典型納米改性發(fā)泡劑對泡沫混凝土性能的影響*

高育欣，康升榮，閆松齡，麻鵬飛,2，程寶軍,3

(1.中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 610000；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400000；3.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110000)

0 引言

泡沫混凝土又稱發(fā)泡水泥，是將空氣等氣體引入混凝土漿體中成型的含有大量細(xì)小封閉氣孔并具有一定強(qiáng)度的混凝土制品，其作為一種建筑材料具有諸多優(yōu)點，如質(zhì)輕、保溫隔熱、阻燃、抗震、綠色環(huán)保、成本低等[1]。傳統(tǒng)泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)通常在0.127 ～0.199 W/(m·K)，干密度在0.4 ～0.8 g/cm3，由于成型工藝中不可避免的攪拌以及泡沫穩(wěn)定性難以提高的制約，成型過程中損泡率較高，較難達(dá)到超輕泡沫混凝土干密度小于0.3 g/cm3的指標(biāo)要求。降低泡沫混凝土成型過程中的損泡率，確保泡沫混凝土制品能夠發(fā)揮其優(yōu)異性能的關(guān)鍵是發(fā)泡劑所發(fā)泡沫是否具有足夠的穩(wěn)定性。發(fā)泡劑的發(fā)泡能力和所發(fā)泡沫的穩(wěn)定性是影響新拌漿體的流動性和澆注體的體積穩(wěn)定性，以及硬化體的密度和強(qiáng)度的主要因素。使用較多的發(fā)泡劑有合成類表面活性劑和蛋白質(zhì)類表面活性劑，二者均能降低溶液表面張力，促進(jìn)溶液起泡；但蛋白質(zhì)類表面活性劑原料短缺，成本較高；合成類表面活性劑雖然發(fā)泡速度快且發(fā)泡倍數(shù)大，但所發(fā)泡沫的穩(wěn)定性較差[2]。

納米材料是指粒徑在1～100 nm的材料，具有尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)等特點[3]。徐迅等[4]研究了納米SiO2對硅酸鹽水泥凈漿性能及水化過程的影響，發(fā)現(xiàn)納米SiO2可以縮短水泥凝結(jié)時間，提高其中后期強(qiáng)度。ZHOU等[5]研究了納米氧化鋁對水泥早期水化的影響，發(fā)現(xiàn)其不僅具有填充作用，還有可溶解在氣孔中的化學(xué)作用。GüNEYISI等[6]研究了納米SiO2對自密實混凝土流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)其能使自密實混凝土具有更強(qiáng)的黏性。LIU等[7]研究了納米碳酸鈣對水泥漿體性能的影響，結(jié)果表明，納米碳酸鈣可以促進(jìn)水泥的早期水化。KUMARI等[8]研究了納米碳酸鈣摻量對鋼纖維超高強(qiáng)混凝土性能的影響，結(jié)果表明，納米碳酸鈣摻量為3.2%時，能夠顯著提高鋼纖維與水泥漿體的黏結(jié)性能以及試樣的抗彎能力。除此之外，胡建城[9]的研究表明，納米SiO2能顯著提高泡沫混凝土的強(qiáng)度，降低泡沫混凝土氣孔的平均孔徑。杜儀[10]認(rèn)為納米SiO2可阻塞柏拉圖通道與節(jié)點，進(jìn)而使泡沫的穩(wěn)定性得到顯著提高，且使氣泡得到細(xì)化，分布更加均勻，納米SiO2摻量越高，效果越明顯。李妍[11]的研究表明，納米碳酸鈣晶須能夠改善泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而提高泡沫混凝土的性能。劉金濤[12]的研究表明，摻加了納米SiO2的水泥的水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)更加致密。納米粒子在泡沫混凝土中可以通過多種形式形成三維網(wǎng)狀穩(wěn)固層，從而提升泡沫液膜的穩(wěn)定性。此外，納米顆粒在泡沫表面及液膜中形成了黏彈性外殼及空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了泡沫強(qiáng)度以及薄膜抵抗擾動和排液的能力[9-12]，提高了泡沫混凝土的成型質(zhì)量。

混凝土常用的納米材料有納米SiO2、納米石墨烯、納米碳酸鈣、納米氧化鋁及納米二氧化鈦等。本文選擇納米SiO2、納米石墨烯、納米碳酸鈣為發(fā)泡劑改性材料，通過分析其特性以及與合成型發(fā)泡劑的協(xié)同作用規(guī)律，優(yōu)選出適用于泡沫混凝土的納米材料，合成了新型納米改性發(fā)泡劑，研究了納米改性發(fā)泡劑對超輕泡沫混凝土性能的影響，以期為新型保溫材料研究提供新思路。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

自制合成型發(fā)泡劑由十二烷基硫酸鈉、α-烯烴磺酸鈉和脂肪醇聚氧乙烯醚混合制得，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。不同稀釋倍數(shù)下的自制合成型發(fā)泡劑的發(fā)泡性能見表1。

納米材料有R972型疏水納米SiO2(粒徑16 nm)、A200型親水納米SiO2(粒徑12 nm)、納米石墨烯、納米碳酸鈣。

制備泡沫混凝土的原料有水泥、氣凝膠粉、促凝劑、減水劑、泡沫和水，其中：促凝劑為自主開發(fā)的離子型促凝劑，主要由625鋁酸鹽水泥、Ca(OH)2、Na2SO4和Li2CO3組成；減水劑為自制聚羧酸高性能減水劑，減水率為35%，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%；水為普通工業(yè)用水。

1.2 配合比

1)發(fā)泡劑配合比

納米材料改性發(fā)泡劑配合比見表2。

表2 納米材料改性發(fā)泡劑配合比 單位：g

納米材料R972型疏水納米SiO2、納米碳酸鈣、納米石墨烯、A200型親水納米SiO2與自制合成型發(fā)泡劑(ZH)按表2配合比制得的改性發(fā)泡劑分別用代號ZR972、ZCAS、ZGO、ZA200表示。

2)泡沫混凝土配合比

每配制1 m3泡沫混凝土需加入水泥 100 kg、氣凝膠粉1 kg、促凝劑6 kg、減水劑2 kg、泡沫 0.94 m3、水30 kg。

1.3 試樣制備

1)泡沫

使用JFS-550型高速分散砂磨機(jī)按照表2配合比將發(fā)泡劑與納米顆粒混合，制備納米材料改性發(fā)泡劑，之后將改性發(fā)泡劑稀釋25倍后倒入發(fā)泡機(jī)中，啟動發(fā)泡機(jī)直至產(chǎn)生細(xì)小穩(wěn)定且大小均勻的泡沫，一般發(fā)泡時間為2～4 min，所發(fā)泡沫密度約為32 kg/m3。

2)泡沫混凝土

泡沫混凝土的成型工藝如下：先在攪拌機(jī)內(nèi)將水泥等原料干拌均勻，然后加水?dāng)嚢?～3 min，將之前制備的泡沫緩慢倒入混合料中繼續(xù)攪拌約5 min至其均勻分布，最后將漿體倒入預(yù)先準(zhǔn)備好的強(qiáng)度測試試件模具(100 mm×100 mm×100 mm)和導(dǎo)熱系數(shù)測試試件模具(300 mm×300 mm×30 mm)中，刮平表面。室溫養(yǎng)護(hù)2 d拆模，拆模后將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)25 d，之后轉(zhuǎn)移至干燥箱，在(60±5) ℃下連續(xù)烘干1 d，待完全干燥后測試其力學(xué)性能、導(dǎo)熱系數(shù)、體積吸水率和微觀孔結(jié)構(gòu)。

1.4 性能測試

1.4.1 泡沫性能測試與動力學(xué)測試

將改性發(fā)泡劑稀釋25倍后，取100 mL稀釋液以2 500 r/min的速度分散1 min，迅速倒入500 mL的量筒中，記錄初始發(fā)泡體積V(mL)和析出50 mL液體的時間及析液半衰期(s)。按式(1)計算泡沫特征值T，按式(2)計算相對密度ρ。

T=(VQ/V)×100%=(V-VY)×100%/V，

(1)

ρ=VY/V，

(2)

式中：VQ為泡沫中氣體的體積，mL；VY為折出的液體體積，mL。

1.4.2 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度依照J(rèn)G/T 266-2011《泡沫混凝土》進(jìn)行測試，測試設(shè)備為NYL-2000型壓力試驗機(jī)。

1.4.3 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)采用防護(hù)熱板法進(jìn)行測試，設(shè)備選擇IMDRY3001-Ⅶ型雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀。

1.4.4 體積吸水率

體積吸水率依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11969-2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》進(jìn)行測定。

1.4.5 孔結(jié)構(gòu)分析

測試微觀孔結(jié)構(gòu)時，首先將100 mm×100 mm×100 mm的試件對半切開，切面為待測面，之后使用精邁儀器制造的DJCK-2裂縫測寬儀拍攝切面孔結(jié)構(gòu)，拍攝截面尺寸為11 mm×9 mm，放大倍數(shù)為60倍，最后使用Namo Measurer軟件進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同納米材料摻量發(fā)泡劑的發(fā)泡性能

制備了不同納米顆粒摻量發(fā)泡劑，測試了其稀釋20倍時的泡沫性能，結(jié)果見表3。

表3 添加納米顆粒對泡沫性能的影響

由表3可知，隨著納米顆粒摻量的增加，發(fā)泡體積均逐漸減小，而析液半衰期則呈先上升后下降的趨勢。這說明少量納米CaCO3、納米石墨烯、納米SiO2的摻入均提高了泡沫穩(wěn)定性，且隨著其摻量的增加，能形成致密的細(xì)小泡沫，增大了析液半衰期，因此具有良好的穩(wěn)定泡沫的作用；但納米顆粒的摻量繼續(xù)增加反而會降低泡沫的穩(wěn)定性，這主要是因為納米顆粒較大的比表面積賦予了其較高的表面能，因而易形成更穩(wěn)定的、尺寸較大的團(tuán)聚體[12]，導(dǎo)致泡沫性能劣化。

泡沫綜合指數(shù)(IFC)表征了發(fā)泡劑的發(fā)泡效率和泡沫穩(wěn)定性，其值越大，泡沫性能越好，計算公式為

IFC= 0.75hmaxt1/2，

(3)

式中：t1/2為析液半衰期，s；hmax為發(fā)泡體積，mL。

由表3可知，當(dāng)疏水納米SiO2的摻量為0.15%時，其發(fā)泡體積和析液半衰期分別為450 mL和739 s，泡沫綜合指數(shù)最高。分析試驗結(jié)果可知，疏水納米SiO2對發(fā)泡劑的適應(yīng)性最好。

2.2 泡沫混凝土

2.2.1 體積吸水率與體積含水率

一般而言，泡沫混凝土越輕，其內(nèi)部氣孔的數(shù)量就越多，體積吸水率也就越大，而泡沫混凝土吸水后保溫效果會急劇下降，并且一旦處于凍融環(huán)境中，泡沫混凝土還會因凍融而出現(xiàn)明顯的強(qiáng)度降低和結(jié)構(gòu)破壞。圖1為不同發(fā)泡劑制備的泡沫混凝土體積含水率與體積吸水率測試結(jié)果。由圖1可知：不同發(fā)泡劑對泡沫混凝土體積含水率影響不大，試驗所用發(fā)泡劑制備的泡沫混凝土體積含水率在2.4%～3.6%，其中ZH泡沫混凝土體積含水率最高，ZCAS泡沫混凝土體積含水率最低；不同的發(fā)泡劑對泡沫混凝土體積吸水率有顯著影響，ZH泡沫混凝土的體積吸水率最高，為32.0%，經(jīng)納米顆粒改性后，ZR972泡沫混凝土的體積吸水率最低，為11.2%，相對于ZH泡沫混凝土的體積吸水率降低了65%；ZA200泡沫混凝土的體積吸水率為28.4%，相對于ZH泡沫混凝土的體積吸水率僅降低了11.3%；ZCAS和ZGO泡沫混凝土的體積吸水率在20%左右，相對于ZH泡沫混凝土的體積吸水率降低了約37.5%。說明納米顆粒的加入可在一定程度上降低泡沫混凝土的體積吸水率，同時，疏水納米SiO2獨有的疏水特性可以增強(qiáng)泡沫混凝土成型后的防水效果。

圖1 不同發(fā)泡劑對泡沫混凝土體積含水率

2.2.2 密度與損泡率

圖2為不同發(fā)泡劑制備的泡沫混凝土密度測試結(jié)果。由圖2可知，納米改性后的發(fā)泡劑成型泡沫混凝土的干、濕密度與ZH泡沫混凝土相比均有不同程度的降低，其中疏水納米SiO2改性發(fā)泡劑成型的泡沫混凝土的干、濕密度均最小。

由于在泡沫混凝土制備及施工過程中，損泡率是影響其成型密度的關(guān)鍵因素之一，且為了探究不同發(fā)泡劑所發(fā)泡沫在機(jī)械攪拌作用下的穩(wěn)定性，有必要測試泡沫混凝土攪拌過程中的損泡率，損泡率測試結(jié)果見表4。

圖2 不同發(fā)泡劑對泡沫混凝土干、濕密度的影響

表4 損泡率測試結(jié)果

由表4可知，與ZH泡沫混凝土相比，納米改性后的發(fā)泡劑成型泡沫混凝土的損泡率均有不同程度的降低，這是由于納米改性后納米顆粒提高了泡沫在機(jī)械攪拌時的穩(wěn)定性。

2.2.3 抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)

圖3為不同發(fā)泡劑對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的影響測試結(jié)果。由圖3可知：與ZH泡沫混凝土相比，使用納米改性發(fā)泡劑可以明顯提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，其中疏水納米SiO2改性發(fā)泡劑對抗壓強(qiáng)度的提高效果最明顯，約提高了20%；同時，納米改性發(fā)泡劑的使用可以在一定程度上降低泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，使用疏水納米SiO2改性發(fā)泡劑的試件的導(dǎo)熱系數(shù)相較于ZH泡沫混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)降低了10%。一般而言，泡沫混凝土干密度越大，其抗壓強(qiáng)度越高，導(dǎo)熱系數(shù)也越大，但結(jié)合圖2、圖3可知，納米改性發(fā)泡劑在降低泡沫混凝土干密度的同時能夠?qū)?dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生正向作用，說明納米改性發(fā)泡劑可以改善泡沫混凝土的輕質(zhì)高強(qiáng)性能和隔熱保溫性能。

圖3 不同發(fā)泡劑對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的影響

2.2.4 孔結(jié)構(gòu)

納米改性發(fā)泡劑對泡沫混凝土輕質(zhì)高強(qiáng)性能和隔熱保溫性能的改善可能得益于其對泡沫混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和孔形貌的優(yōu)化作用，圖4為不同發(fā)泡劑泡沫混凝土氣孔孔徑分布及放大60倍后的內(nèi)部孔形貌。由圖4可知：納米改性發(fā)泡劑可以明顯影響泡沫混凝土氣孔孔徑分布規(guī)律，當(dāng)未對發(fā)泡劑進(jìn)行納米改性時[見圖4(a)]，泡沫混凝土內(nèi)部氣孔的數(shù)量隨氣孔孔徑的減小而逐漸增多，孔徑大多集中在600 μm以下，孔徑在200 μm以下的氣孔占比為28.2%；采用納米改性發(fā)泡劑的泡沫混凝土的氣孔孔徑變小，ZR972、ZA200、ZCAS和ZGO發(fā)泡劑成型泡沫混凝土中孔徑在200 μm以下的氣孔占比分別為69.8%、53.2%、30.4%和35.6%[見圖4(b)-圖4(e)]，均高于ZH泡沫混凝土200 μm以下孔徑占比；孔結(jié)構(gòu)形貌和孔徑分布是影響泡沫混凝土物理力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，疏水納米SiO2改性的ZR972發(fā)泡劑成型泡沫混凝土中90%以上氣孔的孔徑小于600 μm，遠(yuǎn)高于其他組，這是其具有最小的干濕密度、最高強(qiáng)度和最小導(dǎo)熱系數(shù)的主要原因。

圖4 不同發(fā)泡劑泡沫混凝土氣孔形貌及孔徑分布

表5為發(fā)泡劑類型對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響結(jié)果。由表5可知：ZR972泡沫混凝土孔數(shù)量是ZH泡沫混凝土孔數(shù)量的2.5倍左右，且所有使用納米改性發(fā)泡劑的泡沫混凝土的孔數(shù)量均遠(yuǎn)大于ZH泡沫混凝土，說明納米改性發(fā)泡劑能有效減少泡沫破裂，提高泡沫穩(wěn)定性；ZR972泡沫混凝土氣孔平均孔徑和最小孔徑均明顯小于其他組，泡沫混凝土氣孔平均孔徑和最小孔徑是影響其物理力學(xué)性能和熱力學(xué)性能的關(guān)鍵因素[13]，氣孔平均孔徑和最小孔徑越小，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度越高，其干密度、體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)越小。以上數(shù)據(jù)也進(jìn)一步證明，疏水納米SiO2改性發(fā)泡劑對泡沫混凝土性能的提高主要是通過提高泡沫穩(wěn)定性、減小制備過程中小氣泡破裂兼并成大氣泡的概率實現(xiàn)的。

表5 發(fā)泡劑類型對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

3 結(jié)論

a.隨著納米改性發(fā)泡劑中納米顆粒摻量的增加，發(fā)泡體積持續(xù)減小，析液半衰期呈先上升后下降的趨勢，過高的納米顆粒摻量在發(fā)泡體系中分散性較差，會劣化泡沫性能。

b.摻加0.15%疏水納米SiO2的發(fā)泡劑的發(fā)泡體積和析液半衰期分別為450 mL和739 s，泡沫綜合指數(shù)最高，因此疏水納米SiO2對發(fā)泡劑的適應(yīng)性最好。

c.經(jīng)納米改性的發(fā)泡劑能有效降低泡沫混凝土干濕密度、體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)，提高抗壓強(qiáng)度，且疏水納米SiO2改性的發(fā)泡劑對泡沫混凝土性能提高最為明顯。

d.疏水納米SiO2改性發(fā)泡劑對泡沫混凝土性能的提高得益于疏水納米SiO2顆粒的氣泡穩(wěn)定性增強(qiáng)作用，穩(wěn)泡性能的提高能夠降低泡沫混凝土制備過程中的損泡率，并將成型試件內(nèi)部氣孔孔徑控制在較小范圍。