混凝土發(fā)泡劑及泡沫穩(wěn)定性的研究

摘　要: 介紹了混凝土發(fā)泡劑的發(fā)展概況, 分析了發(fā)泡劑泡沫的穩(wěn)定性, 闡述了發(fā)泡劑的性能優(yōu)劣是影響發(fā)泡混凝土生產(chǎn)的關(guān)鍵, 而其自身性質(zhì)和摻入方式都對混凝土性能產(chǎn)生較大影響。
關(guān)鍵詞: 發(fā)泡劑; 泡沫; 穩(wěn)泡劑
( The powder material engineering research centre ,Xian Univerisity of Science and Engineering , Xian 710048 China)
Abstract : 　The general situation of foaming agent of concrete was introduced and the stability of foam was analyzed in this paper. It was discussed that the foaming agent is the key of producing foaming concrete and the quality and mode of mixing into concrete affect the properties of concrtete greatly.
Key words : 　foaming agent ; 　foam; foam stabilizing agent
1 前　　言
發(fā)泡混凝土通常是用機(jī)械方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫,再將泡沫加入到含硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、水及各種外加劑等組成的料漿中,經(jīng)混合攪拌、澆注成型、養(yǎng)護(hù)而成的一種內(nèi)部含有大量封閉氣孔的“密孔”混凝土。生產(chǎn)發(fā)泡混凝土的關(guān)鍵是配制發(fā)泡劑。能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)很多,但并非所有能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)都能用于發(fā)泡混凝土生產(chǎn)。只有在泡沫和料漿混合時薄膜不致破壞,具有足夠的穩(wěn)定性,對膠凝材料的凝結(jié)和硬化不起有害影響的發(fā)泡劑,才能用來生產(chǎn)輕質(zhì)發(fā)泡混凝土[1].目前,我國的混凝土發(fā)泡劑功能少、產(chǎn)量低,所產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性、均勻性、分散性都不理想。而發(fā)泡劑又是生產(chǎn)輕質(zhì)發(fā)泡混凝土的關(guān)鍵,因此有必要對發(fā)泡劑進(jìn)行系統(tǒng)的認(rèn)識和研究。
2 發(fā)泡劑介紹
發(fā)泡劑種類很多, 其中多為陰離子表面活性劑。目前, 國內(nèi)發(fā)泡劑品種主要有[2 ]松香膠發(fā)泡劑、廢動物毛發(fā)泡劑、樹脂皂類發(fā)泡劑、水解血膠發(fā)泡劑、石油磺酸鋁發(fā)泡劑等。我國發(fā)泡劑總體上說不夠理想,功能偏少, 盡管有些發(fā)泡倍數(shù)大, 但穩(wěn)定性差、制品強(qiáng)度不高。日本、意大利的發(fā)泡劑多為蛋白質(zhì)類, 質(zhì)量好。我國也有以動物蛋白為主要原料的發(fā)泡劑, 其發(fā)泡倍數(shù)及穩(wěn)定性較好, 但因原料來源有限, 生產(chǎn)成本高, 開發(fā)與應(yīng)用受到制約。
發(fā)泡劑生成泡沫的質(zhì)量以堅(jiān)韌性、發(fā)泡倍數(shù)、泌水量等指標(biāo)來衡量。泡沫的堅(jiān)韌性就是泡沫在空氣中在規(guī)定時間內(nèi)不致破壞的特性, 常以泡沫柱在單位時間內(nèi)的沉陷距來確定。發(fā)泡倍數(shù)是泡沫體積大于發(fā)泡劑溶液體積的倍數(shù)。泌水量是指泡沫破壞后所產(chǎn)生發(fā)泡劑水溶液的體積。表1 為常見發(fā)泡劑的性能[3 ] 。
表 1 常見發(fā)泡劑的性能

發(fā)泡劑品種與濃度	十二烷基苯磺酸鈉		松香皂		松香熱聚物		動物毛發(fā)
發(fā)泡劑品種與濃度	0.5%	1%	1%	2%	1%	2%	2%	3%
發(fā)泡倍數(shù)	27	32	28	29	25	26	20	22
1h泌水量/ml	150	140	120	110	140	120	60	40
1h沉陷距/mm	50	38	34	29	38	33	8	5

3 發(fā)泡劑泡沫性質(zhì)研究
3. 1 　泡沫的形成
基于表面張力作用, 液體表面有自動縮小的趨勢,因而純靜液體經(jīng)攪拌后并不能產(chǎn)生大量泡沫。在純凈液體中, 兩個氣泡相碰就會毫無阻礙地結(jié)合在一起, 最后氣泡全部破裂。但如果在液體中溶解一種能降低氣- 液界面張力的物質(zhì), 使之形成在組成上與其他液體有區(qū)別的且有一定機(jī)械強(qiáng)度的臨界層, 那么兩個氣泡相碰時, 這種臨界層便可作為“緩沖層”防止氣泡破裂。發(fā)泡劑因其分子結(jié)構(gòu)的不對稱性, 能聚集在氣- 液界面上, 降低表面張力, 提高膜的機(jī)械強(qiáng)度, 形成“緩沖層”, 因而在純凈液體中加入發(fā)泡劑后用攪拌、混合、吹入、噴射等機(jī)械方法將氣體帶入發(fā)泡劑液體中就能制得泡沫。
3. 2 　泡沫的穩(wěn)定性及影響因素分析
所謂泡沫的穩(wěn)定性是指生成泡沫的持久性, 即泡沫存在“壽命”的長短。這包括兩個方面: 一是泡沫自身的持久性, 由發(fā)泡劑的質(zhì)量來決定; 二是泡沫在外界環(huán)境中以及和混凝土料漿混合時能保持不破滅的性能, 它不僅和其自身性能有關(guān), 也取決于外界因素的影響?，F(xiàn)從幾個方面來闡述泡沫的穩(wěn)定性。
3. 2. 1 　泡沫自身的穩(wěn)定性由于氣體和液體的密度相差很大, 所以液體中的氣泡總是很快上升至液面, 形成以少量液體構(gòu)成的液膜隔開氣體的氣泡聚集物, 即泡沫。泡沫不穩(wěn)定, 會很快發(fā)生衰變, 目前普遍認(rèn)為有兩個方面的原因: 泡沫中液體的析出和氣體穿透液膜擴(kuò)散。
泡沫中液體的析出　泡沫中液體的析出是氣泡相互擠壓和重力作用的結(jié)果。氣泡擠壓主要來源于曲面壓力。泡沫中各個氣泡互交處形成所謂Plateau 邊界 (見圖1) 。根據(jù)Laplace 公式, 可以導(dǎo)出PB - PA =σ/ R (式中: PA 為A 處的液膜壓力, PB 為B 處的液膜壓力,σ為表面張力, R 為氣泡半徑) 。液膜中A 處的壓力小于B 處的壓力, 于是, 液體會自動地從B 處流至A 處, 結(jié)果是液膜逐漸變薄[4 ] 。
另一種排液過程是液體因重力而下降, 使膜逐漸變薄。這種情況僅在液膜較厚時才比較顯著, 液膜變薄至一定程度, 便導(dǎo)致破裂。
氣體透過液膜擴(kuò)散　無論用何種方法產(chǎn)生的泡沫,其大小總不是完全均勻的。由于彎曲液面附加壓力的作用,小泡內(nèi)的氣體壓力總是高于大泡,因而氣體自高壓的小泡透過液膜,擴(kuò)散到低壓的大泡中去,造成小泡變小直至消失,大泡變大,最終導(dǎo)致氣泡破裂。
圖1　Plateau邊界
從以上兩方面可以看出, 泡沫自身的穩(wěn)定性主要取決于液體析出的快慢和液膜的強(qiáng)度, 而增大溶液的粘度恰恰可以解決這兩方面的問題。如果液體本身的粘度較大, 則液膜中的液體不易排出, 液膜厚度變小的速度較慢, 因而延緩了液膜破裂的時間,增加了泡沫的穩(wěn)定性, 同時也使泡沫具有一定的“彈性”。對此,一般可加穩(wěn)泡劑以達(dá)到目的。
3. 2. 2 　外界環(huán)境因素對泡沫穩(wěn)定性的影響　壓力和氣泡大小的分布　泡沫在不同壓力下穩(wěn)定性不同, 一般是壓力越大, 泡沫越穩(wěn)定。這是因?yàn)榕菽|(zhì)量一定時, 壓力越大, 泡沫半徑越小; 膜的面積越大, 液膜變得越薄, 排液速度越低。排液半衰期T1/ 2與氣泡直徑d 的關(guān)系為: T1/ 2 = 580ηh/ pgd2Vtf (式中:η為液相粘度, h 為泡沫柱最初高度,ρ為液相密度, Vtf為泡沫最初液體分?jǐn)?shù), g 為重力加速度) 。因?yàn)闅馀荽笮〔痪鶆? 此式只能定性地說明某些變量之間的關(guān)系。也有人認(rèn)為, 泡沫穩(wěn)定性與壓力的關(guān)系是氣相中非凝析成分隨壓力增高而增加的結(jié)果。Monsalve從理論上闡明, 單位時間內(nèi)泡沫泡數(shù)的減少與最初氣泡大小分布頻率有關(guān)。氣泡分布越窄、越均勻, 泡沫越穩(wěn)定。因此, 要獲得穩(wěn)定泡沫, 應(yīng)盡量使泡沫的氣泡半徑分布窄一些。
溫度的影響　溫度對泡沫的影響也較大。一般情況下, 泡沫穩(wěn)定性隨溫度升高而下降。低溫時, 當(dāng)泡沫液膜達(dá)到一定厚度時, 泡沫就呈現(xiàn)亞穩(wěn)狀態(tài), 當(dāng)溫度特別低時, 將直接影響發(fā)泡倍數(shù); 高溫時, 泡沫的破滅由泡沫柱頂端開始, 泡沫體積隨時間增長呈規(guī)律性減小。這是由于在最上面的液膜上側(cè), 總是向上凸的, 這種彎曲膜對蒸發(fā)作用很敏感, 溫度越高蒸發(fā)越快, 膜變薄到一定厚度時就破裂了, 因此大多數(shù)泡沫在高溫下是不穩(wěn)定的。
混凝土料漿的影響　泡沫最終要和料漿進(jìn)行混合攪拌, 在此過程中, 料漿中成分的顆粒形貌對泡沫的穩(wěn)定性也有重要影響(見圖2) 。料漿中顆粒(粉煤灰、細(xì)砂等) 形狀均勻, 表面圓滑, 則和泡沫接觸時可以認(rèn)為是兩個圓球的“面面接觸”, 這樣泡沫本身的“機(jī)械強(qiáng)度”和“彈性”特征可能很好發(fā)揮,不致產(chǎn)生應(yīng)力集中,有利于泡沫穩(wěn)定;若顆粒形狀各異,棱角分明,則接觸時為“點(diǎn)面接觸”, 這必然會刺傷泡沫, 產(chǎn)生應(yīng)力集中, 從而導(dǎo)致泡沫破裂。圖2　泡沫和不同顆粒形貌接觸
另外, 泡沫最終在混凝土料漿中形成“密孔”, 時間越長, 泡沫破裂的可能性越大。所以,盡快促使發(fā)泡混凝土凝結(jié)硬化是提高其穩(wěn)定性的另一途徑, 一般可使用早強(qiáng)硅酸鹽水泥或添加早強(qiáng)劑來達(dá)到目的。
從以上論述可以看出, 影響泡沫穩(wěn)定性的因素,不僅和其自身的性質(zhì)有關(guān), 而且也與外界環(huán)境有關(guān),只有在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)選擇合適方法來獲得穩(wěn)定泡沫。
4 　發(fā)泡劑的使用
4. 1 　穩(wěn)泡劑的作用
在發(fā)泡劑使用中, 穩(wěn)泡劑起著不容忽視的作用。發(fā)泡劑往往和穩(wěn)泡劑復(fù)配使用。穩(wěn)泡劑一般為膠類物質(zhì)。膠類分子在水溶液中, 可使其溶液在流動時產(chǎn)生較大的內(nèi)部磨擦, 使溶液有較高的粘度。正因?yàn)槟z使液體的粘度增加, 這便增加了泡沫的液膜粘度, 一則增加液膜表面強(qiáng)度, 另則使液膜二表面膜臨近的液體不易排出(因表面粘度大, 表面臨近, 液體也不易流動) , 液膜厚度變小的速度較慢, 因而延緩了液膜破裂時間, 增加了泡沫的穩(wěn)定性。另外, 加入穩(wěn)泡劑后溶液的起泡高度略小于不加膠時溶液的起泡高度。這主要是因?yàn)槿芤赫扯仍黾? 增大單位表面積的功也增大, 在做同樣功的情況下, 增大的表面積減小, 因而起泡高度減小。
從表2 可以看出, 發(fā)泡劑加入穩(wěn)定泡劑, 其發(fā)泡倍數(shù)明顯降低, 但穩(wěn)定性卻顯著提高[3 ] 。
表2　常見穩(wěn)泡劑的性能

項(xiàng)目	十二烷基苯磺酸鈉1%
穩(wěn)泡劑及濃度	尼納兒			動物膠
穩(wěn)泡劑及濃度	0.5%	1%	2%	1%	2%	3%
發(fā)泡倍數(shù)	19	16	13	21	18	12
1h泌水量/ml	110	80	60	110	90	80
1h沉陷距/mm	30	20	16	25	18	13

4. 2 　發(fā)泡劑摻入混凝土的合理方法
在工業(yè)生產(chǎn)中, 發(fā)泡劑摻入混凝土的方式不同,對混凝土性能會有較大影響。
泡沫摻入混凝土中, 即在混凝土中形成大量封閉的小孔。而孔結(jié)構(gòu)影響混凝土性能的三個最主要因素是孔的形狀、孔隙率和孔徑分布。眾所周知, 混凝土中氣孔的形狀越圓滑, 受力越均勻, 越不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中, 對混凝土強(qiáng)度就越有利。隨著混凝土孔隙率增加, 混凝土強(qiáng)度降低, 在相同孔隙率下, 平均孔徑越小, 混凝土強(qiáng)度越高[5 ] 。另外, 在發(fā)泡混凝土中,孔徑大于1mm 的孔即屬于有害孔, 它對混凝土的力學(xué)性能將產(chǎn)生極為不利的影響。因此孔徑大于1mm的孔的多少, 對發(fā)泡混凝土的力學(xué)性能具有很大的影響。所以, 進(jìn)入混凝土的泡沫要盡量具備高堅(jiān)韌性、均勻性、分散性和小孔徑性, 如何將泡沫制成均等的孔型、孔徑非常關(guān)鍵。
在混凝土中摻入泡沫時, 泡沫必然產(chǎn)生大量損失。“為了獲得理想的氣孔含量或特定的混凝土容重,許多情況下, 需要加入理論計算量的2～3 倍的泡沫[6 ]”。這就涉及到發(fā)泡劑的摻入方式。發(fā)泡劑的摻入方式有兩種[8 ] : 一種是在混凝土拌和物中摻入發(fā)泡劑, 使之在攪拌過程中自然發(fā)泡; 另一種是在分離的裝置中預(yù)先把發(fā)泡劑制成泡沫, 再摻入混凝土拌和物中。前者在混凝土中的氣孔含量具有明顯的變化, 難以控制; 后者雖多一道工序, 卻可以攪拌出質(zhì)量相對較高的泡沫。
目前國內(nèi)制泡技術(shù)主要采用高速攪拌機(jī), 即是將發(fā)泡劑溶液倒入高速攪拌機(jī)中, 然后用攪拌機(jī)的高速葉片攪拌發(fā)泡劑制取泡沫。國外制取發(fā)泡混凝土的泡沫多為壓縮空氣, 讓發(fā)泡劑溶液和壓縮空氣在混合室內(nèi)混合, 然后在壓縮空氣作用下, 穿過一個特制的發(fā)泡筒, 發(fā)泡筒內(nèi)有的采用磁片,有的采用玻璃球, 有的采用銅網(wǎng)。兩種發(fā)泡工藝比較, 壓縮空氣發(fā)泡設(shè)備比高速攪拌機(jī)稍復(fù)雜一些。壓縮空氣發(fā)泡, 一方面發(fā)泡效率較高, 能將發(fā)泡劑溶液完全吹制成泡沫, 通過發(fā)泡筒后其泡徑均勻; 另一方面可將泡沫直接吹入攪拌好的料漿中, 減少中間環(huán)節(jié), 能更好地防止中間環(huán)節(jié)導(dǎo)致的泡沫破滅。高速攪拌機(jī)發(fā)泡, 其上下泡徑不均, 發(fā)完的泡沫須經(jīng)中間設(shè)備倒入攪拌好的料漿中,中間環(huán)節(jié)會導(dǎo)致部分泡沫破滅[8 ] 。從生成的泡沫質(zhì)量方面和最終混凝土質(zhì)量方面考慮, 建議選用第二種方法。
5 　結(jié)　　論
5.1 發(fā)泡劑是制備發(fā)泡混凝土的關(guān)鍵, 它的好壞直接決定著混凝土的質(zhì)量。
5.2 泡沫的穩(wěn)定性取決于多種因素, 為保證泡沫穩(wěn)定, 發(fā)泡劑常和穩(wěn)泡劑復(fù)合配制使用。
5.3vv發(fā)泡劑生成的泡沫最終在混凝土中形成的孔形結(jié)構(gòu)會對混凝土性能產(chǎn)生較大影響, 孔徑越小, 孔形越圓, 孔分散越均勻, 混凝土的性能越高。為得到均勻、細(xì)小的密閉圓孔, 須選擇合理的發(fā)泡劑摻入法。
5.4 盡快研制出性能良好、價格適宜的發(fā)泡劑, 將大大推動我國發(fā)泡混凝土的應(yīng)用。
參　考　文　獻(xiàn)
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