发泡剂及其泡沫混凝土的研究与应用进展.pdf

杆 建巍粉 中 国 科 技 核 心 期 刊 发泡剂及其泡沫混凝士的研究与应用进展 林辉 ( 无锡市墙材革新和散装水泥办公室， 江 苏 无锡2 1 4 0 2 1 ) 摘要 ： 从泡沫混凝土应用性能出发， 论述了泡沫混凝土发泡剂的基本要求， 概述了发泡剂和泡沫混凝土应用的最新进展， 以及 泡沫混凝土在某些重大工程中的应用 。 关键词 ： 发泡剂： 泡沫混凝土； 应用 中图分类号 ： T U 5 5 1 3 3 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 4 9 0 3 Pr o g r e s s i n r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f f o a m i n g a g e n t a n d f o a m e d c o n c r e t e LI N H以 ( Wu x i Wa l l Ma t e r i a l s I n no v a t i o n & B u l k Ce me n t Of f i c e， Wu x i 2 1 4 0 21 ， J i a n g s u， Ch i n a ) 0 引言 在建筑节能与墙体改革政策的推动下， 泡沫混凝土作为 一 种轻质节能材料， 具有环保节能、 性价比高的特点， 已经得 到越来越多的认知和应用。 对泡沫混凝土综合性能影响的重要指标是泡沫性能。 泡 沫性能主要指发泡剂的发泡能力和泡沫稳定性， 它们影响新 拌混凝土的流动性和浇注体的体积稳定性， 继而影响泡沫混 凝土的密度和强度。因此， 发泡剂是泡沫混凝土的核心技术 之一。 本文主要综述各类发泡剂的性能特点及泡沫混凝土研 究与应用的最新进展。 l 发泡剂的基本要求及其研究进展 从化学成分来看， 发泡剂主要是由 表面活性剂和蛋白质 2大类组成。 它们均具有较高的表面活性， 能有效降低液体的 表面张力， 并且在液膜表面形成双电子层排列， 包围空气后 形成气泡， 多个气泡的聚集最终形成泡沫【1 。 当泡沫被水泥浆 凝固以后， 便形成细密的气孔。从泡沫混凝土的应用性能出 发， 气孔的主要技术要求应体现在以下几个方面2 1 ： ( 1 ) 气孔 必须是封闭性的。 封闭 气孔可以使泡沫混凝土的热导率和传 热系数降低， 因而具有优良的保温隔热性能。( 2 ) 气孔尺寸不 能太大且应大小均匀。 泡沫混凝土的孔径不宜超过 1 m m， 且 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 1 2 4 作 者简介 ： 林辉 ， 男， 1 9 6 5年生 ， 江苏无锡 人， 工程 师， 主要 从事墙体 改革的管理和研究工作。地址 ： 江 苏省无锡市学前街 1 6 8号 6楼 ， 电 话 ： 0 5 1 0 8 5 0 3 3 8 1 1 。 泡沫混凝土强度与孔径成反比。同时， 当气孔大小一致时， 可 以避免受力集中， 从而提高泡沫混凝土的强度。( 3 ) 气孔的形 状应尽可能接近于球形。气孔形状越接近球形，受力就越均 匀， 抗压能力随之增大。 此外， 气孔的 孔隙 率和气孔壁厚也是 影响泡沫混凝土性能的主要因素。 满足气孔以上主要技术要求的泡沫应具有液膜坚韧， 机 械强度高， 不易在水泥浆体挤压下破灭或过度变形的特点。 由 于发泡剂从本质上来说属于表面活性剂，从表面化学和界面 化学角度来看【引 ， 除发泡剂分子结构以外， 发泡剂的泡沫稳定 性是发泡剂应用中值得关注的问题，归纳发泡剂的基本要求 是： ( 1 ) 表面黏度大。当发泡剂表面黏度达到7 0 m P a S 以上时， 就可作为高泡沫发泡剂。( 2 ) 表面弹性好， 表面弹性好的发泡 剂， 能够产生大小均匀且稳定的泡沫。 ( 3 ) 合适的浓度。 当发泡 剂浓度过低时， 液膜受力形变时， 难以自修复； 而当发泡剂浓 度过高时， 液膜强度也较差。 最早问世的混凝土发泡J l U V l n s o l ” ( 文沙) 树脂， 是第一代 表面活性类发泡剂， 属于松香类发泡剂。 其特点是制造工艺简 单，但发泡能力和泡沫稳定性较差，在应用中受到很大的限 制。 通过不同表面活性剂的复配研究， 此类发泡剂的性能已经 取得了很大改善 。 2 0 世纪8 0 年代， 随着表面活性剂工业的 兴起， 第二代合成类发泡剂开始应用。 合成类发泡剂虽然发泡 倍数大， 易起泡， 但是泡径大、 泡壁薄， 需要加稳定剂才能有所 改善。 因此， 真正能够用于泡沫混凝土的合成类发泡剂数量甚 少。 2 0 世纪末， 在国外蛋白 类发泡剂的推动下， 我国进入了以 蛋白类发泡剂为标志的发泡剂的开发应用时期。蛋白类发泡 剂可分为植 物蛋白 和动物蛋白 发 泡剂2 类。 植物蛋白 发泡剂 是以天然高分子材料为原料， 经一系列复杂的化学反应而成， N E W BUI L DI NG MAT E Rl AL S 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 林辉： 发泡剂及其泡沫混凝土的研究与应用进展 属于非离子型表面活性剂。茶皂素发泡剂和皂角类发泡剂是 2 种典型的植物蛋白发泡剂， 研究表明， 茶皂素发泡剂的发泡 能力随浓度的增大而提高， 并具有泡沫的持久稳定性。 皂角类 发泡剂的发泡能力和稳定性受外界条件影响很小， 对使用条 件要求不严格， 且对水质硬度的适合范围很广。 动物型发泡剂 的发泡能力与植物型发泡剂相当， 而稳泡性能更强。 但受制于 原材料资源， 生产规模及应用量远不如植物型发泡剂。 国内对 蛋白类发泡剂进行了较为深入的研究， 例如， 寿延同 以鸡蛋黄 为主原料， 复配稳泡剂， 合成了混凝土发泡剂。它克服了 传统 蛋白类发泡剂原料不足的缺陷。王翠花和潘志华f 7 】 以牛角蹄 为主要原料， 在适量C a ( O H ) 和少量N a H S O 存在下， 合成了 蛋白质型发泡剂，并用几种表面活性剂物质和胶状物质对发 泡剂的泡沫稳定性进行了改性研究。 结果表明， 烷基苯磺酸盐 可以改善泡沫稳定性。当改性剂在发泡液中的添加量为6 7 时， 发泡倍数为 1 6 7 倍， 泡沫稳定时间大于3 h 。 马志瑁等嘲 以 牛角蹄为原料， 合成了性能优良的蛋白 质型发泡剂。 以此发泡 剂为母液， 添加表面活性剂物质进行了复配研究， 考察了发泡 和稳泡的改性效果。结果表明， 十二烷基苯磺酸盐、 十二烷基 硫酸钠和明胶对发泡剂的泡沫性能有不同程度的改善。王梅 和成兰英【9 研究了提取的菜籽粕蛋白 质溶液与不同类型表面 活性剂的改性效果。 结果表明， S D S 和C T A B具有比较明显的 增效作用。其发泡剂在发泡性和稳泡性方面已经超过目 前常 用的市售发泡剂。于水军等【 o l 针对纯蛋白 质类发泡剂生产成 本高、 发泡倍数低等缺点， 选用了牛角粉、 豆饼等为主要原料， 研制了一种复合型蛋白发泡剂。研究表明， 在合适的条件下， 可以得到发泡倍数大于2 8 倍， 稳定时间大于4 5 h ， 泌水量小 于 1 0 m l h 的高性能复合型蛋白发泡剂。 石行波等1 1研究了碱 水解废弃猪蹄角粉的条件，并分别考察了一定量不同类型的 表面活性剂、 明胶和阿拉伯树胶粉的复配结果。 研究表明， 表 面活性剂会降低发泡剂的稳定性， 当明胶加入量为0 1 时， 复配的蛋白质型发泡剂发泡体积可达5 1 0 m L ， 稳定时间高达 3 0 3 h 。 2 泡沫混凝土的应用进展 目前， 饱沫混凝土主要有2 种生产使用方式： 一种是施工 现场生产， 如建筑屋面与地面保温隔热层； 另_种是工厂预制 成为泡沫混凝土砌块或墙板。 2 1 现浇泡沫混凝土 现浇泡沫混凝土是指在施工现场，预先制备好泡沫混凝 土， 再按要求或人工抹平， 自 然养护成型。它的导热系数一般 为0 0 6 0 2 8 W ( m K ) ， 传热阻约为普通混凝土的1 0 2 0 倍。 只需使用水泥发泡机就可实现自 动化作业，可实现垂直高度 5 0 新型建筑材料 2 0 1 3 5 2 0 0 m的远距离输送， 每个工作日可浇注 1 5 0 3 0 0 m 。 现浇泡沫混凝土已经在各类屋面保温隔热或者防水工程 方面得到了应用。上海建工集团l 1 在上海外滩通道综合改造 工程中，针对找平层材料要求承载力不能过重及抗压强度要 满足需要的特殊要求， 采用了现场浇注泡沫混凝土工艺。 通过 发泡剂选择、 配合比和水灰比、 养护、 操作流程等方面的严格 控制， 解决了泡沫混凝土开裂、 坍陷、 表面起皱、 泛砂等问题， 取得了很好效果。王武祥旧 探讨了利用泡沫混凝土生产节能 屋面复合层的方法。 它是在结构层上面现浇泡沫混凝土， 同时 起到保温隔热层、 找坡层和找平层的作用， 然后再在其上面做 防水层。张英等 以3 2 5 复合硅酸盐水泥为胶凝材料， 磺酰 肼类化合物为发泡剂，在河南焦作某小区实施小区屋面保温 工程。 该小区现浇泡沫混凝土保温屋面， 不仅保温层整体性能 良好， 而且可以进行多层组合式施工， 具有较高的社会经济效 益和广阔的市场发展前景。周卫东口 研究了现浇轻质泡沫混 凝土的制备方法和性能， 详细分析了胶凝材料、 泡沫剂等因素 对泡沫混凝土性能的影响程度。 实验发现， 泡沫掺量对泡沫混 凝土的强度和表观密度有重要影响， 泡沫掺量越大， 混凝土中 的孔隙和气泡越多， 密实度降低， 抗压强度也降低。如果在泡 沫混凝土中掺加一定量的减水剂，可以改善泡沫混凝土的性 能。 中国建筑材料科学研究院_1 q 选用特种水泥、 粉煤灰和自制 C C W一 9 5型混凝土泡沫剂和 C C W一 2 0 0 1 型泡沫混凝土专用 缓凝剂， 对山西引黄工程联结段洞穿管回填灌降工程实施了 现浇泡沫混凝土的工程应用。 泡沫混凝土的密度等级为1 2 0 0 k g m ， 采用普通混凝土生产和泵送设备， 一次回填泡沫混凝 土2 2 0 m ， ， 泵送距离2 5 0 m， 回填长度4 0 I n 。 经检验， 泡沫混凝 土基本填满整个洞穿管与隧洞之间的空隙，抗压强度完全满 足2 0 M P a的设计要求。北京城建建设工程有限公司 在盐 城文化艺术中心屋面保温层和找坡层中均采用了现浇泡沫混 凝土， 通过在工程各阶段严格控制泡沫混凝土的配合比， 各项 参数均达到了设计要求。 从使用效果看， 屋面保温层和找坡层 没有发现开裂、 渗漏等质量通病， 保温隔热效果明显， 并且降 低了工程成本， 缩短了工期。 李楠 研制了一种复合防水泡沫 剂和泡沫发生器， 通过对防水泡沫混凝土的自 防水性能、 收缩 特性的 有效改善， 生产出可以 防水隔 热的 泡沫混 凝土， 构造了 一 种集屋面防水和保温于一体的刚柔相济的新型屋面结构。 由于泡沫混凝土具有良好的吸水及保水性能，泡沫混凝 土吸收水分以后会向结构层和防火层提供水源，易造成结构 层渗漏， 这一问题在面层泡沫混凝土保温层中显得更为重要。 潘志华等 在实地调查的基础上， 结合泡沫混凝土的制备工 艺过程、 水泥水化硬化过程的机理特点以 及试验研究结果， 详 细分析了现浇泡沫混凝土常见的质量问题及其对策。提出减 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 林辉 ： 发泡剂及其泡沫混凝土的研究与应用进展 少泡沫混凝土收缩和开裂，进而提高现浇泡沫混凝士防水性 能的技术措施： ( 1 ) 适宜的水泥用量； ( 2 ) 掺加适量的膨胀水泥； ( 3 ) 低的成型水灰比； ( 4 ) 优化养护制度， 加强早期保水； ( 5 ) 使 用防水剂( 掺用或表面修饰) 。 2 2 泡沫混凝土砌块或墙板 泡沫混凝土砌块或墙板，是指在工厂中按设计要求配制 好各种原材料， 搅拌后注入模具， 自然养护或蒸压养护得到不 同形状、 不同功能要求的建筑制品。 国家建筑材料工业技术监督研究中心最新研发的A级 防火泡沫混凝土保温板 以硅酸盐水泥为主要材料， 通过化 学发泡方式制成， 具有轻质保温、 A级防火、 低吸水率、 高粘结 性、 低碳节能和耐久性好等优点。 适用于外墙保温及其防火隔 离带， 满足了建筑节能市场对防火安全保温材料的急迫需要， 被认为是建筑保温的主导产品之一。四川省建筑科学研究院 与成都三沭建材有限公司共同研制了一种泡沫混凝土与混凝 土空心砌块的复合砌块2 1 ， 采用成熟的燕尾槽连接方式， 其传 热系数可以满足“ 夏热冬冷 地区外围护墙体的要求。具有耐 火性好、 使用寿命长等优点， 不但适用于填充外墙， 也可用于 承重外墙，有望解决采用有机保温材料复合墙体的防火性能 问题。 肖力光等 以普通硅酸盐水泥为胶凝材料， 粉煤灰及各 种外加剂为辅料， 经发泡剂发泡， 制备了高掺量粉煤灰泡沫混 凝土砌块， 具有质轻、 强度高， 导热系数小， 抗冻性、 抗碳化性 能高及粉煤灰掺量大的优点。杨久俊等2 3 1 在粉煤灰中分离提 取的比重大于 1 、堆积密度5 0 0 8 7 0 k g m 的厚壁高强微珠， 与水泥和自制无机高分子热聚合物发泡剂预混，制成流态泡 沫混凝土， 在常温、 常压养护条件下， 6 0 0 k g 级抗压强度可以 达到5 7 k P a ， 7 0 0 k g 级可达到 1 0 M P a 以上， 明显高于同级别 的铝粉加气混凝土的强度；而在 8 0 0 1 6 0 0 k g 级达到承重材 料的强度， 具有节能利废、 轻质高强、 隔热保温的特点， 是一种 多功能多用途的新型材料。王武祥 针对混凝土小型空心砌 块热性能较差的缺陷，利用泡沫混凝土填充砌块孔洞来提高 砌块平均热阻。 认为绝干强度为2 4 0 k g m 的泡沫混凝土适宜 作为白 保温砌块填充保温材料，用其砌筑外墙可满足我国夏 热冬冷和夏热冬暖地区节能要求。2 0 0 3 年起， 杭州、 北京、 南 京、 大连等地相继成功开发了陶粒泡沫混凝土实心砌块圜， 已 成功应用于耐久性节能建筑约2 0 0 万1 11 ， 它采用超轻陶粒和 发泡砂浆( 水泥、 粉煤灰、 发泡剂等) ， 经一定工艺制成的实心 类、 中规格砌块产品。根据市场需求， 陶粒泡沫混凝土有不同 规格可供选择。 其突出的优点表现为： 轻质高强、 满足非承重、 承重墙材的自 保温和隔声要求； 收缩率小、 墙体无开裂； 吸水 率低， 避免外墙外抹面或贴面开裂和脱落； 抗冻性好， 尤其适 用于寒冷地区。 3 结语 泡沫混凝土是一种新型建筑材料，它对于我国正在大力 推进的符合生态节能、资源综合利用的建筑材料研究和开发 具有积极意义。 但是， 目前泡沫混凝土开发和应用中还存在一 些问题， 如高效发泡剂及复合外加剂品种偏少， 泡沫混凝土的 强度等还不如人意， 泡沫混凝土的标准和规范尚不够健全。 在 墙体材料改革不断深入， 科学技术不断进步的前提下， 通过泡 沫混凝土研发和应用人员的协同攻关，泡沫混凝土的技术将 日 趋完善， 应用前景将越来越广阔。 参考文献 ： 1 闰振 甲， 何艳君 泡沫混凝土使用生产技术 M 北京： 化学l,l k m, 版社， 2 0 0 6 2 】 刘佳奇， 霍冀川， 雷永林 ， 等 发泡剂及泡沫混凝土 的研究进展 J 】 化学工业与工程 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 ) ： 7 3 7 7 3 肖进新 ， 赵 振 国 表面 活性剂应 用原理【 M 北京 ： 化 学工业 出版 社， 2 0 0 3 4 】 王 正武 ， 李干佑 ， 刘俊 诚 非理想 二元表面活性 剂复配增效 理论 的进一步研究叫 化学物理学报 ， 2 0 0 1 ， 1 4 Z( 4 ) ： 4 2 6 4 3 2 5 周莉 ， 刘波 P E P与 阴离子表面活性剂复配体系泡沫性 能的研究 功能高分子学报 ， 2 0 0 7 ， 2 4( 2 ) ： 1 4 3 1 4 6 6 】6 寿延 鸡蛋 黄水泥 发泡剂 及其轻 质发泡水 泥混凝 土： 中国， 1 0 1 0 5 8 4 9 0 A P 2 0 0 7 1 0 - 2 4 7 】 王翠花 ， 潘志华 蛋 白质类 发泡剂 的合成及其泡沫稳 定性叨 南京 工业大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 4 ) ： 9 2 9 6 【 8 马志瑶 ， 李小云， 马学雷， 等 蛋 白质型混凝土发泡剂 的研究【 J 】 建 筑科学， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 5 ) ： 7 2 7 6 9 王梅， 成兰英 菜籽 粕蛋白质混凝土发泡剂 的制备及性 能 J 】 _ 精细 化工， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 1 ) ： 7 4 8 0 【 1 o J 于 水军， 王玉龙 ， 周俊 伟 ， 等 复 合型动植物 蛋 白发泡剂 的制备 及其性能研究【川 河南理工大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 1 1 ， 3 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化 产物， 粉煤灰颗粒与周围水化产物结合紧密。G F S S 中相比于 水化7 d 和2 8 d ， 水泥水化产物之间致密程度明显改善， 且水 化产物较多。同样可以观察到， 水化9 0 d的2 组水泥混凝土 中， 水化产物仍主要是C S H凝胶、 钙矾石和氢氧化钙等物质， 没有观察到有新物质生成。 5 结语 ( 1 ) 宝钢钢渣骨料应用于混凝土须通过压蒸安定性检测后 确定合理掺量，试验表明转炉滚筒钢渣代砂比例宜控制在 5 0 以内， 电炉热泼渣代碎石比例宜控制在3 O 以内， 压蒸膨 胀率指标合格。 ( 2 ) 经合理配制， 钢渣微粉代2 0 矿粉、 转炉滚筒钢渣代 4 5 砂、 电炉热泼渣代2 5 碎石应用于C 3 0 混凝土， 混凝土体 积稳定性良好； 2 8 d 抗压强度提高4 O ， 2 8 d 抗折强度提高 3 2 4 ， 1 8 0 d 抗压强度提高2 3 2 ， 5 6 d电通量基本持平， 抗 渗等级提高1 个等级， 1 5 0 次快冻法质量损失率持平。 ( 3 ) 混凝土中掺加宝钢钢渣后密度明显增大， 因此， 宝钢 钢渣适用于道路、 地坪、 护岸等工程混凝土。 ( 4 ) 微观分析表明随着龄期延长， 钢渣材料能细化水泥混 凝土内部孔隙、 改善水泥混凝土内部骨料与水泥水化产物之 间的粘结性能， 使得其内部界面结构更为密实， 这有利于混凝 土的力学性能和抗渗等耐久性能。 ( 5 ) 微观分析表明适量钢渣粉、 钢渣细骨料以及钢渣粗骨 料等钢渣原材料应用于混凝土，水化产物仍主要是C S H凝 胶、 钙矾石和氢氧化钙等物质， 无新水化产物生成。 参考文献： 【 1 郭家林 ， 赵俊学， 黄敏 钢渣综合利用 技术 综述及建议f J 中国冶 金， 2 0 0 9 ， 1 2 ( 2 ) ： 3 5 3 8 2 】 金强 ， 贺鸿珠 ， 杨刚 ， 等 宝钢钢渣在混凝土材料中资源 化应用 技 术研究 J 】 宝钢技术 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 1 9 2 2 3 】 涂文懋 ， 魏茂 钢渣显微构造和特性及其在混凝 土中的应用研 究 J 】 _混凝土， 2 0 0 7( 1 1 ) ： 7 7 7 9 4 】 赵 俊 水利保 滩工程 用的钢渣 混凝土性 能研究 J 】 粉煤 灰 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 3 0 3 1 5 白敏， 尚建丽， 张松榆， 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