěn)泡劑，此時(shí)發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)為25.57，泌水量為24.61 mL，沉降距為7.21 mm，相較原始母液分別降低了11.2%、17%和44.5%，可有效減少沉降，控制泡沫穩(wěn)定性。