低密度碱矿渣发泡混凝土的制备及基本力学性能

李建林，张智强，余林文

(1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

发泡混凝土是一种将气泡引入到胶凝材料浆体内部的轻质多孔材料。传统的硅酸盐水泥发泡混凝土性能稳定，且材料来源多，但能耗高、不环保的问题显著。碱矿渣胶凝材料是一类新型的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，用其制备发泡混凝土可以克服通用硅酸盐水泥制备发泡混凝土时硬化慢、强度低以及能耗高等缺陷[1-3]。但是，碱矿渣发泡混凝土也存在发泡过程不稳定以及低密度试件抗压强度低等不足[4-5]。

为解决上述问题，学者们从不同方面展开了研究。Samson等[6]在研究碱活化发泡混凝土时采用H2O2作为发泡剂，发现添加适量的表面活性剂可以使浆料内的气泡在浆料形成强度之前不破裂，不聚合，有利于最终形成均匀的孔结构。He等[7]研究了α-烯烃磺酸钠(AOS)、十二烷基硫酸钠(K12)、醇醚硫酸钠(AES)三种发泡剂的发泡性能和制备的发泡混凝土的物理性能，结果发现用AOS发泡剂制备的碱矿渣发泡混凝土的性能最好。杨保先等[8]采用正交试验研究了矿渣掺量系数、溶胶比、碱当量三种因素对发泡混凝土性能的影响水平，并通过试验结果调整配合比，使制备出的碱矿渣发泡混凝土的性能达到最优。Hajimohammadi等[9]采用了三种不同的混合配方，研究碱反应对最终无机泡沫孔径分布、孔分布均匀性、密度的影响，调整配合比提升了碱激发发泡混凝土的性能。嵇鹰等[10]通过掺入粉煤灰和水泥对碱激发基体强度进行改善，同时也优化了孔结构，得到了发泡混凝土强度优化的最佳方案。陶新明[11]研究发现在矿渣发泡混凝土浆料中添加一定掺量的膨胀珍珠岩或玻化微珠，可以改善其内部微孔结构，从而改善发泡混凝土的导热性能及抗压强度。

发泡混凝土的密度越低，质量越轻，隔热性能也越好，但是低密度也会导致强度下降，制备成型的难度更大，密度低于300 kg/m3的发泡混凝土即为低密度发泡混凝土。文献中报道中对于干密度大于300 kg/m3碱矿渣发泡混凝土的研究较多，且大都是通过改变配合比来改善性能，而关于密度低于250 kg/m3的低密度碱矿渣发泡混凝土的研究报道很少。本文以化学发泡的方式制备碱矿渣发泡混凝土，试验了不同温度条件以及不同催化剂掺量下碱矿渣发泡混凝土的成型效果，找到了合适的成型条件，制备了密度低于250 kg/m3且内部结构良好的碱矿渣发泡混凝土，最后研究了稳泡剂对低密度碱矿渣发泡混凝土力学性能的影响。

1.1 原材料

矿渣粉：产自重庆钢铁集团有限责任公司，化学成分见表1，物理性能见表2。

表1 矿渣的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of slag

表2 矿渣的物理性能Table 2 Physical properties of slag

激发剂：水玻璃-NaOH混合溶液。NaOH，分析纯，成都市科隆化学品有限公司生产；
水玻璃，工业纯，重庆明宏化工材料有限公司生产，主要化学成分见表3。试验前，用NaOH将水玻璃溶液的模数调至1.4。

表3 水玻璃的主要化学成分Table 3 Main chemical composition of water glass

发泡剂：质量分数为30%的双氧水，市售。

稳泡剂：茶皂素，工业级，陕西承乾生物科技有限公司生产；
植物蛋白，工业级，市售；
硬脂酸钙，工业级，广盈新材料(广州)有限公司生产。

催化剂：二氧化锰，分析纯，成都市科隆化学品有限公司生产。

1.2 溶液表面张力测试方法

溶液的表面张力测试采用MC-1021型表面张力仪，使用吊环法测定样品溶液的表面张力值，每组样品测试三次取平均值，测试在环境温度为20 ℃的条件下进行。

1.3 溶液包裹气体能力的评价方法

首先将配制好的水玻璃溶液中倒入带容量刻度的容器中，再加入稳泡剂，之后将发泡桶放置在磁力搅拌器上以500 r/min的转速搅拌60 s，最后加入双氧水等待发泡。常温下直接将双氧水加入到水玻璃溶液中双氧水分解太慢会导致无法有效生成气泡，故而加入了以双氧水质量为计量的1%的催化剂加快气体产生。当发泡到最高点时记录发泡体积，记录气泡量衰减一半时的时间，用于评价溶液包裹气体的能力。

1.4 浆体发泡过程研究方法

称量200 g矿渣粉倒入搅拌锅中，打开水泥胶砂搅拌机慢搅模式，将加热到设定温度的激发剂溶液、稳泡剂和催化剂倒入搅拌锅快搅60 s，加入双氧水发泡剂持续快搅15 s，将搅拌锅中的浆料倒入发泡桶并开始计时，记录其在不同时刻的发泡体积。

1.5 试件制备方法

将称量好的矿渣、激发剂、催化剂以及稳泡剂在水泥胶砂搅拌机中持续高速搅拌60 s，之后将发泡剂加入搅拌锅中继续保持高速搅拌15 s，最后浇筑在尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的三连模中静停发泡并于3 d后脱模，随后移至标准养护室中进行养护。制备试件的配合比如表4所示。

表4 碱矿渣发泡混凝土成型试件配合比Table 4 Mix proportion of alkali activated slag foamed concrete samples

1.6 性能测试方法

28 d抗压强度：依照标准《无机硬质绝热制品试验方法》(GB/T 5486—2008)对各组试件进行抗压强度测试，试件尺寸为100 mm×100 mm×30 mm，每组取三个试块测试结果的平均值。

干密度：将抗压强度试验结束后收集到的碱矿渣发泡混凝土碎渣进行烘干处理，烘干温度条件及密度计算公式参照标准《无机硬质绝热制品试验方法》(GB/T 5486—2008)。

1.7 孔结构测试方法

采用上海韧悦电子科技有限公司的RY605 CCD工业显微镜拍摄发泡混凝土断面，然后应用计算机图像处理软件(Image-Pro Plus 6.0)测量孔结构参数[12]。

2.1 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[13]。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，如图1所示。

图1 稳泡剂掺量与溶液表面张力的关系Fig.1 Relationship between dosage of foam stabilizer and surface tension of solution

由图1可得，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[14]。掺入稳泡剂的水玻璃溶液加入双氧水发泡之后气泡性能的结果如表5所示。

表5 掺不同稳泡剂发起的气泡性能Table 5 Foam performance initiated with different foam stabilizers

试验数据表明，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[15-16]。

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。由表5可以看到，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。有研究[17]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。此外，蛋白质分子之间还可通过羟基、羧基、氨基等基团形成氢键，强烈的氢键作用可形成保护膜，使泡沫液膜的强度增加，促进泡沫的形成与稳定[18-19]。因此蛋白质类表面活性剂制备的气泡表现出良好的稳定性。

2.2 温度和催化剂对制备碱矿渣发泡混凝土的影响

试验发现，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。图2为用植物蛋白作为稳泡剂，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。

由图2可得，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。

图2 双氧水无促进分解条件下稳泡剂掺量与发泡混凝土密度的关系Fig.2 Relationship between dosage of foam stabilizer and density of foamed concrete under the condition of hydrogen peroxide without promote decomposition

有研究者[20]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。本文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，结果如图3所示。

图3 不同水玻璃溶液起始温度下发泡混凝土的发泡体积变化过程Fig.3 Foaming volume change process of foamed concrete at different initial temperatures of water glass solution

从图3可以看到，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。图4是上述试验中发起浆体的密度随水玻璃溶液温度的变化情况，可以看到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。

图4 水玻璃溶液起始温度与发泡混凝土密度的关系Fig.4 Relationship between initial temperature of water glass solution and density of foamed concrete

有研究者[21-22]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。图5为不同掺量的二氧化锰对发泡混凝土发起过程的影响。

图5 不同催化剂掺量下发泡混凝土的发泡体积变化过程Fig.5 Foaming volume change process of foamed concrete with different catalyst dosages

从图5可以看到，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。从图6所示的密度变化趋势可以看到，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。

图6 催化剂掺量与发泡混凝土密度的关系Fig.6 Relationship between dosage of catalyst and density of foamed concrete

图7所示的是掺入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的照片。

图7 水玻璃溶液为常温时制备的试件内部照片Fig.7 Interior image of sample created with water glass solution at room temperature

从图7中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。通过分析推测，浆体内部粉化的原因可能是浆体内部的温度太低导致凝结过慢，在内部的气泡液膜破裂时，气泡壁上吸附的胶凝材料仍未形成足够的强度来支撑原有的形态，所以试件内部的气孔壁也随之破坏而使内部粉化。

为了试验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，结果如图8所示。

从图8中可以看到，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。

图8 水玻璃溶液为常温和35 ℃时制备的试件内部照片Fig.8 Interior images of samples created with water glass solution at room temperature and 35 ℃

2.3 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，成型试验的配合比如表4所示，图9为碱矿渣发泡混凝土的干密度随着稳泡剂掺量的变化。

图9 稳泡剂掺量与发泡混凝土密度的关系Fig.9 Relationship between dosage of foam stabilizer and density of foamed concrete

由图9可得，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。从试验结果来看，掺植物蛋白对碱矿渣发泡混凝土的密度降低效果最好。

表6为不同稳泡剂制备的各个密度等级的发泡混凝土抗压强度测试数据，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。由此可见，发泡混凝土的抗压强度除了与密度相关之外，气泡的稳定性也是影响发泡混凝土强度的重要因素。本试验中采用植物蛋白制得的碱矿渣发泡混凝土的密度最低为242 kg/m3，抗压强度为0.20 MPa(此时掺量为0.060%)。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。

表6 发泡混凝土密度与抗压强度的关系Table 6 Relationship between density and compressive strength of foamed concrete

2.4 孔结构分析

气孔是发泡混凝土最大的特征，孔结构参数会影响发泡混凝土的性能[23-24]。用工业显微镜对试件断面进行拍照，之后用Image-Pore Plus 6.0图像处理软件对孔结构进行分析。植物蛋白稳泡剂和茶皂素稳泡剂制备的发泡混凝土的断面照片分别如图10和图11所示，孔结构参数分别如表7和表8所示。

表8 茶皂素稳泡剂制备发泡混凝土的孔结构参数Table 8 Pore structure parameters of foamed concrete prepared by tea saponin foam stabilizer

图11 茶皂素稳泡剂制备的发泡混凝土断面照片Fig.11 Section images of foamed concrete prepared by tea saponin foam stabilizer

由图10和表7可以得到植物蛋白制备的发泡混凝土的断面形貌以及孔结构参数，随着稳泡剂掺量的增多，气孔变得越来越小，在提高气泡数量的同时也会使孔壁越来越薄进而更加容易破裂，导致连通孔增多，孔结构圆度值越来越大的现象可以证明这一点。

图10 植物蛋白稳泡剂制备的发泡混凝土断面照片Fig.10 Section images of foamed concrete prepared by plant protein foam stabilizer

表7 植物蛋白稳泡剂制备发泡混凝土的孔结构参数Table 7 Pore structure parameters of foamed concrete prepared by plant protein foam stabilizer

由图11和表8可以得到茶皂素制备的发泡混凝土的断面形貌以及孔结构参数，与植物蛋白制备的发泡混凝土的孔结构参数相比，在大致同一密度等级下，植物蛋白制备的发泡混凝土的孔更大，圆度值更低，这是因为植物蛋白制备的泡沫更稳定，泡沫破裂产生的连通孔更少，所以植物蛋白作稳泡剂制备的泡沫混凝土的抗压强度更高。

(1)调整激发剂溶液的初始温度以及适当添加催化剂使浆体的凝结速度和双氧水的分解速度相匹配，可以明显提升发泡混凝土的制备效果。当水玻璃溶液的初始温度控制在35 ℃以及二氧化锰掺量为2.0%时，可以制备得到密度约为250 kg/m3且内部结构完好的碱矿渣发泡混凝土，该条件为最佳制备条件。

(2)随着稳泡剂掺量的增多，溶液包裹气体的能力增强，制备的碱矿渣发泡混凝土的密度也随之降低，与此同时其抗压强度也迅速降低。植物蛋白作稳泡剂制备发泡混凝土的效果最好，当掺量为0.060%时，制备的试件密度最低为242 kg/m3，抗压强度为0.20 MPa。

(3)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。