H2O2原位发泡轻混凝土的制备与性能表征

樊传刚，吴　瑞，黄兴田，陈　贺，孟方方，李家茂

(1. 安徽工业大学 材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002；2. 马鞍山市墙体材料改革办公室，安徽 马鞍山 243000；3. 马鞍山17冶工程科技有限公司，安徽 马鞍山 243000)



H2O2原位发泡轻混凝土的制备与性能表征

樊传刚1，吴瑞1，黄兴田2，陈贺3，孟方方1，李家茂1

(1. 安徽工业大学 材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002；2. 马鞍山市墙体材料改革办公室，安徽 马鞍山 243000；3. 马鞍山17冶工程科技有限公司，安徽 马鞍山 243000)

以H2O2溶液(质量浓度30%)为发泡剂，粗、细膨胀珍珠岩颗粒为轻集料和发泡剂载体，明胶为稳泡剂，采用将加载发泡剂的载体拌入轻集料混凝土的水泥浆中原位化学发泡的方法，制备出了系列轻混凝土试样，并对其性能进行了系统表征。结果表明，原位发泡轻混凝土中外加1.5%(质量分数)胶凝材料量的稳泡剂后，对气泡有较为理想的稳泡作用，可获得均匀分布的细小气泡(气泡直径0.5～1 mm)。原位发泡轻混凝土的体积密度随发泡剂量增加而降低，随稳泡剂量的增加而增大。当稳泡剂为胶凝材料量的1.5%(质量分数)时，原位发泡轻混凝土试样的抗压强度和导热系数均随着发泡剂量的增加而降低。其中，发泡剂量为胶凝材料量1.4%(质量分数)试样的28 d抗压强度为21 MPa，体积密度为940 kg/m3，比不发泡试样的强质比提高了14%，导热系数降低了13%。

轻混凝土；原位化学发泡；发泡剂载体

0　引　言

普通混凝土基材料变轻的途径之一是使用轻集料取代普通集料[1-5]；途径之二是使用物理和化学发泡的方法在混凝土结构中的胶结部分引入封闭气孔[6-9]。但是，上述方法使材料变轻的同时其力学性能也随之减弱。因此如何解决上述矛盾问题是摆在建材研究者面前极富挑战性的问题。目前轻集料混凝土仍然是使高层建筑、大跨度桥梁等混凝土构件强质比提高的主要手段。虽然国内外在采用纤维和活性粉末增强等手段基础上，发展出了一系列高性能轻集料混凝土并投入使用，由于其中的轻集料胶结部分为致密结构，所以该类混凝土的容重大多超过1 500 kg/m3[4-5]。文献[8]在采用引气剂的基础上，尝试将物理发泡剂和化学发泡剂加入轻集料混凝土的拌和物中，制备出更轻的用于建筑结构的轻集料混凝土。在轻集料混凝土引入封闭气孔的过程中，无论是将物理发泡剂“预发泡”后拌入混凝土(或砂浆)，还是将化学发泡剂拌入混凝土后再发泡，拌合物中较粗集料的干扰明显成为了泡沫或发泡剂均匀高效进入目标位置(即轻集料堆积间隙中的水泥灰浆或砂浆)的主要障碍，使轻集料混凝土无法有效变轻[8]。为此笔者采用一种H2O2原位发泡的轻混凝土制备方法尝试去克服上述问题，即将发泡剂预加载到多孔载体中，然后通过搅拌将其投送到拌好混凝土的轻集料间水泥浆中均匀发泡，在发泡反应过程得到控制的条件下，获得了一系列性能较为理想的轻混凝土试样[10]。本文将系统介绍原位发泡轻混凝土试样的制备与性能表征。

1 实验

1.1原料与配合比设计

1.1.1原料

(1)42.5号普硅水泥(OP)，海螺牌，马鞍山海螺水泥有限公司；(2) Ⅰ级粉煤灰，马鞍山第二发电厂；(3) 膨胀珍珠岩：集料，粒度2～5 mm；载体，粒度<1 mm，产自河南信阳；(4) 其它外加成分：稳泡剂，明胶(工业级)；发泡剂，H2O2溶液，质量浓度30%(分析纯)；减水剂，聚羧酸高效减水剂，马鞍山中海集团产；催化剂，实验室自制，含有某种过渡金属离子；木质素纤维，长度5～10 mm，实验室自制。

1.1.2轻混凝土配合比设计

基准混凝土配合比设计为水灰比0.3(质量比)；采用粉煤灰等量取代水泥法加入I级粉煤灰，取代率为20%；配料中外加木质素纤维占胶凝材料量的0.26%(质量分数)，采用2～5 mm粒度的粗膨胀珍珠岩为轻集料，轻集料(堆积体积，单位：L)与胶凝材料(质量，单位：kg)的比例为1∶2，粗膨胀珍珠岩加入胶凝材料浆体之前预湿，减水剂选用聚羧酸减水剂(为胶凝材料量的1.33%(质量分数))，发泡剂H2O2的外加量分别为胶凝材料量0，1.4%，2.8%，4.2%和5.6%(质量分数)(以下记作“发泡剂量0，1.4%，2.8%，4.2%和5.6%(质量分数)”)，采用小于1 mm的细膨胀珍珠岩颗粒为发泡剂载体，采用明胶为稳泡剂，其加入量分别为胶凝材料量的1%，1.5%和2%(质量分数)(以下记作“稳泡剂量1%，1.5%，2%(质量分数)”)。

1.2样品制备与性能表征

按设计配合比称取一定量的水泥、粉煤灰、木质素纤维、发泡剂、稳泡剂溶液、水、减水剂、催化剂溶液和膨胀珍珠岩。原位发泡载体的制备流程为：将发泡剂直接加入细膨胀珍珠岩中，然后缓慢搅拌30 s，使细膨胀珍珠岩成为加载发泡剂的载体，载体用量以饱和吸入发泡剂时的用量为准，饱和时载体用量(堆积体积，单位：mL)与发泡剂量(质量，单位：g)比为1∶2。将所称取水泥、粉煤灰和木质素纤维喂入搅拌机中，先干拌30 s，再加入水、减水剂、稳泡剂和催化剂溶液，并依次慢搅30 s和快搅90 s，搅拌均匀后，向水泥浆中加入预湿粗膨胀珍珠岩并慢搅60 s，再向料浆中加入发泡剂载体并慢搅120 s，使发泡剂载体在轻集料混凝土的水泥浆中均匀混合后开始发泡。待发泡过程结束后，将发泡混凝土浇入10 cm×10 cm×10 cm和10 cm×10 cm×51.5 cm的混凝土标准试模中，并进行振动以脱出搅拌过程引入的大气泡，静养1d后脱模，脱模试样在(20±2)℃水中养护至28 d龄期，从水中取出擦干，然后进行系列性能测试。

轻混凝土试样的抗压强度按GB/T500081-2002中的要求进行测试(WE-1000A型液压式万能试验机，济南试金集团有限公司产)；绝干密度按照GB/T11970-1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率的试验方法》中要求进行测试；干缩率按照GB/50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中要求进行测试。其中抗压强度和绝干密度测试试样的尺寸均为10 cm×10 cm×10 cm；抗折强度、干缩率测试试样的尺寸为10 cm×10 cm×51.5 cm的四方柱形。采用稳态法测定试样的导热系数(thermal conducting coefficient, TCC)(YBF-3型导热系数测定仪，杭州大华仪器制造有限公司产)，试样尺寸为Ø13.5 cm×4 cm。

2　结果与讨论

2.1样品形貌

采用H2O2制备泡沫轻混凝土的发泡反应如下

在无粗集料的普通化学发泡中，因胶凝材料和细集料的粒度较小，搅拌中对浆体产生的紊流粘滞作用小，高速搅拌可保证H2O2均匀分布到浆体的各个部位后均匀发泡[6,9]。当泡沫混凝土中需要粗(轻)集料进行增强和其它改性时，由于粗集料在搅拌中对浆体的紊流粘滞作用大，在同样的搅拌条件下，无法保证H2O2均匀分布到浆体的各个部位(集料间隙)进行发泡。本文提出的原位发泡是将H2O2预先加载到膨胀珍珠岩颗粒(载体)中，再将其搅入已拌匀轻集料混凝土的水泥浆，当载体到达预定发泡位置后，H2O2缓慢从载体中释放到集料堆积间隙的水泥浆中再发泡，该反应的滞后特征使发泡剂可通过载体与轻集料之间的相对剪切与对流运动，随载体短时间均匀分布到集料的堆积间隙中进行原位发泡，该发泡过程中存在的可控机制为泡沫混凝土结构的强化和微区组织精细调控提供了可能。图1所示为不同稳泡剂的原位发泡轻混凝土试样的断面照片，样品的发泡剂加入量为2.8%(质量分数)。

图1发泡剂含量2.8%(质量分数)时不同稳泡剂量的轻混凝土试样断面形貌

Fig 1 Cross-section morphology of resulting specimens of LC with different content of foam stabilizer and with 2.8wt% foaming agent content

从图1可以看出，当稳泡剂量为1.5%和2%(质量分数)时，原位发泡的胶结部位除了个别较大气泡外，其余气泡直径≤1 mm(通过对图1中胶结部位气泡大小和分布范围进行测量和统计后确定)，大小分布均匀；当稳泡剂量为1%(质量分数)时，原位发泡的胶结部位气泡尺寸超过3 mm，大小分布不均匀。可以看出稳泡剂对于原位发泡过程所形成气泡尺寸大小有着较为明显的影响，随着稳泡剂量的增加，气泡的直径减小(稳泡剂变化范围1%～1.5%(质量分数))。原位发泡获得的轻集料胶结部位的上述空洞形貌将有利于轻混凝土力学性能的改善[9]。

2.2体积密度

图2所示为不同稳泡剂含量轻混凝土试样28 d体积密度(绝干)随发泡剂量的变化关系。从图中可以看出，在稳泡剂掺量相同时，试样的体积密度随着发泡剂量的增加而降低，这可归结为轻混凝土中的气孔量随着发泡剂量增加而增加所致。对于稳泡剂量为1.5%(质量分数)的试样，不加发泡剂时，试样的体积密度为1 080 kg/m3，当发泡剂量为2.8%(质量分数)时，其体积密度为800 kg/m3，当发泡剂量为5.6%时，试样的体积密度降低到680 kg/m3。

图2发泡剂量变化对不同稳泡剂掺量轻混凝土试样28 d体积密度的影响

Fig 2 Influence of the foaming agent content on the 28 d bulk density of resulting specimens of LC with different content of foam stabilizer

从图2中还可以看出，对于发泡剂量相同的轻混凝土试样，其28 d体积密度随稳泡剂量增加而增大。这是因为稳泡剂明胶加入水泥浆后，使其内摩擦阻力增大，导致发泡剂原位发泡的单个气体单位膨胀的界面阻力增大，从而使气泡变小。结合图1和图2可以看出，稳泡剂量1.5%(质量分数)的稳泡作用较为理想。

2.3力学性能

图3所示为1.5%(质量分数)稳泡剂的轻混凝土试样28 d抗压强度随发泡剂量变化的关系。从图中可以看出试样的抗压强度随发泡剂量的增加呈现降低的趋势：发泡剂量高于2.8%(质量分数)时，试样抗压强度随发泡剂量增加而降低的幅度较大；发泡剂量<1.4%(质量分数)时，其降低幅度可忽略不计。其中，发泡剂量为1.4%(质量分数)时，轻混凝土试样的28 d抗压强度高达21 MPa；发泡剂量为2.8%(质量分数)时，其抗压强度下降到了15 MPa。

图3发泡剂量变化对含1.5%(质量分数)稳泡剂轻混凝土试样的28 d抗压强度影响

Fig 3 Influence of the foaming agent content on the 28 d compressive strength of resulting specimens of LC with 1.5wt% foam stabilizer

图4所示为1.5%(质量分数)稳泡剂的轻混凝土试样28 d强质比与发泡剂量之间的关系。从图中可以看出试样28 d强质比随发泡剂量的增加先增加后降低，当发泡剂量为1.4%(质量分数)时，试样的强质比出现极大值。这说明稳泡剂量为1.5%(质量分数)和发泡剂量为1.4%(质量分数)时，所获得轻混凝土试样具有明显的轻质高强特征。

图4发泡剂量变化对含1.5%(质量分数)稳泡剂的轻混凝土试样28 d强质比的影响

Fig 4 Influence of the foaming agent content on the 28 d specific strength (SS) of resulting specimens of LC with 1.5wt% foam stabilizer

2.4导热系数

图5所示为1.5%(质量分数)稳泡剂轻混凝土试样的导热系数随发泡剂量变化的关系。从图中可看出试样的导热系数随发泡剂量的增加而显著降低，这主要是由于随着发泡剂量增加，混凝土试样中的≤1 mm直径孔洞量增大(见图1)，使样品的胶结部分热阻增大，再加上所含骨料本身具有较低的导热系数，从而使轻混凝土的导热系数降低[9]。

图5发泡剂量变化对含1.5%(质量分数)稳泡剂的轻混凝土试样导热系数影响

Fig 5 Influence of foaming agent content on the TCC of resulting specimens of LC with 1.5wt% foam stabilizer

3　结　论

以膨胀珍珠岩为轻集料和发泡剂载体， H2O2溶液为化学发泡剂，明胶为稳泡剂，通过原位发泡法制备出了系列轻混凝土试样，对其性能进行系统表征后，得出的结论如下。

(1)原位发泡轻混凝土试样的体积密度随发泡剂量的增加而降低；随稳泡剂量的增加而增加。试样中外加胶凝材料量1.5%(质量分数)的明胶后，对气泡有较为理想的稳泡作用，发泡剂量为胶凝材料的2.8%(质量分数)时可获得体积密度为800 kg/m3的轻混凝土。

(2)稳泡剂量为胶凝材料的1.5%(质量分数)时，原位发泡轻混凝土试样的抗压强度随发泡剂量的增加而降低，其中发泡剂量为胶凝材料的2.8%(质量分数)试样的28 d抗压强度为15 MPa，发泡剂量为胶凝材料的1.4%(质量分数)试样的28 d抗压强度为21 MPa。

(3)稳泡剂量为胶凝材料的1.5%(质量分数)的原位发泡轻混凝土，其胶结部位具有较小的气泡直径，再加上所胶结轻集料本身较低的导热系数，使其热阻增大，从而使轻混凝土试样的导热系数随着发泡剂量的增加而降低。当稳泡剂量和发泡剂量分别为胶凝材料的1.5%和2.8%(质量分数)时，该试样的导热系数仅为0.16 W/(m·K)。

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Preparation and characterization of the lightweight concrete produced by H2O2chemical foaming in situ

FAN Chuangang1, WU Rui1, HUANG Xingtian2, CHEN He3, MENG Fangfang1, LI Jiamao1

(1.School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma’anshan 243002,China;2. Ma’anshan Wall Material Reform Office, Ma’anshan 243000, China;3. Ma’anshan MCC17 Engineering Science and Technology Co. Ltd., Ma’anshan 243000, China)

The lightweight concrete (LC) specimens were prepared using the method of chemical foaming in situ. In the foaming process, the H2O2was used as foaming agent, the coarser and fine expanded perlites were used as lightweight aggregate and as carrier for H2O2respectively, and the gelatin was used as foam stabilizer. The foaming reaction of H2O2was taken place after it was being charged into carriers and the charged carriers were mixed into the mortar previously. The mortar was enclosed by the lightweight aggregates in fresh concrete. The properties of the resulting LC specimens were characterized systemically. It was found that the adding amount of 1.5wt% foam stabilizer had the promising stabilization for the foam formed in situ, which resulted in the bubbles with 0.5-1 mm diameter in homogeneous distribution. The bulk densities (BD) of resulting LC specimens were decreased with the increasing of the adding amount of foaming agent, and increased with the adding amount of foam stabilizer. For the resulting LC specimens with foam stabilizer amount of 1.5wt%, their 28 d compressive strengths (CS) and thermal conducting coefficients (TCC) were decreased with the increase of the amount of foaming agent. Among them, the resulting LC specimen with foaming agent of 1.4wt% had the 28 d CS of 21 MPa and the BD of 940 kg/m3. As compared with that of the resulting LC specimen without foaming agent, its specific strength value was improved by 14% and its TCC was decreased by 13%, respectively.

lightweight concrete; chemical foaming in situ; carrier of foaming agent

1001-9731(2016)05-05129-04

安徽省科技攻关资助项目(1301042105)

2015-05-10

2016-01-10 通讯作者：樊传刚，E-mail: chgfan@ahut.edu.cn

樊传刚(1967-), 男, 安徽淮南人，博士，教授，研究方向为绿色、低碳无机非金属材料制备。

TU528.2

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.024