泡沫混凝土復(fù)合發(fā)泡劑的實(shí)驗(yàn)研究

戴民，李秀，魏征，王羽

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

泡沫混凝土復(fù)合發(fā)泡劑的實(shí)驗(yàn)研究

戴民，李秀，魏征，王羽

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

選用陰離子表面活性劑進(jìn)行發(fā)泡劑復(fù)配研究，以脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸鈉（簡(jiǎn)稱AES）為基礎(chǔ)，分別復(fù)配不同摻量的十二烷基硫酸鈉（簡(jiǎn)稱K12）和α-烯烴磺酸鈉（簡(jiǎn)稱AOS），并添加適量不同穩(wěn)泡劑配制成復(fù)合發(fā)泡劑。通過(guò)測(cè)量泡沫的發(fā)泡倍數(shù)、沉降距、泌水量來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)泡劑的發(fā)泡性能。結(jié)果表明，以硅樹脂聚醚乳液（MPS）為穩(wěn)泡劑，當(dāng)AOS取代40%的AES時(shí)，發(fā)泡劑表現(xiàn)出良好的泡沫穩(wěn)定性，發(fā)泡倍數(shù)可達(dá)到38.3倍。

混凝土發(fā)泡劑；復(fù)配；泡沫性能

0 引言

物理法發(fā)泡生產(chǎn)泡沫混凝土的過(guò)程中，發(fā)泡劑的性能對(duì)泡沫混凝土的質(zhì)量起決定性作用[1-3]。對(duì)于發(fā)泡劑，除要求有足夠高的發(fā)泡倍數(shù)外，其泡沫的穩(wěn)定性和均勻性對(duì)混凝土的孔結(jié)構(gòu)有顯著影響，進(jìn)而對(duì)混凝土的強(qiáng)度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)及吸水率等產(chǎn)生影響[4-7]。目前市場(chǎng)上的發(fā)泡劑種類主要有松香類、表面活性劑類、蛋白類及復(fù)合型發(fā)泡劑，其性能也各不相同，表面活性劑類表現(xiàn)出更強(qiáng)的發(fā)泡能力，而蛋白類具有更高的穩(wěn)定性，但相對(duì)成本也會(huì)更高一些[8-9]?，F(xiàn)階段對(duì)于發(fā)泡劑的性能評(píng)價(jià)方法也存在很多種，主要集中在對(duì)起泡能力和泡沫穩(wěn)定性方面的評(píng)價(jià)，起泡能力一般通過(guò)起泡比、發(fā)泡倍數(shù)等來(lái)評(píng)價(jià)，泡沫穩(wěn)定性則通過(guò)攜液量、沉陷距、保水系數(shù)等來(lái)評(píng)價(jià)[10-13]。JG/T 266—2011《泡沫混凝土》標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)給出了泡沫混凝土發(fā)泡劑的評(píng)價(jià)方法。

陰離子表面活性劑具有產(chǎn)量大，取材方便，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，并具備優(yōu)異的起泡能力，但泡沫的大小、穩(wěn)定性較難控制。筆者選擇多種陰離子表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，并輔以不同的穩(wěn)泡組分，通過(guò)測(cè)試不同樣品的發(fā)泡倍數(shù)、沉降距和泌水量，優(yōu)化出適用于泡沫混凝土生產(chǎn)的復(fù)合發(fā)泡劑。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 原材料

發(fā)泡組分：脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸鈉（簡(jiǎn)稱AES），淡黃色濃稠液體，固含量70%；十二烷基硫酸鈉（簡(jiǎn)稱K12），白色粉末，固含量92%；α-烯烴磺酸鈉（簡(jiǎn)稱AOS），白色粉末，固含量98%。

穩(wěn)泡組分：椰子油脂肪酸二乙醇酰胺，淡黃色液體，固含量65%；硅樹脂聚醚乳液，半透明膏體，固含量70%。

1.2 泡沫性能測(cè)試方法

按照J(rèn)G/T 266—2011附錄A測(cè)試泡沫的發(fā)泡倍數(shù)、1 h沉降距和1 h泌水量。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

（1）發(fā)泡劑的制備。將AES（固含量為70%）分別以5%、14%、23%、32%和41%的濃度配制成發(fā)泡劑母液，測(cè)試泡沫的發(fā)泡倍率、沉降距和泌水量，通過(guò)性能比較，優(yōu)選出AES的最佳濃度。以優(yōu)選后的AES濃度為基礎(chǔ)，分別用K12和AOS取代30%、40%、50%的AES進(jìn)行復(fù)配，并分別添加不同穩(wěn)泡組分制成復(fù)合發(fā)泡劑。

（2）泡沫的制取及測(cè)試。將復(fù)合型發(fā)泡劑與水按質(zhì)量比1：20稀釋成發(fā)泡液，采用空氣壓縮式發(fā)泡機(jī)制取泡沫后，按照J(rèn)G/T 266—2011的規(guī)定測(cè)試泡沫性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 AES發(fā)泡劑對(duì)泡沫性能的影響

不同濃度AES對(duì)發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)、1h泌水量、1h沉降距的影響分別見圖1、圖2。

圖1 不同濃度AES對(duì)發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)的影響

由圖1可以看出，隨著AES用量的增加，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)逐步提高。AES濃度在14%～23%時(shí)，發(fā)泡增速最快，且發(fā)泡倍數(shù)高于20倍，符合JG/T 266—2011中對(duì)于發(fā)泡倍數(shù)＞20倍的要求。而濃度高于23%后，發(fā)泡倍數(shù)增速放緩，但仍然保持升高趨勢(shì)。原因是AES濃度的增加會(huì)提高水溶液中活性劑分子數(shù)量，降低溶液的表面張力，致使其發(fā)泡能力隨著濃度的增加而提高。

圖2 不同濃度AES對(duì)發(fā)泡劑泡沫穩(wěn)定性的影響

由圖2可以看出，隨著AES濃度的升高，泡沫穩(wěn)定性顯著提高。AES濃度為5%～23%時(shí)，1 h沉降距顯著降低，而濃度為23%和32%時(shí)，1 h沉降距均為11 mm，在濃度提高到41%時(shí)，沉降距為9 mm。在泌水量方面，低濃度時(shí)，泡沫1 h的泌水量高達(dá)170 ml，當(dāng)AES濃度提高到23%時(shí)，泌水量降低到了102 ml，濃度繼續(xù)增大，泌水量則保持在95 ml左右，仍然達(dá)不到JG/T 266—2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定＜80 ml的要求?？傮w而言，AES濃度不大于23%時(shí)，隨著濃度的提高，泡沫的1 h沉降距和泌水量均得到顯著改善，而大于23%后，雖然穩(wěn)定性仍有提高，但已經(jīng)趨于平緩穩(wěn)定。原因是隨著發(fā)泡能力的不斷提高，泡沫液膜不斷增大而變薄，抗壓能力下降，致使穩(wěn)定性不再明顯提高。所以，濃度大于23%后，再提高AES濃度對(duì)于提高泡沫的穩(wěn)定性并沒(méi)有顯著作用，也就是說(shuō)陰離子表面活性劑活性分子的數(shù)量過(guò)多對(duì)于泡沫穩(wěn)定性的提高將不會(huì)發(fā)揮更好的作用。

綜合考慮發(fā)泡劑的3項(xiàng)性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)因素，選擇AES濃度為23%進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2 AES與K12復(fù)配發(fā)泡劑的泡沫性能

控制AES濃度為23%不變，用K12分別取代30%、40%、50%的AES進(jìn)行復(fù)配，并添加復(fù)配物總質(zhì)量1/7的MPS作為穩(wěn)泡劑。AESGN K12復(fù)配發(fā)泡劑的性能見圖3、圖4。

圖3 AES與K12復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)

從圖3可以看出，隨著K12取代量的增加，發(fā)泡倍數(shù)呈上升趨勢(shì)，當(dāng)取代量為50%時(shí)，發(fā)泡倍數(shù)可達(dá)到45.7倍，在其它取代量時(shí)，發(fā)泡倍數(shù)也都在40倍左右，均符合JG/T 266—2011發(fā)泡倍數(shù)大于20倍的要求。表明以MPS為穩(wěn)泡劑時(shí)，AES與K12進(jìn)行復(fù)配，對(duì)發(fā)泡倍數(shù)稍有提高。

圖4 AES與K12復(fù)配發(fā)泡劑的泡沫穩(wěn)定性

從圖4可以看出，復(fù)配K12后，泡沫穩(wěn)定性得到明顯改善，當(dāng)K12取代50%的AES時(shí)，泡沫穩(wěn)定性最佳，1 h沉降距僅1 mm，1 h泌水量為61 ml。其次是取代量為30%時(shí)泡沫穩(wěn)定性較好，沉降距也只有1 mm，泌水量為69 ml。而取代量為40%時(shí)，效果最差。原因在于AES與K12本身都是表面活性劑，都具有發(fā)泡能力，而且K12具有更高的固含量，活性更高，當(dāng)K12取代30%AES后，溶液中表面活性劑分子數(shù)增加，表面張力減小，氣泡形成后所受液膜壓力降低，排液速度減慢，氣泡保持時(shí)間更長(zhǎng)，因此泡沫穩(wěn)定性提高。當(dāng)取代量為40%時(shí)，由于發(fā)泡能力的不斷提升，氣泡逐漸變大而使液膜變薄，抗外力能力降低，所以此時(shí)的泡沫穩(wěn)定性下降。繼續(xù)將取代量提高到50%時(shí)，發(fā)泡液濃度繼續(xù)升高，高濃度的溶液會(huì)增大體系的內(nèi)黏力，內(nèi)黏力會(huì)束縛氣泡保持一定大小，不至于逐漸增大而破裂，使氣泡受力均衡，達(dá)到一個(gè)新的受力平衡點(diǎn)，所以表現(xiàn)出良好的泡沫穩(wěn)定性。需要說(shuō)明的是，由于K12較低的溶解度，以取代量為50%復(fù)配時(shí)，發(fā)泡劑呈現(xiàn)半渾濁不完全透明的狀態(tài)，在放置2～3 d后，溶液逐漸澄清透明。

綜上所述，以MPS為穩(wěn)泡劑，用K12取代50%的AES時(shí)制得的發(fā)泡劑的泡沫穩(wěn)定性較好。

2.3 AES與AOS復(fù)配發(fā)泡劑的泡沫性能

在AES濃度為23%的情況下，用AOS分別取代30%、40%、50%的AES進(jìn)行復(fù)配，并添加復(fù)配物總質(zhì)量1/7的MPS作為穩(wěn)泡劑，AES與AOS復(fù)配發(fā)泡劑的性能見圖5、圖6。

圖5 AES與AOS復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)

由圖5可以看出，當(dāng)AOS取代量為50%時(shí)，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)最低為30.8倍，而其它取代量的發(fā)泡倍數(shù)變化不大。表明，當(dāng)MPS為穩(wěn)泡劑時(shí)，以AES為基礎(chǔ)復(fù)配一定量的AOS并不能提高發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)，甚至略有降低。這是由于所用AOS具有更高的固含量，用量的增加使活性分子數(shù)過(guò)多，溶液濃度大幅提高，導(dǎo)致發(fā)泡時(shí)克服內(nèi)黏滯阻力所做的功增大，所以發(fā)泡能力略有降低。

圖6 AES與AOS復(fù)配發(fā)泡劑的泡沫穩(wěn)定性

由圖6可以看出，隨著AOS取代量的增加，泡沫1 h沉降距和泌水量先降低后升高，取代量為40%時(shí)，1 h沉降距僅為1 mm，泌水量45 ml，泡沫穩(wěn)定性得到大幅改善。而當(dāng)取代量提高到50%時(shí)，泡沫穩(wěn)定性變差，1 h沉降距為2 mm，而泌水量則高達(dá)81 ml。主要原因是，AOS的活性作用會(huì)降低溶液的表面張力，取代一定量的AES會(huì)使泡沫的穩(wěn)定性提高。而當(dāng)取代量為50%時(shí)，體系的內(nèi)黏力過(guò)低對(duì)泡沫的穩(wěn)定性不能發(fā)揮關(guān)鍵作用，而是由AOS更高的固含量使溶液中AOS的活性分子數(shù)相對(duì)AES分子數(shù)過(guò)多，相對(duì)于低取代量，此時(shí)的2種分子在空間的分布不均勻，氣泡無(wú)法緊密排列形成穩(wěn)定的泡沫結(jié)構(gòu)，同時(shí)因受力的不均衡，使液體從壓力大處向壓力小處排液使泌水量增加，所以導(dǎo)致穩(wěn)定性變差。

綜合分析，以MPS為穩(wěn)泡劑，當(dāng)AOS取代40%的AES進(jìn)行復(fù)配時(shí)可以得到綜合性能良好的發(fā)泡劑。

2.4 不同穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入穩(wěn)泡劑6501替代MPS。通過(guò)對(duì)泡沫性能的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)發(fā)泡倍數(shù)的變化并不明顯，均在40倍左右。

AES與K12復(fù)配時(shí)，2種穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響見圖7、圖8。

圖7 不同穩(wěn)泡劑對(duì)泌水量的影響

從圖7可以看出，在泡沫穩(wěn)定性方面，MPS的穩(wěn)泡效果總體要比6501好。以MPS作為穩(wěn)泡劑制得的發(fā)泡劑1 h泌水量基本可以控制在73 ml以下。而以6501為穩(wěn)泡劑時(shí)，其泡沫的泌水量除了在K12取代量為30%時(shí)低于60 ml，其余取代量時(shí)，泌水量均高于同條件下以MPS為穩(wěn)泡劑時(shí)發(fā)泡劑的泌水量。

圖8 不同穩(wěn)泡劑對(duì)沉降距的影響

從圖8可以看出，以MPS為穩(wěn)泡劑的泡沫沉降距均在3 mm以下，而以6501為穩(wěn)泡劑的沉降距則高于5 mm，最高時(shí)可達(dá)11 mm。

AES與AOS復(fù)配時(shí)，2種穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響，見圖9、圖10。

圖9 不同穩(wěn)泡劑對(duì)泌水量的影響

從圖9可以看出，在AES與AOS的復(fù)配體系中，MPS同樣表現(xiàn)出比6501更好的穩(wěn)泡效果。MPS對(duì)1 h泌水量的作用效果波動(dòng)較大，隨取代量的增加泌水量降低，取代量為40%時(shí)，達(dá)到最低45 ml；隨后當(dāng)取代量提高到50%時(shí)，泌水量大幅度升高。而6501則在AES與AOS復(fù)配體系中對(duì)泡沫泌水量的影響較為穩(wěn)定，相互的差值在10 ml以內(nèi)。

圖10 不同穩(wěn)泡劑對(duì)沉降距的影響

從圖10可以看出，用MPS作為穩(wěn)泡劑時(shí)可以將1 h沉降距控制在3 mm以下，而當(dāng)使用6501作為穩(wěn)泡劑時(shí)，沉降距均在5 mm以上，甚至高達(dá)11.5 mm，不符合JG/T 266—2011標(biāo)準(zhǔn)＜10 mm的要求。

通過(guò)以上對(duì)比分析可以得出，本實(shí)驗(yàn)所用的2種穩(wěn)泡劑在不同的復(fù)配體系及不同的取代量時(shí)其作用效果存在一定差異。但綜合分析表明，穩(wěn)泡劑MPS應(yīng)用于陰離子表面活性劑時(shí)，穩(wěn)泡效果更為明顯，不論在泌水量方面還是在沉降距方面，都表現(xiàn)出更好的作用，其優(yōu)于6501主要依賴于MPS本身良好的黏性，能給氣泡液膜提供更好的彈性，液膜強(qiáng)度提高，從而抵抗外力的能力增強(qiáng)，使泡沫的穩(wěn)定性提高。

2.5 復(fù)合發(fā)泡劑的應(yīng)用

選用AES復(fù)配AOS的方案，以MPS為穩(wěn)泡劑，AES濃度為23%，AOS取代AESR量為40%，作為復(fù)合發(fā)泡劑進(jìn)行泡沫混凝土的試配。試驗(yàn)用P·O42.5水泥，水灰比0.45，采用先制泡，再與水泥漿料混合的方式拌制泡沫混凝土，配合比及相關(guān)性能見表1。

表1 試配泡沫混凝土的配比及物理力學(xué)性能

由表1可見，所選用的復(fù)合發(fā)泡劑在拌制低密度泡沫混凝土過(guò)程中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，拌制的低密度混凝土經(jīng)過(guò)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后也具有較好的力學(xué)性能。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)比單組份AES不同濃度時(shí)的泡沫性能，并考慮經(jīng)濟(jì)成本因素，AES的最佳濃度為23%，此時(shí)的發(fā)泡倍數(shù)為41.8倍，1 h泌水量為102 ml，沉降距為11 mm。

（2）AES與K12復(fù)配時(shí)，用K12取代50%的AES，并以MPS作為穩(wěn)泡劑可以制備出性能優(yōu)異的發(fā)泡劑，發(fā)泡倍數(shù)為45.7倍，1 h泌水量為61 ml，而沉降距僅為1 mm。

（3）AES與AOS復(fù)配時(shí)，用AOS取代40%的AES，MPS為穩(wěn)泡劑，此時(shí)發(fā)泡劑的綜合性能達(dá)到最好，發(fā)泡倍數(shù)為38.8倍，1 h泌水量為45 ml，沉降距為1 mm。

（4）對(duì)于陰離子表面活性劑類發(fā)泡劑，在改善泡沫穩(wěn)定性方面，穩(wěn)泡劑MPS的穩(wěn)泡性能總體上優(yōu)于6501。

（5）將AES，與AOS復(fù)配，以MPS為穩(wěn)泡劑，AOS取代40%的AES時(shí)，制備出的復(fù)合發(fā)泡劑用于產(chǎn)生低密度泡沫混凝土?xí)r，其產(chǎn)品表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。配制出的A03、A04、A05級(jí)泡沫混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別為0.76 MPa、1.22 MPa、1.87 MPa。

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Experimental study of foaming agent of composite

DAI Min，LI Xiu，WEI Zheng，WANG Yu
（School of Materials Science and Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，Liaoning，China）

Choose the anionic surfactant to conduct foaming agent complex research，basing on fatty polyoxyethylene ether sulfate（abbreviated AES），complexed with different dosage of sodium dodecyl sulfate（abbreviated K12）and α-olefin sulfonate（abbreviated AOS），and add the appropriate amount of foam stabilizer formulated into foaming agent of composite.By measuring the foam expansion ratio，sedimentation distance，secretion of water to evaluate the performance of foam blowing agents.The result shows that emulsion silicone-polyether（MPS）as a foam stabilizer，when 40%of the AOS substituted ASE，foaming agents exhibit good stability，foaming ratio of 38.3 times can be achieved.

concrete foaming agent，composite，foam performance

TU528.042.4

A

1001－702X（2015）04－0026-04

2014-06-30；

2014-09-15

戴民，男，1973年生，遼寧營(yíng)口人，副教授。