張文良, 詹炳根, 卞朋飛, 周耀宗, 張 猛

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230009)

泡沫混凝土因其輕質(zhì)耐火、吸聲抗震和優(yōu)異的保溫隔熱性能[1]而得到廣泛的應(yīng)用,同時也存在強度低、干縮大等缺點[2]。 泡沫混凝土是一種含大量細(xì)小封閉氣孔的多孔水泥基制品,氣孔對材料的強度、保溫、耐腐蝕等性質(zhì)都有影響[3],改善孔結(jié)構(gòu)可以提高泡沫混凝土性能。 泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的形成與泡沫的質(zhì)量有著直接關(guān)聯(lián)[4]。 泡沫是影響泡沫混凝土綜合性能的關(guān)鍵因素之一。

泡沫是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,容易受到環(huán)境的影響而導(dǎo)致破裂[5],采用穩(wěn)泡劑可以改善泡沫的穩(wěn)定性能。 傳統(tǒng)穩(wěn)泡劑按其作用方式可分為2類[6]:① 通過協(xié)同作用加強表面吸附分子之間的相互作用,如十二烷基硫酸鈉;② 增加發(fā)泡劑的黏度來降低泡沫的排液速率,如纖維素。 隨著納米技術(shù)的發(fā)展,納米顆粒穩(wěn)泡技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。 文獻[7]將納米氧化鐵顆粒作為泡沫穩(wěn)定劑添加到表面活性劑的混合物中,通過共聚焦激光掃描顯微鏡分析驗證了在氣泡界面上吸附有納米氧化鐵顆粒,并且能使泡沫更加穩(wěn)定;文獻[8]發(fā)現(xiàn)少量的納米粉煤灰和表面活性劑所制成的泡沫表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性;文獻[9]發(fā)現(xiàn)用十二烷基二甲基甜菜堿對納米二氧化硅粒子進行改性處理后可以抑制泡沫排液和泡沫聚并,增強酪蛋白的泡沫穩(wěn)定性;文獻[10-12]研究表明,調(diào)整納米顆粒的潤濕性可以使其在泡沫液膜內(nèi)堆積聚集形成致密的粒子膜,從而能夠有效減小氣泡間的接觸,阻礙氣泡的聚并和粗化,增加泡沫的穩(wěn)定性。

目前納米材料穩(wěn)泡技術(shù)多應(yīng)用于食品工程、化學(xué)工程、石油開采等領(lǐng)域中,在泡沫混凝土中的相關(guān)研究還比較少,適用于泡沫混凝土系統(tǒng)的納米穩(wěn)泡技術(shù)尚需要深入地探討。 本文從改善泡沫混凝土泡沫穩(wěn)定性的角度出發(fā),選用納米SiO2(簡稱為NS)作為原材料,通過使用硅烷偶聯(lián)劑對NS進行表面潤濕性改性,分析納米材料對泡沫的穩(wěn)泡作用及其對泡沫混凝土的影響。

1 試驗材料與方案

1.1 原材料

1) 水泥。 選用42.5級普通硅酸鹽水泥,其技術(shù)指標(biāo)見表1所列。

2) 發(fā)泡劑。 本試驗所用發(fā)泡劑是實驗室自制的植物蛋白類發(fā)泡劑,外觀呈淡黃色液體,密度1.03 g/cm3,固含量為13%,pH值為9～10。

3) 納米SiO2。 由宣城晶瑞新材料有限公司生產(chǎn),粒徑為30 nm。

4) 硅烷偶聯(lián)劑。 由湖北江瀚新材料股份有限公司生產(chǎn)的JH-NP31型烷氧基聚合物。

1.2 試驗方法

1.2.1 納米SiO2的改性和評價

改性NS的制備參考了文獻[13-16]中的方法。 分別稱取一定量的NS粉末放于燒杯中,倒入1∶1的無水乙醇和去離子水混合溶劑,將燒杯置入超聲波清洗儀中超聲分散30 min,分別取NS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、5%、10%、20%、30%、40%、50%的硅烷偶聯(lián)劑緩慢滴入至NS分散液中,并繼續(xù)磁力攪拌6 h。 充分反應(yīng)后,用抽濾機進行固液分離,將濾餅用無水乙醇反復(fù)清洗4～5次,放入設(shè)定為60 ℃恒溫干燥箱中干燥12 h,取出碾磨成細(xì)小粉末即得改性NS。

利用接觸角測量儀得出的接觸角是反映物體潤濕性最直觀的數(shù)據(jù)。 將改性后的NS用壓片機壓制成表面平整的薄片,并置于接觸角測量儀測試臺上,通過控制精密針管將水滴輕輕滴在薄片表面,調(diào)節(jié)焦距,直到顯示屏的待測液滴能夠清楚地顯示出來,隨即保存液滴輪廓照片,并利用接觸角測量軟件對試驗照片進行處理,得到改性NS的接觸角。

1.2.2 改性NS穩(wěn)泡劑對泡沫性能的影響

泡沫性能的好壞主要體現(xiàn)為泡沫穩(wěn)定性,泡沫穩(wěn)定性可用泌水率進行評價。 將不同潤濕性和不同摻量的改性NS穩(wěn)泡劑配成溶液,經(jīng)10 min超聲分散后與發(fā)泡劑混合,并繼續(xù)加水稀釋成1∶20的發(fā)泡液。 在磁力攪拌2 h后,采用壓縮空氣法制備泡沫。 制備好的泡沫放入固定容積的容器內(nèi)靜置1 h,通過計算1 h后泡沫破裂泌出液體的質(zhì)量和初始泡沫質(zhì)量的比例來評判泡沫穩(wěn)定性。 泌水率的計算公式為:

其中:ε為泡沫泌水率;m1為1 h泡沫分泌出液體的質(zhì)量;ρ1為泡沫密度;V1為廣口圓柱容器容積。

1.2.3 泡沫混凝土的制備

采用干密度法進行材料配制。 設(shè)計泡沫混凝土的干密度為700 kg/m3,水膠比為0.5,具體配合比見表2所列。

表2 泡沫混凝土配合比

制備試件前先將摻入改性NS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.5%、1.0%、1.5%的發(fā)泡劑加水稀釋成1∶20的發(fā)泡液并磁力攪拌2 h。 制備時首先將稱量好的水泥、水置于砂漿攪拌機中預(yù)攪拌2 min,同時將攪拌均勻的納米改性發(fā)泡液利用發(fā)泡機進行發(fā)泡,再將制備好的泡沫放入預(yù)先攪拌好的水泥凈漿繼續(xù)攪拌2 min待混合均勻后立即澆筑模具,待24 h后拆模并置于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行相關(guān)性能測試。

1.2.4 泡沫混凝土的性能表征

流動度試驗參照文獻[17]進行,將新拌泡沫混凝土漿料澆入截錐圓模內(nèi)刮平表面,然后將圓模緩慢提起,待試樣不再有明顯擴散后,用游標(biāo)卡尺測得最大水平直徑,重復(fù)3次取平均值即為試樣的流動度。

強度試驗參照文獻[18]進行,測強度的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后取出3個試件,并置于微機控制電子萬能試驗機上分別測試抗壓強度和抗折強度,結(jié)果取平均值。

干燥收縮試驗參照文獻[19]進行,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。 拆模后,立即測量試塊的初始長度,再將其置入比長儀中,控制周圍環(huán)境在溫度(20±1) ℃,濕度(60±5)%條件下,記錄千分表初始數(shù)據(jù),然后在3、6、9、15、24、30 d記錄讀數(shù)。 試驗取3個試件為1組,最終結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米SiO2的改性結(jié)果

利用接觸角測量儀測得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硅烷偶聯(lián)劑對改性NS潤濕性的影響如圖1所示。

圖1 接觸角隨硅烷偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

從圖1可以看出:不同硅烷偶聯(lián)劑用量對NS的改性效果有明顯區(qū)別;沒有改性的NS顆粒接觸角為22°,表現(xiàn)出強親水性;當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%后,改性NS的接觸角逐漸大于90°,并且開始疏水化;當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時,NS接觸角為127°。 上述結(jié)果表明,硅烷偶聯(lián)劑在合適的反應(yīng)條件下能很好地對NS表面進行潤濕性改性,并且改性程度隨硅烷偶聯(lián)劑用量在一定范圍內(nèi)成正相關(guān)。

2.2 改性NS穩(wěn)泡劑對泡沫性能的影響分析

2.2.1 不同潤濕性的NS對泡沫穩(wěn)定性的影響

發(fā)泡劑中摻不同潤濕性改性NS的泌水率如圖2所示。

圖2 泌水率隨接觸角大小的變化

從圖2可以看出,泡沫的泌水率隨著改性NS接觸角的增大先下降后上升。 虛線代表未添加改性NS發(fā)泡劑的對照組,其泌水率為50.4%。 與對照組相比,接觸角為22.0°的未改性NS對泡沫穩(wěn)定性影響不大。 在接觸角小于98.0 °或大于22.0°前的NS均有一定的穩(wěn)泡能力。 當(dāng)NS的接觸角為66.4°時,泌水率最小為42.3 %,此時的泡沫穩(wěn)定性最佳,根據(jù)文獻[20]氣泡間的顆?？梢蕴峁┮环N阻礙氣泡聚并的毛細(xì)力,這種毛細(xì)力的大小與接觸角有關(guān),當(dāng)接觸角在60.0°～70.0°之間時可以使泡沫更穩(wěn)定。 當(dāng)接觸角超過90.0°后,納米顆粒呈現(xiàn)疏水性,會產(chǎn)生排泡效應(yīng)[21],反而使泡沫穩(wěn)定性下降。

2.2.2 改性NS摻量對泡沫穩(wěn)定性的影響

固定摻入的改性NS接觸角為66.4°,發(fā)泡劑中不同摻量改性NS對泡沫穩(wěn)定性影響如圖3所示。

圖3 泌水率隨改性NS摻量的變化

從圖3可以看出:泡沫泌水率隨著發(fā)泡劑中改性NS摻量的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢;當(dāng)改性NS摻量為1.0%,泌水率最低為42.3%,分析認(rèn)為,此時的改性NS可以吸附在泡沫液膜上形成一層均勻的粒子膜,阻礙了泡沫的聚并和排液;繼續(xù)增加改性NS的摻量會使泌水率增加,由文獻[22]可知,其原因是摻量過高導(dǎo)致在泡沫液膜的改性NS顆粒的濃度已達(dá)飽和,影響了泡沫的穩(wěn)定性。

2.3 改性NS摻量對泡沫混凝土性能的影響

2.3.1 流動度

使用不同摻量改性NS的穩(wěn)泡劑對新拌泡沫混凝土漿料流動性的影響如圖4所示。

山東省墻夼水庫由東西兩庫組成，中間借天然山凹開挖連通溝相連，共用東庫溢洪閘調(diào)洪。連通溝的流量及流向受到兩個水庫水位影響，當(dāng)西庫水位高于東庫水位時，西庫洪水通過連通溝進入東庫；當(dāng)東庫水位高于西庫時，東庫洪水通過連通溝進入西庫，當(dāng)兩庫水位低于連通溝底高程時，兩庫各自獨立。針對墻夼水庫既獨立又相互連通的雙庫特點，就如何正確推求兩庫入庫洪水，準(zhǔn)確計算兩庫水位，合理調(diào)算兩庫水量，從分析調(diào)洪演算理論方法入手，給出水面線數(shù)學(xué)模型和算法，建立雙庫調(diào)洪演算的計算模型，分析確定兩庫不同頻率設(shè)計洪水的最高水位，使水庫的設(shè)計洪水復(fù)核成果更合理，進而更好地發(fā)揮水庫的防洪、灌溉功能，實現(xiàn)水庫的社會效益。

圖4 改性NS摻量對流動度的影響

從圖4可以看出:改性NS穩(wěn)泡劑的摻量從0 增加至1.5%的過程中,新拌泡沫混凝土漿料整體流動度呈略微下降趨勢;當(dāng)改性NS摻量為0時,對應(yīng)的流動度為204.2 mm;當(dāng)摻量為1.5%時,對應(yīng)流動度在試驗組中最低,其值為193.2 mm,相對于空白組下降了5%,整體下降幅度并不明顯。

2.3.2 抗壓強度

使用不同摻量改性NS穩(wěn)泡劑所制備的泡沫混凝土抗壓強度如圖5所示。

圖5 改性NS摻量對抗壓強度的影響

從圖5可以看出:改性NS作為穩(wěn)泡劑加入泡沫混凝土體系時,隨著發(fā)泡劑中改性NS摻量的增加,泡沫混凝土的抗壓強度明顯增加尤其是早期抗壓強度,并且呈先上升后下降的趨勢;在所有齡期的試驗組中,當(dāng)發(fā)泡劑中改性NS的摻量為1.0% 時的泡沫混凝土抗壓強度最大,對應(yīng)的泡沫混凝土3、7、28 d的抗壓強度分別為3.2、3.7、5.8 MPa相對于空白組分別提高了50%、42%、35%。 當(dāng)摻量為0.5%和1.5%時,對應(yīng)的泡沫混凝土的3、7、28 d要低于摻量為1%時的抗壓強度,但也都比空白組的抗壓強度高。

2.3.3 抗折強度

不同改性NS摻量的穩(wěn)泡劑所制備的泡沫混凝土的抗折強度如圖6所示。

圖6 改性NS摻量對抗折強度的影響

由圖6可知:在3、7 d齡期時,各摻量試樣的抗折強度與空白組相比無明顯上升,甚至略有下降;在28 d時,摻1.5%的試驗組抗折強度最高為1.34 MPa,相較于空白組提高了9%。 由此可見,摻改性NS試樣的抗折強度無論是早期還是后期均并未明顯提高。

泡沫混凝土的30 d內(nèi)干燥收縮率隨發(fā)泡劑中改性NS摻量的變化如圖7所示。

圖7 改性NS摻量對干燥收縮的影響

從圖7可以看出:隨著養(yǎng)護齡期的增加,各試驗組的干燥收縮率在養(yǎng)護初期均在迅速發(fā)展,之后趨于緩慢;早期摻NS的試驗組干燥收縮率與空白組相比差別不大,在中后期,NS的摻入能有效地降低泡沫混凝土的干燥收縮率;空白組30 d干燥收縮率為3 965×10-6,隨著改性NS的摻量分別增加至0.5%、1.0%、1.5%,干燥收縮率分別降至3 536×10-6、3 550×10-6、3 639×10-6,相對空白組分別下降了11%、10%、8%。 說明改性NS摻入能降低泡沫混凝土在中后期的干燥收縮率。

3 結(jié) 論

1) 硅烷偶聯(lián)劑能有效改性NS的表面潤濕性。 隨著硅烷偶聯(lián)劑用量的增多,NS的接觸角逐漸增大,表面疏水性也隨之增強。

2) NS的潤濕性對泡沫的穩(wěn)定性有較大影響,并且存在一個最佳潤濕性能指標(biāo),當(dāng)改性NS的接觸角為66.4°時,穩(wěn)泡效果最佳。 改性NS的穩(wěn)泡作用也有一個最適摻量,摻量為1.0%時,泡沫穩(wěn)定性最好。

3) 改性NS作為穩(wěn)泡劑加入時,對新拌泡沫混凝土漿體的流動度影響不大,可明顯改善泡沫混凝土的抗壓強度,但對抗折強度影響不大。 一定程度地改善了泡沫混凝土的干燥收縮率。