泡沫混凝土制备及泡沫稳定性研究.pdf

李浩然等 ： 泡沫混凝土制备及泡沫稳定性研究 泡沫混凝土制备及 泡沫稳定性研 究 李浩然 ， 耿飞 ， 卓跃武。 ， ( 1 南京航 空航天大学土木工程 系 南京2 1 0 0 1 6； 陈浩 ， 高培伟 ， 景宪航 ， 杜凌云 2 淮安市力拓建筑科技开发有限公司。 江苏淮安2 2 3 0 0 5 ) 【 摘要】 基于泡沫混凝土的制备工艺流程， 以泡沫制取装置、 搅拌设备 、 养护条件等为主要因素， 研究了其 对泡沫稳定性的影响， 提出了主要技术环节的工艺控制参数， 对提高泡沫稳定性和泡沫混凝土性能具有重要参考 价值。 【 关键词】 泡沫稳定性； 泡沫混凝土； 发泡机 ； 搅拌机 【 中图分类号】 T U 5 2 8 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 0 1 0 3 S T UDY oF F oAM CoNCRETE PREP ARAT I oN AND FoAM S TABI LI T Y LI Ha o r a n ，GENG Fe i ，ZHUO Yu e WU ，CHEN Ha o ，GAO Pe i we i ， J I NG Xi a n h a n g ，D U l i n g y u n ( 1 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i ， N a n j i n g U n i v o f A e ron a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ； 2 H u a i a n L i t u o B u i l d i n g T e c h n o l o g y D e v e l o p m e n t C o ， L t d ， J i a n g s u H u a i a i 1 2 2 3 0 0 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Thi s pa p e r b a s e o n t h e f o a m c o nc r e t e p r e p a r a t i o n pr o c e s s ，t a k e t h e f o a m p r e p a r i n g d e v i c e，mi x i n g e q u i p me n t ，c u r i n g c o n d i t i o n s a s ma i n f a c t o r s ，an d s t u d y t h e i r e f f e c t s t o t h e foa m s t a b i l i t y ， p ut f o r wa r d t h e ma i n t e c h ni c a l a s p e c t s o f the p r o c e s s c o n t r o l p a r a me t e r s ，a n d g i v e v a l ua b l e r e f e r e n c e t o i mp r o v e t h e f o a m s t a b i l i t y a n d the p e rf o r ma n c e o f f o a m c o n c r e Ke y wo r ds ： f o a m s t a b i l i t y；foa m c o n c r e t e；f o a mi ng ma c hi n e；mi x i ng ma c hi ne 泡沫混凝土的优异性能使其在我国保温建材中 获得了越来 越多的开发 与应 用 ， 其性 能与 内部泡 沫 的稳 定性密切相关 。国 内诸 多学者 一 针对 影响 泡 沫稳 定性的不 同因素 ， 提 出 了如 ： 半 衰期 、 粘 度 、 泌水 量等不同的泡沫性能测定指标和方法， 其只是泡沫在 空气 中稳定性 的表 现。实践证 明 ， 泡 沫稳定性 不仅 与 自身的化学组分有关 ， 还受到其制备工艺的影响。同 一 款发泡剂经过不 同发泡设 备制取 的泡 沫 ， 在空气 中 的稳定性能是不同的； 采用不同的混凝土搅拌设备， 泡沫的损失率、 孔径大小和分布也会存 在较大 的差 异。为此， 文中从泡沫混凝土的制备工艺 出发， 着重 研究泡沫制取装置、 搅拌设备、 养护条件等因素对泡 沫稳定性及泡 沫混 凝土性 能 的影 响 ， 提 出相 应 的控制 指标 ， 为实际工程应用 提供 借鉴。 1 泡沫混凝土制备工艺 泡沫混凝土的制备主要是由泡沫制取、 胶凝材料 制备、 泡沫与浆体混合 以及养护成型四个环节构成， 具体工艺流程如图 1 所示。 应当严格控制工艺流程 中的各个环节， 将其对泡 沫造成的损害降到最低， 泡沫在浆体中的分布、 大小、 形状以及稳定时间是制备高性能泡沫混凝土的重要 条件。 发泡机压力值与I l 泡沫的 气液混合比例 r _ 1制备 浆体的 制备 浆体 的流动 度和稠度 - q 拌 合 方 式 、 I 堕旦 墨望鏖 及湿度 l 图I 泡沫混凝土制备工艺中条件的控制 2泡沫稳定性的影响因素分析 2 1 发泡装置的影响 发泡机是能 够将 稀 释后 的发 泡剂 溶 液制 成泡 沫 的设备。国内原有发泡机多是采用较为落后 的高速 搅拌式设备， 这种发泡方式的最大不足在于没有固定 的搅拌速度和时间限制， 效率较低且产生的泡沫上下 基金项目 江苏省六大人才基金( J Z 一 0 1 0 ) ； 南京航空航天大学实验技术研究与开发项 目( 2 0 1 2 年) ； 南航大学生创新训练计划项 目 ( 2 0 1 2 ) 。 体一 浆 合 一 一 与 拌 带 趔 泡 一一 2 低温建筑技术 2 0 1 3年第 1 0期 ( 总第 1 8 4期) 不均匀 ， 孑 L 径分布较广 。随着国外高压空气发泡机 的引入， 国产泡沫混凝土设备也得到了巨大发展 ， 主 要由空压机、 水泵和气液混合装置构成。但是不同发 泡机由于技术参数的差异， 所制出的泡沫稳定性也不 尽相同， 主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 发泡压力。高压空气发泡机的原理是采用 双向施压， 将气液充分混合， 气体压力来 自设备 自带 的空压机； 压力不同会造成气液混合时的比例不同， 进而影响泡壁厚度 ， 对 泡沫稳定 性产生影响 。 当压力过高时， 会造成气液 比例过大， 此时产生 的泡沫由于泡壁太薄 ， 壁表面的活性剂分子减少， 泡 沫弹性降低， 脆性增加， 泡沫表面无光泽。在性能测 定中表现为泌水量较小， 但是沉降距较大； 反之， 当气 液 比例过小时， 泡沫之间的水分较多， 发泡剂没有完 全制成泡 沫 ， 泡 沫密 度较 大 ， 造 成 发泡 剂 的浪 费。此 外 ， 由于泡 沫壁 过厚 会加 速泡 沫 的重力排 液 ， 表面 虽 有光泽 ， 但泌水量较 高。采 用十 二烷基硫 酸钠和有 机 硅稳 泡剂 自制 的发 泡剂 ， 研究 了发泡压力 与泡沫性 能 的关 系 ， 试验结果如 图 2和图 3 所示 。 4 0 籁3 5 3 O 2 5 2 O 1 5 * 麓 苎 发泡压力 MP a 图2 发泡压力与发泡倍数的关系 8 6 I 4西 2 避 0 曼 发泡压力 MP a 图3 发泡压力与泡沫稳定性 的关系 由图 2和图 3可知 ， 随着压力值的升高 ， 泡沫 的发 泡倍数逐渐提高， 但 1 h泌水量和 1 h沉降距表现为先 减小后增大， 最佳发泡压力值应控制在0 4 0 6 MP a 。 需要指出的是， 测定的 1 h泌水量中不仅包括泡沫破灭 时产生 的水分 ， 还包括 泡沫之 间 的发 泡剂水溶 液。所 以 l h泌水量不仅受到发泡剂自身性能的影响， 和发泡 机的压力值也息息相关 。 ( 2 ) 进气管和抽液管 的孔径大小 。在发泡 机压 力值一定的情况下， 要获得最佳的气液比以提高泡沫 的稳定性， 须控制好气体与液体进入发泡机 的速度， 因而应设置合理的进气管和抽液管的孔径比例。 工程应用中为提高施工效率， 所用的发泡机规格 较大， 抽液管的直径一般为2 0 3 0 m m， 单位时间的抽 液量较多。在一次发泡结束后， 机体 内部会残留一定 量的泡沫， 当二次开机发泡时， 后续泡沫会将残留的 顶 出 ， 因此会 发现 前后两 次制 出的泡 沫性 能有差 异 ， 且发泡剂 自身性能越差， 这种差异性就越明显。因 此， 施工中除第一次开机发泡外， 后续发泡时应将残 留部分 的泡沫舍去 ， 以避免影响泡沫的整体稳定性 。 ( 3 ) 气液混合时间。高压发泡机的压力值一般 都在 0 2 M P a以上， 吸人气流的速度较快， 如果气液混 合 时间太短 ， 会造成部分发泡 液被 高速气 流夹带 吹 出 而未形成气泡， 导致泡沫的含水量增大。刘华东等 提出将传统粗短的气液混合装置改装为“ 之” 字形的 发 泡筒 ， 以增加 气液 两相 的混 合时 问和绕 流运 动 ； 国 外高压发 泡机为 改善气 液混合 时 间对泡 沫稳 定性 造 成的影响， 将发泡筒内传统的钢丝球替换成多层孑 L 径 细小 的钢丝 网 ， 增 加泡沫 出机时 的阻力 ， 将 稳定 性较 差、 韧性不足的大气泡过滤掉， 提高泡沫的均匀性和 抗压性 。 2 2 搅拌设备 的影响 由于泡沫混凝土各组成 材料 的密 度不 同， 如果采 用普通重力式的混凝土搅拌设备其搅拌力度较大， 拌 合时剪切力强， 很容易损坏泡沫， 造成实际泡沫用量 与理论用量相差较大； 此外 ， 普通混凝土拌合设备的 叶片大多布局简单 ， 死角较多， 在制备低密度泡沫混 凝土时， 由于胶凝材料用量少， 会使得实际包裹泡沫 的浆体不足 ， 造成 表面 浮泡而最 终 破裂 。因此 ， 搅拌 设备对泡沫在浆 体 中的稳 定性 和泡 沫混凝 土性 能也 具有重要影响。 ( 1 ) 拌合叶片的形状与布局。为了实现对泡沫 混凝 土浆 体充 分、 均匀 和损泡小 的搅拌 ， 拌合 叶 片应 具有 以下两点特征 ： 一是 ， 在拌合 时以揉 和力为 主 ， 剪 切力为辅 ， 同时要具有提浆翻泡 的特殊功 能 ； 二是 ， 在 叶片 的布局上应尽量减少拌合死 角的存在 ， 最 大程 度 地将胶凝材料与泡沫充分混合 。 图4 螺旋式搅拌叶片 图5 立体式梯形搅拌叶片 李浩然等 ： 泡沫混凝土制备及泡沫稳定性研究 3 国外在泡沫混凝土拌合工艺上有较为系统 的研 究 ， 多采用变速螺旋式拌合技术( 如图4所示 ) ， 通过 揉和力和挤压力使浆体和泡沫在损泡率小 的前提下 达到充分混合， 这种机械设计简单， 可操作性强 ； 也有 采用立体式梯形搅拌叶片( 如图 5 所示) ， 通过拌合 时 向上产生的扭阻力使浆体逐渐向上包裹泡沫， 同样达 到拌合均匀、 损泡率小的效果。 ( 2 ) 拌合时间和速度的控制。拌合时间和速度 不仅会影响浆体和泡沫的混合效果 ， 更会对浆体的流 动性造成影响。由于泡沫混凝土设备的搅拌力以揉 和力为主， 不如普通混凝土拌合设备的搅拌力度大 ， 因此在水灰比一定的情况下， 如果拌合的时间和速度 控制不好 ， 很难使浆体达到最佳的流动性， 甚至会出 现 团块或颗粒 的现象。表 1 利用实验室 自制螺旋式搅 拌机， 以0 4 4的水灰 比为例 ， 研究了拌合时间和速度 对浆体流 动性 的影响。 表 1 拌合 时间和速度对 浆体流动性 的影响 m m 从表 1可见 ， 随拌合时间的延长和速度的提升， 浆 体流动度越来越好 ， 当速度为 1 6 0 r m i n时， 拌合时间 为 1 2 0 s 便可达到 0 4 4水灰比下最大的流动度， 此时 的浆体 均匀 、 粘度 适 宜 ， 有 利于 对泡 沫 的包 裹 。以 制 备 4 0 0级泡沫混凝土为例， 研究了拌合时间和速度对 泡 沫稳定 性 的影 响 ， 具体结 果见表 2 。从 表 2可 以看 出， 在泡沫和浆体的混合阶段， 速度过慢 ， 会导致搅拌 时间难以控制； 时间太短 ， 拌合不均匀， 浆体无法充分 包裹泡沫； 时间太长 ， 泡沫在拌合装置中受到的作用 力过于持久 ， 虽然混合均匀， 但会导致损泡严重。反 之 ， 速度过快 ， 在较短时间内就会造成泡沫的大量破 灭 ， 进而影响泡沫混凝土的水灰 比， 使浆体过稀。在 使 用螺旋 变 速 拌 合 装 置 时 ， 拌 合 时 间 应 控 制 在 2 2 5 m i n ， 速度应控制在 8 0l O O r m i n为宜 。 表 2 拌 合时间和速度对泡沫稳定性的影响 2 3 养护条件 的影响 泡沫混凝 土 是多 孑 L 性结 构 ， 水 分 蒸 发较 快 ， 强 度 上升较慢， 低温蒸压养护是泡沫混凝土首选的养护条 件， 但是对于大多数施工和工业生产， 尤其是现浇泡 沫混凝土很难具备蒸压养护的条件。因此， 在泡沫混 凝土浇注完成后， 当室外温度过高时应当在其表面盖 上一层保鲜膜或防水布， 以避免水分蒸发过快而造成 的表面开裂 。 当外界温度过低时 (l O T ； ) ， 浆体初凝时间延 长， 造成与泡沫破灭时间不相匹配 ， 应当将试件放置 温度适宜 的环境或采取太 阳灯等外部加热措施 。 3结语 ( 1 ) 高压空气发泡机的压力值 ， 进气管和抽液 管的孑 L 径大小 ， 气液混 合时 间都会在不 同程度 上影 响 制出泡沫的稳定性， 本研究条件下最佳压力值控制在 0 4 0 6 MP a之 间。 ( 2 ) 泡沫混凝土拌合设备不 同于普通混凝土， 叶片的设计与布局、 搅拌的时间和速度对泡沫在浆体 中的稳定产生至关重要的影响； 在制备 4 0 0级泡沫混 凝土时， 当拌合速度为 8 0 r m i n ， 拌合时间控制在 1 2 0 s 时， 泡沫与浆体的包裹较为均匀 ， 且损泡率较小。 ( 3 ) 泡沫混凝土养护过程 中应控制好养护的温 度和湿度， 既要避免温度过高而造成水分大量蒸发， 也须防止温度过低而造成浆体初凝时间过长。 参考 文献 1 J o n e s M R，Mc C t h y AH e a t o f h y d r a t i o n i n f o a m e d c o n c r e t e e ff e c t o f m i x c o n s t i t u e n t s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 6，3 6： 1 0 3 21 0 3 5 2 张巨松， 扬合。 曾尤国内外泡沫混凝土发泡剂及发泡技术 分析 J 低温建筑技术 ， 2 0 0 1 ， ( 4 )：3 6 3 7 3 高波 ， 王群力 ，周孝德 混 凝土发泡 剂及泡沫 稳定性 的研 究 J 粉煤灰综合利用， 2 0 0 4 ， ( 1 1 ) ： 3 一 l 6 4 李森 兰，王建平 ， 路 长发 ， 等泡沫混凝土发泡剂评价指标及 其测定方法讨 论 J 混凝土 ， 2 0 0 9 ， ( 1 0 ) ：1 3 5 闰振甲， 何艳如 泡沫混凝土时用生产技术 M 北京： 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 6： 8 1 8 7 6 刘华东一种新型发泡机的研制及性能检测 D 四川： 西 南科技大学 ， 2 0 0 8 ： 2 2 2 3 收稿 日期 】 2 0 1 3 0 7一O 1 作者简介】 李浩然 ( 1 9 8 7一) ， 男 ， 河 南汝南人 ， 硕 士研究生 ， 研究方 向： 高性能轻质材料。