本文将为您分享香港理工大学（The Hong Kong Polytechnic University）Jian-Xin Lu在Cement and Concrete Composites杂志（IF=10.8）发表的Ultra-stable foam enabled by nano silica engineering for foam concrete improvement。本文第一作者为Chunpeng Zhang，通讯作者为Jian-Xin Lu。
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研究背景
泡沐混凝土是一种典型的轻质混凝土材料，一般是将胶凝材料与发泡剂产生的泡沫混合而成，也是因为它的多孔结构，泡沫混凝土表现出优异的隔热性能和相对较低的隐含碳，是一种潜在的低碳材料。
而对于泡沫混凝土其中泡沫的稳定性差是泡沫混凝土的关键问题，孔隙连通性高，导致吸水率增加，耐久性降低，阻碍了泡沫混凝土的广泛应用。为了提高泡沫混凝土的性能，人们设计了各种提高泡沫稳定性的方法，其中优化水泥浆与泡沫的相容性是一种广泛采用的间接方法。例如，在泡沫混凝土中广泛使用粉煤灰(FA)，以降低膏体的摩擦力，从而提高搅拌过程中的泡沫稳定性。同样，由于矿渣矿源富含cao，且矿渣形状呈棱角状，有利于颗粒之间的相互作用和早期，因此也采用矿渣粉对水泥膏体进行了优化。总的来说，水泥浆体的优化旨在控制水泥浆的流变性能，以确保新鲜膏体中泡沫气泡的稳定性。然而，提高物理泡沫泡的稳定性是提高泡沫混凝土性能最直接有效的方法。
超细颗粒，尤其是纳米颗粒，通常被用作泡沫稳定剂，特别是在高性能泡沫的生产。先前的研究表明，纳米材料的吸附，表现为单层，多层或片状和高原边界的团簇网络，诱导形成包围气泡的实质性固体膜。该膜有助于提高粘度，对泡沫失稳动力学起到反作用力。此外，纳米氢氧化氧化铝和纳米二氧化硅作为可以参与水化反应的纳米材料的代表，也可以作为泡沫稳定剂。因此，除了具有稳定剂的作用外，由于火山灰反应，它还可以使水泥基体致密。此外，考虑到纳米材料的成本，目前每年消耗100万吨的纳米二氧化硅在众多选择中脱颖而出。根据之前的研究，在泡沫的预制中采用了不同润湿状态的纳米颗粒。亲水纳米二氧化硅(HNS)主要存在于预制泡沫的液相中，其与水的接触角小于40◦，由此导致的泡沫粘度的增加能够增加泡沫的稳定。半疏水纳米二氧化硅，其水接触角约为90◦，积聚在液膜上，提高了稳定性。疏水纳米二氧化硅的水接触角大于90◦，可以吸附在发泡剂的疏水端表面，从而提高泡沫稳定。总体而言，接触角大于90◦的纳米二氧化硅具有最好的稳定功，但它们难以与水泥浆结。两亲纳米二氧化硅(ANS)是具有疏水性和亲水性的化合物，这意味着它们具有吸引和保留水和油的能力。由于其特定的界面特性，它将是一种优秀的泡沫稳定剂，特别是在需要增强泡沫壁厚的应用。因此，将ANS作为泡沫稳定剂用于制造稳定泡沫和生产高强度泡沫混凝土具有重要的动力。
基于以上，本研究采用超润湿纳米二氧化硅ANS对含水泡沫进行稳定，然后与水泥浆混合制备不同密度水平的泡沫混凝土。此外，还制备了不添加泡沫稳定剂的常用亲水纳米二氧化硅(HNS)制备的泡沫和泡沫混凝土作为参照组。研究了发泡剂和预制泡沫材料的性能。此外，还对制备的泡沫混凝土的流动性、机械强度、密度和孔隙率进行了表征，阐明了其机理。
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材料及制备方法
材料：胶凝粘结剂采用普通波特兰水泥(OPC, CEM I, 52.5, Green Island)，其组成如表1所示。采用ANS和HNS作为泡沫稳定剂。十二烷基硫酸钠(SDS)发泡剂非常稳定，不会与水泥基体发生化学反应。因此，SDS(粉末)发泡剂采用国药控股(中国)。从中国大陆采购各类纳米二氧化硅。泽塔泽(莫尔文纳诺采用ZS90)测量纳米材料在乙醇中的亚微米尺寸(图1)。ANS的平均直径为211 nm，而HNS的平均直径为260 nm。
样品制作方法：本研究以SDS溶液为发泡剂，纳米颗粒为泡沫稳定剂。如图2所示，先用磁力搅拌器在室温下以300 rpm搅拌10 min，将SDS粉末溶解在去离子水中，然后将纳米颗粒加入到SDS溶液中，在室温下以300 rpm搅拌10 min，最后用压缩空气发泡机制备水性泡沫。发泡机控制的各类泡沫密度在80 kg/m3左右。为了制造不同用途的泡沫混凝土，将相同体积(30%)的预制泡沫加入不同水灰比(0.3-0.5)的新鲜水泥浆中。制作过程首先将水泥浆搅拌约2分钟，然后使用前面提到的发泡机制备泡沫。之后，将泡沫倒入并混合成糊状，然后将混合物倒入立方模具中。泡沫混凝土样品用塑料薄膜覆盖，在室温(23±2◦C)下凝固24小时。脱模后，泡沫混凝土样品在90◦C蒸汽室中固化2天。最后，将这些样品保存在室温下的密封袋中，等待测试。
测试方法：
发泡剂表征及泡沫稳定性如表2所示，采用两种不同的纳米二氧化硅对SDS发泡剂进行改性，其相对SDS质量的用量分别为0.05、0.10、0.15。但0.15 HNS组引起SDS缩聚，不能用于发泡工艺。未加纳米二氧化硅修饰的纯SDS也作为参照组(REF)进行检测。通过发泡剂的pH值和电导率对发泡剂进行评价。
表2
按上述比例混合后，使用pH计和电导率计进行测量。如图3 (a, b)所示，通过测量发泡后泡沫体积的时间演变和显微镜视野内泡沫数量(NIS-Element BR, Nikon)来评价泡沫稳定性。在光学显微镜下观察气泡形态。人工标记100多个气泡的平均尺寸和壁厚，并使用Nano Measure软件(Nano Measure v1.2，中国复旦大学)进行计数。如图3 (c)所示，将含水泡沫从混合器中直接倒入瓶中，通过测量泡沫混合物在离心管内的高度变化来监测泡沫体积演变。采用zeta电位法表征发泡剂的稳定性以及纳米二氧化硅与发泡剂的相互作用。zeta电位测试采用Malvern Zetasizer Nano ZS90。
为了探索ANS泡沫在泡沫混凝土中的性能，设计了三种不同等级的泡沫混凝土，如表5所示。
力学试验前，将尺寸为40 × 40 × 40 mm3的泡沫混凝土试件进行60℃干燥至恒重。测试了最终试样的质量和体积，计算并记录了硬化试样的风干密度。在加载速率为0.3 MPa/s的条件下进行抗压强度试验，取三次试验结果的平均值。干燥后，用切割机对试样进行纵向切片。然后用光学显微镜检测孔结构。
No.3
结果与讨论
1.泡沫的表征：
测定了发泡剂溶液的pH值和电导率。如表4所示，改性发泡剂的pH值比参考值低，但降低幅度不显著。
泡沫体沉降距离值如图4所示。显然，参考SDS泡沫的稳定性较差，0.5 h后聚集过程发生迅速，2 h内测试结束时泡沫消泡约40%。但发现纳米二氧化硅的加入显著提高了泡沫稳定性。
为了进一步阐明不同种类纳米二氧化硅增强泡沫壁的机理，进行了接触角试验，如图6所示。可以发现，HNS既亲水又疏油，而ANS既亲水又亲油。
2. 泡沫混凝土的性能表征
泡沫混凝土的流动性：随着水灰比的增大，新泡沫混凝土的流动性得到改善。纳米材料的加入大大降低了浆料的流动性，特别是对于ANS组。
泡沫混凝土的力学性能：泡沫混凝土力学性能泡沫混凝土抗压强度如图8所示。随着w/c比的增加，抗压强度相应降低。在相同的w/c比下，经ANS改性的泡沫混凝土强度明显优于未改性的泡沫混凝土和经HNS改性的泡沫混凝土。
3.孔隙结构的分析：
泡沫混凝土的强度主要受孔隙结构的控制。其中，孔隙体积分数决定了泡沫混凝土的密度和强度。在相同孔隙体积分数下，孔隙尺寸分布、孔隙连通性和孔隙形态共同影响泡沫混凝土的强度。由于本研究采用相同的配合比，因此可以认为相同密度的泡沫混凝土具有相同的孔隙体积分数。对每组相同密度等级的泡沫混凝土进行解剖，取切片并在光学显微镜下观察，分别测试其孔隙FD，分析不同纳米材料对孔隙形态的影响。如图9所示。
对密度等级为1500 kg/m3的泡沫混凝土进行X-CT测试，分析其孔隙尺寸分布。X-CT试验结果如图10所示。三维图像显示，参考泡沫混凝土中存在大量的大孔，而在hns改性泡沫混凝土中观察到大孔的减少，而在ANS改性泡沫混凝土中观察到最小的大孔。这些大孔相互连接，因此判断为一个大孔。X-CT结果表明，纳米材料改性可以通过减少连接孔的数量来提高孔隙的稳定性，尤其是ANS改性。图11为样品中的孔隙分布。
4．讨论
为了验证两亲性纳米二氧化硅对水泥基体的影响，进行了水化热测试。分别测试了含不同泡沫的泡沫混凝土和不含泡沫的水泥浆体的水化热。如图14所示，不同组泡沫混凝土的水化热相似。由此可见，少量纳米二氧化硅对水泥水化的影响并不显著。因此，孔隙结构的物理优化对混凝土强度的提高起着首要的作用。
如表12所示，当w/c比为0.3时，泡沫混凝土的配合比仅增加了较小的成本(小于2%)，因此无需担心泡沫混凝土的额外成本。ANS的应用非常有前景，因为它增加了泡沫壁的厚度，从而提高了泡沫的稳定性。从而减少了泡沫混凝土中的泡沫崩塌和聚结现象，从而大大提高了泡沫混凝土的强度。ANS组泡沫混凝土强度提高35.2%，同时成本略有提高，具有经济效益。因此，它具有进一步发展的巨大潜力。本研究主要研究泡沫混凝土的孔隙结构和强度变化。此外，还需要对ANS增强泡沫混凝土的导热性和耐久性进行更深入的研究和探索。
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总结
本研究采用两亲性纳米二氧化硅(ANS)对SDS发泡剂进行改性，以提高泡沫混凝土的性能。以未改性的SDS发泡剂和经亲水性纳米二氧化硅(HNS)改性的SDS发泡剂为对照，测定了泡沫本身的性能以及新发泡和硬化发泡混凝土的性能。主要结论如下:
1) ANS改性泡沫的初始尺寸与参考泡沫和HNS改性泡沫的初始尺寸没有显著差异，均在210 μm左右。而ANS泡沫的壁厚为39.66 μm，远高于其他两种泡沫的27.94 μm。ANS的使用有助于泡沫在水泥基质中和搅拌过程中的稳定性。
2) 由于ANS改性泡沫具有优异的稳定性，所制得的泡沫混凝土在不同密度等级下的强度均高于对照组。特别是在密度水平为1500 kg/m3时，泡沫混凝土的抗压强度高于35 MPa，可作为结构材料使用。这远远高于以往研究中泡沫混凝土的强度
3) 泡沫混凝土的力学性能与孔隙结构具有良好的相关性。孔隙尺寸与泡沫混凝土强度关系最为密切，主要分布在180~210 μm和210 ~ 240 μm两个区间，灰色相关系数分别为0.83和0.79。
4) 采用计算力学方法研究了泡沫混凝土的孔隙特性与抗压强度之间的关系。泡沫混凝土的孔径越接近球形，泡沫混凝土的应力集中系数越小，抗压强度越高。孔隙尺寸在200 μm左右，应力集中最小，强度最大。
本研究结果表明，ANS的应用可以大幅提高泡沫本身的稳定性，从而通过优化泡沫混凝土的孔隙结构来改善泡沫混凝土的力学性能。这种类型的泡沫混凝土的强度在1500 kg/m3的密度下超过30 MPa，显示了结构应用的潜力。因此，ANS是一种很有前途的泡沫混凝土稳定材料，但其对泡沫混凝土耐久性的影响值得进一步研究。
参考文献
[1] Chunpeng Zhang, Dingqiang Fan, Jian-Xin Lu, Chaoming Pang, Chi Sun Poon, Ultra-stable foam enabled by nano silica engineering for foam concrete improvement, Cement and Concrete Composites,Volume 150, 2024, 105575.
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2024.105575
本文来源：香港理工大学Jian-Xin Lu老师
供稿：张琦玉
转自：公众号同济可持续混凝土
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