微生物发泡剂发泡机制及在泡沫混凝土中的应用

荣 辉, 张 静, 张 颖, 杨 永, 尚 伟

(1.天津城建大学 材料科学与工程学院, 天津 300384; 2.天津城建大学 天津市建筑绿色功能材料重点实验室, 天津 300384; 3.北京市燕通建筑构件有限公司, 北京 102202; 4.天津城建大学 土木工程学院, 天津 300384)

发泡剂作为生产泡沫混凝土的重要组分之一,是制备泡沫混凝土的主要条件和物质基础[1].根据产气方式的不同,发泡剂分为物理发泡剂和化学发泡剂2大类.物理发泡剂是利用发泡剂溶液中的表面活性物所形成的双电子层结构包裹空气形成气泡[2].化学发泡剂是利用发泡剂自身与基体材料发生化学反应释放新的气体来产生气泡[3].

近年来,受食品发酵的启发[4],国内外学者主张利用自然界广泛存在的酵母菌来制备微生物发泡剂.Schunk等[5]首次提出利用酵母菌的发酵作用进行发泡;随后,Menchavez等[6]和Uhlírov等[7]以酵母菌为原材料,淀粉为生长基质制备多孔陶瓷;崔立华等[8-9]探究了利用酵母菌制作多孔材料的可行性,并研究了酵母菌与葡萄糖比例、发泡时间及发泡温度对发泡效果的影响.上述研究均利用酵母菌的发酵作用进行发泡,作用机理与化学发泡剂相似,但该技术存在产气慢、产气量少及产气过程不可控等问题.研究发现[10],酵母菌除通过发酵作用发泡外,还能利用自身生化反应,分解营养物质,产生能降低溶液表面张力的表面活性分子,在外力作用下引入空气进行发泡.因此,本文在验证酵母菌通过发酵作用进行发泡的同时,还揭示了酵母菌作为一种物理发泡剂的可行性,并对其发泡机制进行了分析.另外,针对2种发泡机制,分别采用2种混泡工艺来制备泡沫混凝土,以研究混泡工艺对泡沫混凝土性能的影响.

1 试验

1.1 原材料

酵母菌：购于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,使用前已对其进行耐碱驯化,通过筛选,获得能在碱性环境下正常生长的耐碱酵母菌株.水泥：采用唐山市丰润区顺鑫水泥有限公司P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,其物理性能及化学组成如表1、2所示.葡萄糖：分析纯,天津基准化学试剂有限公司生产.胰蛋白胨：生物试剂,北京奥博星生物技术有限责任公司生产.酵母浸粉：生物试剂,北京奥博星生物技术有限责任公司生产.十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)：分析纯,天津市光复精细化工研究所生产.

表1 普通硅酸盐水泥的物理性能

表2 普通硅酸盐水泥的化学组成

1.2 试验方案

1.2.1发泡机制的验证

1.2.1.1发酵作用发泡机制

微生物发泡剂通过发酵作用发泡的实质是酵母菌在有氧和无氧环境下通过呼吸作用分解葡萄糖产生CO2,其反应方程式如下：

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O

(1)

C6H12O6→2C2H5OH+2CO2

(2)

为模拟无氧和有氧环境,分别按图1、2进行试验.由图1可见,在2个烧杯中分别放入1000mL培养基溶液(m(葡萄糖)∶m(胰蛋白胨)∶m(酵母浸粉)=1.0%∶1.0%∶0.5%)和1000mL微生物发泡剂溶液,并用保鲜膜密封以创造无氧环境,静置48h后,对比观察2个烧杯中溶液及覆盖保鲜膜的变化情况,以揭示酵母菌在无氧环境下的发泡机制.由图2可见,在1号和4号锥形瓶中分别放入200mL浓度为0.5mol/L的NaOH溶液,以排除空气中的CO2,在2号锥形瓶中分别放入200mL微生物发泡剂溶液(试验组)和200mL培养基溶液(对照组),3号烧杯中放入1000mL配制好的澄清石灰水溶液.首先在装置中持续不断地通入N2,排除装置中的CO2;然后再不断通入O2,静置48h,对比观察试验组和对照组中3号烧杯内生成沉淀情况,来揭示酵母菌在有氧环境下的发泡机制.

图1 无氧呼吸试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of anaerobic breathing apparatus

图2 有氧呼吸试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of aerobic breathing apparatus

1.2.1.2自身生化反应发泡机制

采用傅里叶红外光谱(FTIR)分析仪,检测微生物发泡剂溶液和培养基溶液中所含官能团种类,并通过测试2种溶液的表面张力及所制备的泡沫性质,来揭示酵母菌通过自身生化反应发泡的机制.

1.2.2混泡工艺对泡沫混凝土性能的影响

针对微生物发泡剂的2种发泡机制,分别采用预制泡混合法和混合搅拌法来制备泡沫混凝土.首先按照配合比设计公式,计算采用预制泡混合法制备A04密度等级泡沫混凝土所需原材料用量,然后按照相同原材料用量,采用混合搅拌法制备泡沫混凝土.采用混合搅拌法制备泡沫混凝土时,利用微生物发泡剂代替水,并保证其用量与预制泡混合法用量相同.若微生物发泡剂用量不满足搅拌泡沫混凝土所需用水量时,则另取微生物发泡剂溶液离心后的上清液进行补足,以保证采用不同方法制备泡沫混凝土时所用产气微生物的个数相同.在上述基础上,研究混泡工艺对泡沫混凝土物理力学性能及微观结构的影响.

1.3 试验方法

1.3.1泡沫混凝土配合比的设计

按照文献[9],采用下式计算A04密度等级泡沫混凝土的原材料用量.

(3)

式中：ρd为泡沫混凝土设计干密度,kg/m3;Sa为质量系数,普通硅酸盐水泥取1.2;Mc为1m3泡沫混凝土的水泥用量,kg;Mw为1m3泡沫混凝土的用水量,kg;φ为水灰比,本文取0.4;ρc为水泥密度,取3100kg/m3;ρw为水的密度,取1000kg/m3;V1为加入泡沫前,水泥和水组成的浆体总体积,m3;V2为泡沫添加量,m3;K为富余系数,本文取1.2;mf为1m3泡沫混凝土的发泡剂用量,kg;P为发泡剂发泡倍数;ρf为发泡剂密度,本文取1005kg/m3.

1.3.2微生物发泡剂的制备

按m(葡萄糖)∶m(胰蛋白胨)∶m(酵母浸粉)=1.0%∶1.0%∶0.5%,将上述材料加入适量蒸馏水,搅拌均匀后分装于锥形瓶中,于高压蒸汽灭菌锅中灭菌,灭菌完成后取出,置于无菌操作台,冷却后接种10%的酵母菌母液,然后将其置于转速为170r/min,温度为30℃的恒温振荡培养箱中,振荡培养48h,即可获得微生物发泡剂溶液.

1.3.3泡沫混凝土的制备

(1)预制泡混合法制备泡沫混凝土(模拟物理发泡方式)：按照配合比,首先将水泥和水倒入搅拌机中搅拌均匀,在此过程中利用空气压缩发泡机将微生物发泡剂溶液制成泡沫,再将泡沫加入到搅拌均匀的水泥净浆中,再次搅拌均匀后,置于100mm×100mm×100mm的模具中浇注成型,在室温下养护24h后脱模,28d后测试其性能.

(2)混合搅拌法制备泡沫混凝土(模拟化学发泡方式)：按照相同配合比,先将水泥和微生物发泡剂溶液先后倒入搅拌机中搅拌均匀,再置于100mm×100mm×100mm的模具中浇注成型,在室温下养护24h后脱模,28d后测试其性能.

1.3.4官能团

采用Thermo Nicolet 380型FTIR分析仪,分析微生物发泡剂溶液和培养基溶液中官能团的变化.

1.3.5表面张力

采用型号为JYW-200的全自动表面张力仪,首先将待测溶液倒入玻璃杯中1/2处,并将玻璃杯置于托盘的中间位置,移动装置上的铂金环,至其浸入液体中5～7mm处停止;然后调整托盘位置,使其缓慢下降,直至铂金环脱离液面,即可获得待测溶液的实测表面张力值.

1.3.6泡沫性质

按照JC/T 2199—2013《泡沫混凝土用泡沫剂》,采用罗氏泡沫仪对改性前后发泡剂溶液的发泡倍数、泡沫的1h沉降距和1h泌水率进行测试.

1.3.7泡沫混凝土性能

根据JG/T 266—2011《泡沫混凝土》,对成型泡沫混凝土的物理力学性能进行测试.采用超景深显微镜、X射线衍射(XRD)分析仪和扫描电子显微镜(SEM),观察泡沫混凝土的微观孔结构和微观形貌.

2 结果与讨论

2.1 微生物发泡剂发泡机制

2.1.1发酵作用发泡机制

2.1.1.1无氧呼吸

培养基溶液和微生物发泡剂溶液在无氧环境下静置48h后的产气结果如图3所示.由图3可见：静置一段时间后,微生物发泡剂溶液的液面产生1层小气泡,且烧杯上覆盖的保鲜膜有明显鼓起现象,表明微生物发泡剂溶液中有气体产生;而培养基溶液的液面和烧杯上覆盖的保鲜膜无明显变化.

图3 无氧呼吸产气结果Fig.3 Results of anoxic respiration and gas production

2.1.1.2有氧呼吸

在图2所示试验装置中持续通入O2,静置48h后发现微生物发泡剂溶液(试验组)的澄清石灰水中产生大量白色沉淀,取白色沉淀烘干后进行XRD和SEM分析,结果如图4所示.

图4 白色沉淀的XRD图谱和SEM照片Fig.4 XRD pattern and SEM photo of white precipitates

由图4可见,酵母菌在有氧呼吸作用下产生的白色沉淀为方解石,其具有物相中最稳定的簇状结构[11].这是因为酵母菌在有氧环境下通过呼吸作用产生CO2气体,与澄清石灰水发生化学反应生成CaCO3沉淀.

由此可见,微生物发泡剂在有氧和无氧环境下均可以通过呼吸作用产生CO2气体,从而形成泡沫.

2.1.2生化反应发泡机制

2.1.2.1官能团

培养基溶液和微生物发泡剂溶液的FTIR光谱如图5所示.由图5可见：(1)培养基溶液中,3408cm-1处对应峰为醇类O—H伸缩振动峰;1645cm-1处对应峰为胺的N—H弯曲振动峰;1404cm-1处对应峰为烯烃的C—H弯曲振动峰;1078cm-1处对应峰为胺的C—N伸缩振动峰.其中,O—H和C—N具有亲水性,C—H、N—H具有疏水性.(2)微生物发泡剂溶液中,3404cm-1处对应峰为醇类O—H伸缩振动峰;2943cm-1处对应峰为烷烃类C—H伸缩振动峰;1645cm-1处对应峰为胺的N—H弯曲振动峰;1402cm-1处对应峰为烯烃的C—H弯曲振动峰;1109cm-1处对应峰为醇类C—O伸缩振动峰;1043cm-1处对应峰为醚类C—O—C伸缩振动峰;922cm-1处对应峰为羧酸类O—H弯曲振动峰.其中,O—H、C—O具有亲水性,C—H、C—O—C、N—H具有疏水性.

图5 培养基溶液和微生物发泡剂溶液的FTIR光谱Fig.5 FTIR spectra of medium solution and microbial foaming agent solution

根据峰值分析及官能团的判定结果可知,培养基溶液和微生物发泡剂溶液中均含有多种亲水/疏水性质的官能团,而微生物发泡剂溶液中的亲水/疏水官能团种类要多于培养基溶液.这是因为配制培养基溶液时所用到的葡萄糖、胰蛋白胨和酵母浸粉等原材料本身就含有具有亲水/疏水性质的羟基、氨基和烷基等官能团,接种酵母菌后,酵母菌在营养物质充足的条件下进行大量繁殖,其体内含有的大量蛋白酶分解溶液中的蛋白质分子,将培养基中的一部分营养物质转化为其他种类的具有亲水/疏水性质的官能团,并使蛋白质分子内部的疏水基团外露,形成具有一定起泡能力的表面活性蛋白分子[12-13].因此,虽然2种溶液中均含有亲水/疏水的官能团,但微生物发泡剂溶液中含有的官能团种类与培养基溶液略有不同,且种类要多于培养基溶液.

2.1.2.2表面张力

由于FTIR图谱分析结果无法定量分析溶液中所含表面活性分子的个数,因此,对培养基溶液和微生物发泡剂溶液的表面张力分别进行测试,结果如图6所示.由图6可见,培养基溶液的表面张力值为46.7mN/m,而微生物发泡剂溶液的表面张力值为34.4mN/m,较培养基溶液降低26%.这是因为溶液的表面张力值与溶液内部含有的表面活性分子数量有关,溶液中表面活性分子数量越多,表面张力值越低.这进一步证实了FTIR分析结果(图5),即微生物发泡剂溶液中的表面活性分子在种类及数量上均多于培养基溶液.

图6 不同溶液的表面张力Fig.6 Surface tension of different solutions

2.1.2.3泡沫性质对比

分别将培养基溶液和微生物发泡剂溶液制备成泡沫,对比两者泡沫性质,结果如表3所示.

表3 泡沫性质

由表3可见,与单一培养基溶液相比,单一微生物发泡剂溶液可以产生泡沫,虽发泡倍数不高,但泡沫稳定性较好.这是因为微生物发泡剂溶液中的酵母菌通过自身生化反应产生的大量表面活性蛋白分子降低了溶液中的表面张力,使溶液具有一定的发泡倍数.另外,根据氢键形成理论[14-15],酵母菌生化反应产生的大量羟基与水相互吸附形成氢键,进而形成拟网状结构,使溶液具有较高的黏性,所形成的泡沫稳定性较好.

2.2 泡沫混凝土的物理力学性能

按照A04密度等级的配方,分别采用混合搅拌法和预制泡混合法制备泡沫混凝土,研究混泡工艺对泡沫混凝土物理力学性能的影响,结果如图7所示.

图7 混泡工艺对物理力学性能的影响`Fig.7 Effect of mixing process on physical and mechanical properties

由图7可见,采用混合搅拌法和预制泡混合法所制得泡沫混凝土的干密度分别为1560、420kg/m3,分别属于A16和A04密度等级,所对应的抗压强度分别为3.3、1.1MPa.然而,JG/T 266—2011中规定A16和A04密度等级泡沫混凝土的抗压强度应分别高于8.0、0.5MPa.这说明,只有采用预制泡混合法制备得到的泡沫混凝土才能同时满足设计密度和抗压强度标准.这是因为：(1)混合搅拌法模拟了化学发泡方式,随着水化反应的进行,水泥浆体逐渐硬化,产生气孔需要克服的阻力增加,导致试件内部形成的气孔数量减少,密度较高;另外,该方法直接将微生物发泡剂溶液代替水加入到胶凝材料中,因溶液中含有未被酵母菌吸收的葡萄糖使水泥浆体出现缓凝现象,导致水泥浆长时间无法硬化,其内部水分蒸发散失,影响了水泥的水化反应,从而导致成型试样强度较低[16].(2)预制泡混合法模拟物理发泡方式,所用泡沫为预先制备,且稳定性较好,因此成型试件孔结构较好,强度较高.

2.3 泡沫混凝土的微观结构

2.3.1孔结构

混泡工艺对泡沫混凝土孔结构和孔径分布的影响如图8、9所示.

图8 混泡工艺对孔结构的影响Fig.8 Effect of foaming processes on pore structure

图9 混泡工艺对孔径分布的影响Fig.9 Effect of mixing process on pore size distribution

由图8、9可以看出：采用混合搅拌法制备得到的泡沫混凝土孔隙率虽较低,但孔径分布较均匀,有效孔径(d90)较小(d90=880μm);采用预制泡混合法制备得到的泡沫混凝土孔隙率虽较高,但孔径分布相对不均匀、d90较大(d90=1080μm).这是因为：采用混合搅拌法制备泡沫混凝土时,微生物发泡剂直接与水泥搅拌,在水泥硬化之前,微生物发泡剂中的酵母菌就出现群聚行为,导致酵母菌通过发酵作用形成的孔集中分布在某一部位,该工艺所制得泡沫混凝土的孔由酵母菌通过呼吸作用形成,其作用力较小且较稳定,因此,成型试件的孔径分布相对均匀、且等效孔径较小;采用预制泡混合法制备泡沫混凝土时,根据设计公式将一定量的微生物发泡剂预先制备成泡沫加入到水泥净浆中,充分搅拌均匀之后成型,因此,成型试件的孔较多,但在搅拌过程中会出现消泡现象,导致孔径分布相对不均匀.

2.3.2微观形貌

采用SEM观察不同混泡工艺制备得到的泡沫混凝土微观形貌,结果如图10所示.由图10可以看出,在相同养护条件下,采用混合搅拌法制备得到的泡沫混凝土试件中含有大量CaCO3.这是因为：一是空气中的CO2与水化产物中的CH反应生成;二是酵母菌产气生成的CO2与水化产物中的CH反应生成.然而,通过图8可知,采用预制泡混合法所制得试件孔隙率更大,与空气的接触面积也更大,但该制备方式下生成CaCO3的量较少.因此,确定混合搅拌法制得泡沫混凝土试样中含有的CaCO3大部分是由于酵母菌产气生成的CO2与水泥水化反应生成的CH反应所致.采用预制泡混合法制备的泡沫混凝土中则含有大量网状水化硅酸钙(C-S-H)以及少量CH和CaCO3,C-S-H的存在是泡沫混凝土长期强度的主要来源,因此其强度远高于行业标准中的要求.

图10 不同混泡工艺制备得到的泡沫混凝土SEM照片Fig.10 SEM photos of foamed concrete prepared by different mixing methods

3 结论

(1)微生物发泡剂既可以通过酵母菌发酵作用产生CO2形成泡沫,也可以利用酵母菌自身生化反应分解培养基中的营养物质,产生伴有亲水/疏水性质的官能团,降低溶液的表面张力(由46.7mN/m降低至34.4mN/m),在外力作用下引入空气，产生气泡.

(2)采用混合搅拌法制得泡沫混凝土试件中的孔是由酵母菌通过呼吸作用形成的,因此其孔径分布均匀且等效孔径较小(880μm),但产生的CO2与水化产物中的CH反应形成大量CaCO3,导致其抗压强度为3.3MPa,远低于行业标准中8.0MPa的要求.

(3)采用预制泡混合法制得的泡沫混凝土试件虽孔径分布相对不均匀、等效孔径相对较大(1080μm),但成型试样的水化反应完全,含有大量C-S-H,导致其抗压强度为1.1MPa,远高于行业标准0.5MPa的要求.