低密度泡沫混凝土发泡剂的研究.pdf

2 0 1 4 年 6 月第 6 期 城 市道桥 与防 洪 科技研究2 9 7 低密度泡沫混凝土发泡剂的研究 孙萌，陈巧志 ( 天津城 建设计 院有 限公司 ，天津市3 0 0 0 0 0 ) 摘要 ： 为研制 出高 质量泡 沫 以保证低 密度 泡沫混 凝土 的优 良性能 ， 通 过理论 研究确定 发 泡剂种类 ， 以发泡剂 的发泡倍 数 和泡 沫稳定性试验确定发泡剂的最佳用量， 研究结果表明， 动物蛋 白发泡剂最适宜4 0 0 k g m 3 以下的低密度泡沫混凝土 ； 发泡剂溶液 的浓度 在2 5 u ,- j- 发 泡倍数最 高 ， 稳 定性最好 。 关键 词 ： 泡 沫混凝 土 ； 动物 蛋 白发 泡剂 ； 发泡体 积 ； 发泡 倍数 中图分 类号 ： U 4 1 4 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 4) 0 6 0 2 9 7 0 3 0 引言 泡沫混凝土作 为一种低投入 、低 能耗 、高产 出的节能材料 ，导热系数较小 ，并具有一 定 的强 度 ，防水性、耐久性和防火性都非常突出，广泛 用于建筑和工业 中 ，尤其在 近几年 ，还被应用 于 航空军事等尖端领域 。 泡沫混凝土是 由泡沫和浆体两部 分组成 ，正 是 由于泡沫分散于浆体之 间 ，浆体凝 固以后就形 成 了气 泡 ，所 以 ，泡 沫是 泡沫 混 凝 土 的物 质基 础 ，也 是必要 条件l 】 1 。 只有 形成稳定 、细 密 的泡 沫才 能保证 泡沫混 凝土具 有细小 、均匀 的气孔 ， 所以，高质量的泡沫是保证泡沫混凝土具有 良好 性能的首要条件 ，也是研究泡沫混凝土的第一步 。 1 发泡剂种类的选择 1 9 5 0 年后 ，我 国开始出现发泡剂 ，并迅速 发 展 ，先后出现松香类发泡剂、合成类发泡剂 、蛋 白类发泡剂 、复合类发泡剂2 _。 目前 ，这四种发 泡剂在市场上共存 ，并且各 有特点 ，所 以选择 的 过程 中就要根据具体情 况而定 。 1 1 松香 类发泡剂 松香发 泡剂的主要原料 为松香 ，最初是作 为 混凝土 引气剂 引入市场 ，经过一系列 的改造 而扩 展为发泡剂 。主要有松香皂和松香热 聚物 ，这两 类 发泡 剂 的性 能相 似 ，主要 优点 是 发 泡倍 数 较 高 ，缺点是稳 定性不够 ，不 能制备6 0 0 k g m 以下 的泡沫混凝 土 ，而且松香皂类常温下是 固体 ，使 用过程 中需要加 热 ，工艺复杂 ，松香热 聚物 在生 产过程 中需要 用到苯酚 ，具有毒性 ，因而一 直没 有较大的发 展。 收稿 时间 ： 2 0 1 4 0 2 1 9 作者 简介 ： 孙 萌 ( 1 9 8 1 一 ) ， 女 ， 河 北安 国人 ， 工程 师 ， 从 事道 路设计工作。 1 2 合成 类发泡剂 随着 上 世纪 8 0 年代 我 国表 面 活性 工业 的兴 起 ，合成类发泡剂在我国出现并迅速发展 。主要 包括阴离子类 、阳离子类 、两性 离子类 、非离子 类，其中阴离子类由于性能优于其他几种而受到 普遍欢迎 。这种发泡剂发泡速度非常快 ，而且发 泡倍 数也 较 高 ，但是 这种 发 泡剂 形成 的泡沫 是 “ 乳状泡沫” ，稳定性非常差 ，在3 0 分钟 内泡沫就 开始变大 ，进而破灭 。因此只能用于生产高密度 的泡沫混凝土。 1 3 蛋 白类发泡剂 相 比前两种 发泡剂而言 ，蛋 白类发泡剂是前 景较广 阔的一类 。这种发泡剂 的发泡倍数在几种 发泡剂 中居于 中等水平 ，最大 的优势在于稳定性 特别好 ，可 以达到数小时不消泡 。之所 以有如此 好 的稳定性 ，主要是 由蛋 白发泡剂 的发泡机理决 定 的 ，大分子蛋 白质完全水解成小分子 的同时还 有一部分蛋 白质发生不完全水解 ，在不完全水解 的过程中形成了中小分子的混合物 ，这种混合物 在液体 中行成 了具有一定粘度 的胶体溶液 ，其 中 有一部分亲水基团，如羧基、羟基等 ，还有一部 分厌水基 团 ，如烃基 ，这就构成 了分子作用力 的 不对称性 ，从而 降低 了表面张力 ，形成界 面 ，为 产生气泡提供条件 ；另一方面由于这部分混合物 的肽链在界面上展开 ，通过肽键之 间的强作用 力 ，相互交织 ，在界 面上形成一层保护 网 ，使界 面不 易破灭 ，在形成泡沫 的同时又提高 了泡 沫的 稳 定性 _3 1 。所 以 ，蛋 白发 泡剂相对 于其他发泡 剂 而言，稳定性是比较好的，不仅能够制得高密度 的泡沫混凝土 ，也适用于低密度 ，甚 至超低 密度 的泡沫混凝土 。 1 4复合类发泡剂 复合类发泡剂的出现就是将几种发泡剂混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 9 8 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4 年 6 月第 6 期 合，使各种发泡剂取长补短 ，但是复合发泡剂属 于 刚刚起 步 阶段 ，性 能不 够稳 定 ，而 且价 格较 高 ，因此还不能为市场普遍接受 。 由于本试验 中需要制备4 0 0 k g m。 以下 的泡沫 混凝土，所以发泡剂必须具有足够的稳定性，根 据各种发泡剂的性能，经过综合分析，本文采用 市售动物蛋 白发泡剂 ，这种发泡剂 大都是 以动物 蹄脚 、动物血胶 或动物毛发为主要 原料 ，加之各 种表 面活 性剂 和 化学 药 品 ，经加 热 ，使 其溶 解 后 ，再进行稀释 、过滤 、高温脱水 后制成 。颜色 呈棕褐色，有一种腐昧 ，p H 值在7 左右。由于这 种发泡剂 的稳定性特别好 ，可制得 超低密度 的泡 沫混凝土 。 但 由于动物蛋 白发 泡剂 的发泡需要蛋 白质 的 不完全水解才能保证 泡沫质量 的 ，所 以必须在水 解与不水解之间达到一个平衡 ，这就要求发泡剂 的用量和发泡工艺必须达到最佳状态。本试验利 用简易的搅拌器通过 测定泡沫的发泡倍 数 、泌水 量以及稳泡时间对上述两个参数进行探讨 。 表 1 不同浓度 下泡沫体积 和泌水体 积随时 间的变化 泡剂不能充分发挥作用 ，有一部 分发泡剂被 固定 住 ，不 能很好 的发挥作用 。从 蛋 白质 的发泡机理 分析 ，浓度过小的状态，蛋白质在水解过程中产 生 的亲水基 团多于厌水基 团，所 以液体表面 的分 子受到指 向液体 内部 的力较大 ，因此表面张力较 大 ，产 生泡沫较少 ；而浓度过大时 ，则是产生 的 厌水基 团多于亲水基 团，因此产生泡沫较多 。 2 试验原材料及设备 。 ( 1 ) 原材料 ：动物蛋 白发泡剂 、 自来水 。 。0 0 。 ( 2 ) 设备： 磁力搅拌器，电动搅拌器， 量筒， 鐾16 0 电 子 秤 等。 粪 ：4 0。 1 0 0 3 发泡剂最佳用量的确定 3 1 试验过程 ( 1 ) 取 5 0 m L 水放入 标有刻 度 的细长 容器 中 ， 将 发 泡 齐 0 分 别 以 1 5 、2 O 、2 5 、 3 O 、 3 5 五种不 同的浓度加人 。 ( 2 ) 用 玻璃棒 将发泡 剂溶 液搅拌 均匀后 ，放 到磁力搅拌器上开始发泡 ，2 0 rai n 后 ，停止发泡 ， 静置 ，记录发泡体积和泌水体积 。 ( 3 ) 每隔l h 记录泡沫体积以及泌水体积 ，4 h 后，从中挑选发泡剂的最佳用量。 3 2试验结果分析 根据上节 的试验 步骤进 行试 验 ，得到结果见 表1 。 结合图1 和图2 可以看出，浓度小于2 5 时， 发泡体积 随着浓度 的增大而增大 ，浓度大于2 5 时，发泡体积随浓度的增大而减小。这主要是因 为 ，当浓 度 过小 时 ，没 有足 够 的发 泡剂 参 与发 泡，表面张力的减小程度不够，仍然有大部分水 分子不能脱离液体 ，产生气泡 ；而 当浓度过大 时 ，发泡剂过多 ，而蛋 白发泡剂 的粘度较大 ，发 22 0 2 0 0 1 8 0 蠡 1 6 0 羹14 0 1 2 0 1 0 0 图1 各浓 度下泡 沫体 积 随时间的变化 图 1 5 2 2 5 浓度 ， 图 2 各 时 间 段 泡 沫 体 积 随浓 度 的 变 化 图 从 图1 中可 以看 出 ，浓 度对 发泡剂 稳定性 影 响不大 ，这主要是 因为蛋 白发泡剂 本身的稳定性 特别好 ，这也是 与其他发 泡剂相 比最大 的优 点 。 从 微小 的变化来看 ，随着浓度 的增 大 ，稳定 性逐 渐变好。从蛋白质的发泡机理分析，是因为发泡 剂的浓度越高 ，水解 以后产生 的中小分子混合物 就越多 ，而且在液体表面排列 的就越紧密 ，相互 交织后形成的保护网就越坚固，所以，已经产生 的气泡 就很难 突破界 面 ，从而破 裂 。除 此之外 ， 因为随着发泡剂浓度的提高，溶液的粘度也随之 变大，分子之间的作用力就会变大，而且气泡壁 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年6月第 6 期 城市道桥与 防洪 科技研究 2 9 9 也就相应变厚 ，不易破裂 。 图2 中体现 出 的另一个 现象 就是第 一个 小 时 泡沫体积的变化量 比接下来的三个小时都要大 ， 这 就说 明搅拌过后所呈现 的泡沫有 一部分是 “ 虚 泡” ，这部分泡沫由于搅拌时间不足，最容易破 裂 ；还有一个原 因就是搅拌过后 ，液体还没有静 置完 全 ，还 有 一部 分 液体 分 子仍 然悬 浮 在 泡沫 中，增大 了泡沫的体积。 根据试验结果 分析 ，从发泡倍 数和稳定性双 重考 虑 ，2 5 是试验 中所用发泡剂溶液 的最佳浓 度。 4结 论 ( 1 ) 经过对 松香 类类 、合成 类 、动物 蛋 白类 及复合类四种发泡剂性能对 比分析，确定动物蛋 ( 上接 第 2 9 6页) 白类发泡剂最适用 于4 0 0 k g m 以下的低密度泡沫 混凝 土。 ( 2 ) 通过对各 个浓 度发泡 剂 的发 泡倍数 及稳 定性试 验发现 ，浓度小 于2 5 时 ，发泡体积 随着 浓度的增大而增大，浓度大于2 5 时，发泡体积 随浓度 的增大而减小 ，并且浓度对稳定性 的影响 不大 ，综合分析不 同浓度发泡剂的发泡倍数和稳 定性 ，最终选择发 泡剂溶液的最佳浓度为2 5 。 参考 文献 1 李文博 泡沫混凝土发泡剂性能及其泡沫稳定改性研究 D 】 辽 宁大连 ： 大连理 工大学 ， 2 0 0 9 【 2 闰振 甲 ， 何 艳君 泡 沫混 凝 土实用 生产 技 术 M】 北京 ： 化 工 出 版社 ， 2 0 0 6 3 寿 崇琦 ， 康 杰分 ， 宋南 京 ， 等 一 种动 物蛋 白水 泥发 泡剂 的研制 及其复合应用 J 化学建材 ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 3 5 3 7 发生 晶型转变 引起 的吸热峰 ，7 5 0为C a C O 受热 佳掺量为3 。 分解引起【 8 l 。 一 方 面 ， 由于活 性 S i O 与 C a ( O H) 发 生 二 次 反应 ，生成 c s H凝 胶 ，另 一方 面 ， C a 2 + 、S 0 4 2 - 与 活性 A 1 0 ， 反 应 生成 钙矾 石 ，二 者 均 消耗 掉 部 分C a ( O H ) ，所以在D T G 图谱中表现为4 5 0处c a ( O H ) 放热峰强度的降低。 3结论 ( 1 ) 粉磨 使废弃 砂 浆微粉 的颗 粒减小 ，填 充 砂浆中的空隙，另一方面，废弃砂浆中的硅氧四 面体的聚合度不断减小，转变成单体 ，释放出活 性S iO 和A 1 0 ，进行二次反应 ，提高体系的强度 ， 最佳 的粉磨时间为4 0 m i n 。 ( 2 ) N a O H 可以作为碱激发剂提高废弃砂浆微 粉 的活性 ，最佳掺量为3 。当N a O H 与C a S O 按 1： 1 混合作为复合激发剂时，激发效果更佳，最 参考 文献 【 1 俞淑芳 建筑垃圾的综合利用 J 1 国外建材科技 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 2 ) ： 3 7 4 O 2 】 张俊琴 粉煤灰化学活性激发及应用 J 】 甘肃冶金 ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 3) ： 6 5 6 7 【 3 任书霞 ， 要秉文 ， 王长瑞 粉煤灰活性的激发及其机理研究 J 】 粉煤灰 综合利 用 ， 2 0 0 8 ， ( 4 ) ： 5 0 5 2 4 】王复生 ， 杜瑞 臣 ， 孙瑞 莲 ， 等 粉煤 灰 活性 激 发 方法探 讨 f J 1 水 泥 ， 2 0 0 3， ( 2) ： 1 4 1 6 5 杨久俊 ， 张茂亮 粉煤灰活性激发影响因素研究 J 】 _ 粉煤灰综 合利用 ， 2 0 0 7 ， ( 5 ) ： 1 5 1 7 【 6 张美香 ， 马保 国 ， 罗 忠涛 ， 等 激 发剂对 湿排粉 煤灰活性 激发 的 影 响【 J 混凝 土 ， 2 0 0 6 ( 1 2) ： 4 6 5 0 7 方 军 良，陆文雄 ，徐 彩宣 粉煤 灰的活性 激发技术 及机理研 究 进展 【 J 上海 大学学报 ， 2 0 0 2 ， 8 ( 3 ) ： 2 5 5 2 6 0 【 8 舒玲 ， 鲁怡 差热分析在水泥化学研究领域中的应用【 J J 山东 建 材 ， 2 0 0 7 ， ( 1 ) ： 2 3 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m