HPMC 改性泡沫对泡沫混凝土性能影响

叶慈彪，杨海平，陈倩倩，钟林谚，徐丽芬，应素琴

（台州四强新型建材有限公司，浙江 台州 318000）

0 引言

泡沫混凝土通常由胶凝材料、预制泡沫和其他辅助材料组成[1]。通过控制预制泡沫的用量可以制备出不同密度的轻质泡沫混凝土[2-3]。由于其密度低的特性，泡沫混凝土作为非结构性和半结构性材料被广泛应用于基础设施建设[4-5]。然而，密度低通常会导致泡沫混凝土强度低、稳定性差[6]。因此，轻质泡沫混凝土的高稳定性和高强度倍受关注[7]。

泡沫混凝土不稳定的主要原因是预制泡沫稳定性低，在水泥浆体凝固前，由于无法支撑泡沫混凝土骨架，泡沫会发生液膜破裂、泡沫合并[8-9]。制备泡沫混凝土时，预制泡沫加入到混凝土浆体中，在混凝土搅拌和浇筑的过程都会影响泡沫的使用寿命[10-11]。此外，硬化泡沫混凝土的孔径分布与抗压强度密切相关，气泡分布不均匀导致抗压强度低[12-13]。Jones[8]研究指出，气泡分布不均的主要原因也是泡沫的不稳定性。因此，提高预制泡沫的稳定性可以抑制液膜破裂及泡沫变大，优化硬化泡沫混凝土中气泡的孔径分布，从而提高泡沫混凝土的强度。

液体泡沫处于不平衡状态[14]，泡沫的演变过程包括液体的排出、液膜的破裂和泡沫的合并[15-16]。因此，抑制液体的排出和液膜的破裂是提高泡沫稳定性的重要方法[17]。已知增加液体泡沫的膨胀粘弹性会使液膜液体聚集并提高泡沫的稳定性[18]。已有研究者通过使用淀粉颗粒泡沫，主要原因是增加泡沫溶液的黏度。溶液黏度越高，液膜的强度也就越高[19]。因此，通过增加泡沫对薄膜中气体扩散和机械应力的抵抗力来提高泡沫的稳定性，机械应力会导致薄膜破裂[20-21]。

在本文中，羟丙基甲基纤维素醚（HPMC）用作增稠剂来聚集液膜液体以提高预制泡沫的稳定性，并将HPMC 改性的预制泡沫应用于泡沫混凝土中。

1 实验

1.1 原材料

水泥：P·O 52.5，华新水泥有限公司，中值粒径9.87 μm，其主要化学成分见表1，粒径分布见图1。发泡剂：十二烷基硫酸钠（SDS），阴离子表面剂，淡黄色粉末，上海美加净日化有限公司。羟丙基甲基纤维素醚（HPMC）：黏度200 000 mPa·s，白色粉末。聚羧酸减水剂（PCE）：固含量40%，减水率30%。

表1 水泥的主要化学成分 %

图1 水泥的粒径分布

1.2 实验方案

发泡剂的配比设计见表2。HPMC 掺量为0～0.4%，SDS 掺量为0.6%。发泡剂制备工艺流程为：缓慢地将HPMC 加入到水中，磁性搅拌30 min，然后将SDS 加入溶液中磁力搅拌30 min，得到发泡剂。最后，发泡剂通过高速搅拌，制备预制泡沫。

表2 发泡剂的配比设计

为了表征空白泡沫和HPMC 改性泡沫在泡沫混凝土中的作用，采用水泥和各种预制泡沫制备泡沫混凝土，配合比设计见表3。泡沫混凝土的制备过程为[22]：预制泡沫与新拌水泥浆体混合搅拌均匀，将制备好的泡沫混凝土浆体浇注在100 mm×100 mm×100 mm 模具中，盖上保鲜膜，在（20±1）℃的温度下带膜养护1 d。脱模后在标准养护室的条件下[（20±1）℃，相对湿度＞90%]养护至规定龄期。

表3 泡沫混凝土配比设计 kg/m3

1.3 测试方法

发泡剂黏度采用数显黏度计NDJ-9S 测试，配备5 个转子，测试范围为1～10 000 mPa·s，误差控制在±2%以内。

发泡倍数和泡沫半衰期采用高速搅拌发泡法测试[23]。首先称取50 mL 配制好的发泡剂，置于1 L 的烧杯中，再通过高速搅拌器搅拌发泡，直至体积不再变化，再根据体积得出发泡倍数。

根据JG/T 266—2011《泡沫混凝土》，试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，在进行抗压强度测试之前需在（60±5）℃下烘干，直到每4 h 试块质量变化在±1 g 以内。试件的抗压强度由TYE-300D 试验机进行测试，加载速度为0.5 kN/s。泡沫混凝土的微观结构由数字显微镜（KH-7700）观察并拍摄，图像通过Nano-measure 1.2 软件测量气孔直径，得到孔径数据及孔径分布。

2 结果讨论

2.1 发泡剂溶液的黏度

发泡剂溶液黏度与预制泡沫的稳定性有关，发泡剂溶液黏度直接影响到泡沫液膜上的液体渗流，黏度越大，泡沫液渗流越慢，则泡沫越稳定；黏度越小，泡沫液渗流越快，泡沫越不稳定。表4 为HPMC 掺量对发泡剂溶液黏度的影响。

表4 HPMC 掺量对发泡剂溶液黏度的影响

由表4 可以看出，随着HPMC 掺量的增加，发泡剂溶液的黏度随之显著增大，HPMC 掺量为0.2%、0.4%时溶液的黏度分别为2.22、8.86 Pa·s，较未掺HPMC 的分别增长了91%、664%。

2.2 发泡倍数

发泡剂的发泡倍数是表征发泡剂起泡能力的一个参数，发泡倍数越大，起泡能力越好，反之则越差。起泡能力越好，泡沫的稳定性就会越低，然而起泡能力过低，则会导致泡沫密度过大，不利于轻质泡沫混凝土的制备。表5 为HPMC 掺量对发泡剂发泡倍数的影响。

表5 HPMC 掺量对发泡剂发泡倍数的影响

由表5 可知，随着HPMC 掺量的增加，发泡剂的发泡倍数呈现出降低趋势。HPMC 降低发泡剂起泡能力主要是HPMC 使发泡剂黏度上升导致，发泡剂溶液黏度越高，则可能导致液膜壁厚增强、液膜液体聚集，从而使发泡倍数降低，影响发泡剂的起泡能力。

2.3 泡沫半衰期

采用高速搅拌发泡法来测试泡沫半衰期[23]。半衰期是指100 mL 发泡剂通过高速搅拌的方式起泡，排出50 mL 液体所需的时间。液体泡沫是个不平衡状态，泡沫受到重力的作用，会发生泡沫液渗流，导致液膜壁厚度降低，从而导致泡沫的破裂、合并[24]。因此，抑制泡沫液渗流，聚集液膜液体是提高泡沫稳定性的方法。表6 为HPMC 改性泡沫的半衰期。

表6 HPMC 改性泡沫的半衰期

由表6 可以看出，HPMC 改性后的泡沫半衰期显著延长，HPMC 掺量增加到0.4%时，改性泡沫的半衰期延长到了90 min，与未掺HPMC 相比提高了8 倍。一方面，是因为HPMC增加了泡沫液的黏度，抑制了泡沫液渗流，从而抑制了泡沫的破裂；另一方面，是因为HPMC 聚集了液膜液体，抑制气泡内的气体溢出，同时在避免不了泡沫液发生渗流的情况下，减少液膜厚度降低的时间，从而提高泡沫的稳定性。

2.4 泡沫混凝土的抗压强度

采用HPMC 改性泡沫制备了湿密度等级为800 kg/m3的泡沫混凝土，HPMC 掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响见表7。

由表7 可见，随着HPMC 的掺量增加，泡沫混凝土的抗压强度先提高后降低。7 d 龄期时，H0.1 的抗压强度为4.16 MPa，与H0 相比提高了7.2%，而H0.3 的抗压强度最高，为5.58 MPa，与H0 相比提高了43.8%；虽然H0.4 的抗压强度仅为5.16 MPa，但也较H0 和H0.1 提高不少。值得注意的是，在14 d 和28 d 龄期时，抗压强度依然得到了提高，并且也表现出与7 d 的抗压强度相同的规律。H0.3 的28 d 抗压强度为7.23 MPa，与H0 相比提高了22.3%，而H0.4 的28 d 抗压强度为6.82 MPa，与H0.3 相比略微降低。HPMC 增强泡沫混凝土强度主要是因为：HPMC 提高了预制泡沫的稳定性，减少了泡沫在水泥浆体中的破裂，使气泡的孔径更加细小均匀，从而提高了泡沫混凝土的抗压强度。而随着HPMC 掺量的增加，抗压强度达到峰值后呈现降低的趋势，这是因为引入的泡沫较多，从而降低泡沫混凝土的强度[18]。

表7 HPMC 掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响

2.5 泡沫混凝土的孔结构

泡沫混凝土的宏观性能与孔结构密切相关，气泡孔径越小分布越均匀，则泡沫混凝土的抗压强度越高。为了进一步揭示HPMC 改性泡沫对泡沫混凝土孔结构的作用，将试块切割成同样规格后通过数字显微镜拍摄了28 d 龄期样品H0、H0.2 和H0.4 的微观结构，结果见图2，孔径分布见图3，孔结构参数见表8。

由图2 可见，样品H0 中存在大量的大孔，几乎观察不到小孔，样品H0.2 中仍然存在着少量的大孔，但小孔的数量占了绝大多数，而样品H0.4 中几乎观察不到大孔，几乎全部为小孔或中孔，且能明显感觉到孔径分布更加均匀，气孔尺寸也明显减小。

由图3（a）可见，H0 的孔径分布较宽，其中50～75 μm 的孔含量为12.21%，75～100 μm 的孔含量为18.60%，而＞150 μm孔含量却高达38.50%。这说明H0 的大孔占绝大多数，小孔数量较少。而样品H0.2 中50～75 μm 的孔含量为38.95%，75～100 μm 的孔含量为32.37%，而＞150 μm 孔仅为7.70%。样品H0.4 中50～75 μm 的孔含量为43.79%，75～100 μm 的孔含量为32.55%，而＞150 μm 孔仅为5.50%。

由表8 可见，随着HPMC 掺量的增加，泡沫混凝土的孔径参数均显著降低，其中最大孔径从348.34 μm 降低到248.71 μm，最小孔径从45.98 μm 降低到了9.54 μm，平均孔径从135.88 μm 降低到了83.22 μm。这表明HPMC 改性的泡沫不仅能显著改善泡沫混凝土中的孔结构，而且使泡沫混凝土中的孔结构更加细小均匀，从而使泡沫混凝土的应力分布均匀，提高泡沫混凝土的强度。

3 结论

（1）HPMC 通过增加发泡剂的黏度，聚集液膜液体，从而抑制泡沫液渗流、气泡内气体溢出，进而提高泡沫的稳定性，其中泡沫半衰期从10 min 延长到了90 min。但HPMC 会降低发泡剂的发泡倍数，影响发泡剂的起泡能力。

（2）HPMC 改性泡沫应用于泡沫混凝土时，可以提高泡沫混凝土的抗压强度，但是HPMC 掺量过高的改性泡沫会限制抗压强度的增长。

（3）HPMC 改性的泡沫不仅能显著改善泡沫混凝土中的孔结构，使泡沫混凝土中的孔结构更加细小均匀，从而提高泡沫混凝土的强度。