化学发泡泡沫混凝土中硬脂酸钙稳泡能力及其影响因素.pdf

钎 建魄 粉 中 国 科 技 核 心 期 刊 化学发泡泡沫混凝士中硬腊酸钙 稳泡能力及其影晌因素 刘川 ， 王智 ， 熊凤鸣 ， 王艳茹 ( 1 重庆大学 化学化 工学 院， 重庆4 0 0 0 4 4 ： 2 重庆思贝肯节能技术开发有 限公司， 重庆4 0 1 3 2 9 ) 摘要 ： 在化学发泡方法制备干密度小于3 0 0 k g m ， 的泡沫混凝土保温材料的研究中， 通常选用硬脂酸钙作为化学发泡的稳泡 剂。 目前衡量表面活性剂稳泡能力的方法均要求被测试的对象溶于水， 这为评价硬脂酸钙稳泡能力带来了一些困难。 设计了一 一 种实 验方法 ， 研究 了化学发泡泡沫混凝土中硬脂酸钙稳泡的能力及其影 响因素 ， 用 时间 t 。 衡量硬脂酸钙 的稳泡 能力 ， 对评价不溶 于水 的 表面活性剂 的稳泡能力有一定参考作用。 关键词： 化学发泡； 泡沫混凝土； 硬脂酸钙； 稳泡能力 中图分类号： T U 5 2 8 2 ； T U 5 5 1 3 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 4 ) 1 0 0 0 8 1 0 4 F o a m s t a b i l i z i n g a b i l i t y o f c a l c i u m s t e a r a t e i n c h e mi c a l f o a me d f o a m c o n c r e t e a n d i t s i n fl u e n c i n g f a c t o r s L I U C h u a n ， W A N G Z h i I , X I O N G F e n g r a i n f， W A N G Y a n r u ( 1 S c h o o l o f Ch e mi s t r y a n d Ch e mi c al I n d u s t r y， Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y ， Ch o n g qi n g 4 0 0 0 4 4， Ch i n a 2 Ch o n g q i n g S i b e i k e n En e r g y S a v i n g Te c h n o l o g y De v e l o p me n t Co Lt d ， Ch o n g q i n g 4 01 3 2 9， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h e c h e mi c a l f o a mi n g p r o c e s s t o p r e p a r e i n s u l a t i o n f o a m c o n c r e t e w i t h t h e d e n s i t y l e s s t h a n 3 0 0 k g m 。 ， c a l c i u m s t e a r a t e i s u s u a l l y c h o s e n a s f o a m s t a b i l i z e r Ho we v e r ， c alc i u m s t e a r a t e i s wa t e r i n s o l u b l e a n d o n l y t h e wa t e r s o l u b l e foa m s t a b i l i z e r s a r e r e g u l a t e d b y t h e s t a n d a r d me t ho d s Th e r e f o r e ， t h i s p a pe r i n v e n t e d a ne w me t h o d t o t e s t t h e f o a m s t a b i l i z i n g a bi l i t y o f c a l c i um s t e ar a t e I n t h e e x p e r i me n t s ， t h e f a c t o r s a f f e c t i n g t h e f o a m s t a b i l i z i n g a b i l i t y we r e r e s e a r c h e dT h e t i me l i s c h o s e n t o e v a l u a t e t h e f o a m s t a b i l i z i n g a b i l i t y o f c alc i u m s t e a r a t e ， p r o v i d i n g c e r t a i n r e f e r e n c e i n e v alu a t i n g t h e f o a m s t a b i l i z i n g a bi l i t y o f wa t e r i n s o l u b l e foa m s t a b i l i z e r s Ke y wor ds ： c he mi c al f o a mi n g p r o c e s s ： f o a m c o n c r e t e； c Mc i u m s t e a r a t e ； foa m s t a b i l i z i n g ab i l i t y O 前言 泡沫混凝土是在水泥浆或水泥砂浆中引入适量微小气 泡， 搅拌均匀后再浇注硬化而成的一种内部含有大量密闭气 孔的多孔型混凝土1 l _ 。泡沫混凝土作为兼具保温、 防火、 隔声、 耐久性好、 成本低廉等特性的无机材料， 广泛应用于建筑保 温节能工程， 特别是低密度( 密度在3 0 0 k g m s 以下) 泡沫混凝 土应用于建筑围护结构作为保温层， 其优势日益凸显， 是未 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 3 1 3 作者简介 ： 刘川， 男， 1 9 8 7年生， 重庆人， 硕士。 地址 ： 重庆市沙坪坝区沙 正街 1 7 4号 重庆大学 B区实验大楼 4 0 4实验室， E - m a i l ： 4 1 8 5 2 5 8 8 0 q q c o m 来保温节能领域一个可供选择的发展方向。 低密度泡沫混凝土既可使用物理发泡也可使用化学发泡 方式制备。化学发泡泡沫混凝土通过镁、 双氧水、 氨和电石等 物质发生化学反应在新拌料浆中产生气体， 在浆料凝固时， 气 孔被固定形成多 孔轻质材料圜 。 李应权等 31研究表明， 在绝干密 度小于3 0 0 k g m 的低密度泡沫混凝土保温材料制各中， 化学 发泡较物理发泡具有更大的优势。利用化学发泡制备的低密 度泡沫混凝土外墙保温材料强度高、 闭孔率高、 热工性能好。 徐文等嗍 通过化学方法制备轻质泡沫混凝土， 分析了其结构形 成机理， 研究了发泡剂、 激发剂、 稳泡剂、 料浆稠度与凝结时间 及工艺条件等因素对性能的影响。 通过优化选择， 得到了干密 度小于 3 0 0级、 性能优良的泡沫混凝土 其抗压强度为0 _4 M P a ， 导热系数为0 0 6 w ( m K ) 。蔡娜圈 利用化学发泡方式， N E W BUI L DI NG M ATE RI A L S 8l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘川， 等： 化学发泡泡沫混凝土中 硬脂酸钙稳泡 g hcL其影响因素 以合理的配比及最佳工艺条件制备的改性发泡硅酸盐水泥保 温板的密度为2 7 9 k g m 。 ， 2 8 d 抗压强度为0 5 1 M P a ，导热系 数为0 0 6 8 w ( m K ) ， 质量吸水率为4 8 。赵春新和张智强网 采用 化学 发泡方法， 分别研究了 水灰比、 调凝剂、 料浆温度、 发 泡剂掺量、 稳泡剂掺量、 搅拌速率、 搅拌时间等主要因素对泡 沫混凝土性能的影响。制备的水泥泡沫混凝土的干密度为 2 9 4 k g m 。 ， 2 8 d 抗压强度为0 8 4 8 M P a ，导热系数为0 0 6 9 W ( m K ) 。 在利用化学发泡方法制备干密度小于3 0 0 k g m 的泡 沫混凝土保温材料研究中，研究者通常选用硬脂酸钙作为化 学发泡的稳泡剂同 。硬脂酸钙 c r t ( C H z ) 1 6 C O O 2 C a 为白色粉 末， 相对分子质量6 0 7 0 2 ， 不溶于水、 冷乙醇和乙醚。目 前， 衡 量表面活性剂稳泡能力的方法均要求被测试的对象溶于水， 这为评价硬脂酸钙为稳泡能力带来了一些困难。本文以双氧 水作为化学发泡剂， 选用硬脂酸钙作稳泡剂， 设计出一种实验 方法研究了化学发泡泡沫混凝土中硬脂酸钙的稳泡能力及其 影响因素。用时间t 衡量硬脂酸钙的稳泡能力， 同时对评价 不溶于水的表面活性剂的稳泡能力有一定参考作用。 1 试验设备和原材料 1 1 试验原材料 拉法基P 0 5 2 5 R水泥； 重庆珞璜电厂 级粉煤灰( 4 5 m 方孔筛筛余不大于 1 2 ) ； 重庆市售硅灰； 稳泡剂： 硬脂酸钙， 等品， 工业级； 发泡剂： 双氧水， 2 7 5 浓度工业纯， 市售。 1 2 试验仪器 2 0 0 0 m l 量简7个； 1 0 0 0 m l 量杯3 个； G F J 一 1 1 搅拌、 分 散多用搅拌机， 搅拌速度可控制； 水泥砂浆稠度漏斗。 2 试验结果与讨论 2 1 化学发泡中硬脂酸钙稳泡能力的试验 化学发泡形成的气泡不同于物理发泡，用表面活性剂制 成的气泡在空气和料浆中的稳定性均不及后者， 因此， 在保证 料浆合适硬化速率的同时，掺加一定量的稳泡剂使以化学发 泡方法生成的气泡稳定存在于料浆中， 避免逸出或并泡。 物理 发泡和化学发泡所用的稳泡剂机理类似，稳泡剂的作用主要 为： 能增大发泡体系的整体黏度， 提高液膜的机械强度， 提高 泡沫液膜的弹性， 使液膜能够更好地经受外力而不破裂； 调整 液膜的排液速度， 增强液膜的自 我修复能力， 提高气泡液膜双 电层分子排列密度， 加大分子间相互作用， 使气泡不溶于水、 更加细小、 分布更加均匀。 以上作用中， 稳泡剂具备的性能越多， 稳泡性能也越好8 1 。 硬脂酸钙作为一种表面活性剂，不仅对水泥基材料强度的影 响很小， 同时能使气泡不溶于水， 可提高泡沫液膜的弹性和机 8 2 新型建筑材料 2 0 1 4 1 0 械强度， 使液膜能够更好地经受外力而不破裂。 目 前，常用评价泡沫发泡以及稳泡能力的方法有很多， 我国将 G B T 7 4 6 2 -1 9 9 4 表面活性剂发泡力的测定 改进 R o s s M i l e s 法 作为表面活性剂发泡力的测试标准， 但也有一 些研究单位根据自己的研究成果，采用自己的技术及测试方 法。南京工业大学王翠花和潘志华t9 1m搅动来测试溶液的起 泡能力。 这些试验方法虽然很好， 但是不能评价不溶于水的表 面活性剂的稳泡能力。 本试验中的稳泡剂硬脂酸钙不溶于水， 因此， 不能按照这些试验方法进行研究。 化学发泡中通常会掺一定量的活性掺合料，既可调节浆 体的稠度， 又能降低水化热， 提高混凝土后期强度。 因此， 在研 究稳泡剂硬脂酸钙稳泡能力的试验中尝试加入一定量的掺合 料， 让不溶于水的硬脂酸钙能均匀分散在浆体中。 常用的掺合 料有粉煤灰、 硅灰等。本实验选择粉煤灰作为掺合料， 一方面 是因为粉煤灰比表面积小， 吸水量低， 吸附于容器壁的量少， 另一方面是因为粉煤灰的细度目 数与水泥接近，更能模拟稳 泡剂在水泥浆体中的实际环境。 为了贴近生产、 更真实可靠， 物 料比参照重庆某公司发泡保温水泥板的生产用配合比： m ( 水 泥) ： m( 水) ： m( 双氧水) ： m( 粉煤灰) ： m( 硅灰) ： m( 硬脂酸钙) = 1 ： 0 5 ： 0 0 6 ： 0 2 ：0 0 2 ：0 0 9 ， 实验室温度控制在2 0 。用搅拌机将 发泡水泥配合料搅拌均匀，但是不加双氧水，参照J T G E 3 o _ _ 2 0 0 5 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 中的T 0 5 0 8 2 0 0 5 水泥浆体流动度测定方法( 倒锥法) ， 迅速用水泥砂浆稠 度漏斗测试其稠度， 结果为2 4 8 S ， 调整掺合料粉煤灰的用 量， 直至浆体稠度为( 2 4 8 1 0 ) s ， 最终粉煤灰用量为4 1 0 g 。 实验按照配比称量2 0 0 g 水， 2 4 g 双氧水， 4 8 g 硬脂酸 钙， 4 1 0 g 粉煤灰。向1 0 0 0 m l 大量杯中依次加入水、 一定量的 掺合料和稳泡剂， 加料的同时用搅拌机以1 5 0 r ra i n的速度混 合均匀。 试验时， 首先以恒定速度搅拌1 7 2 S ， 然后向量杯中加 入双氧水， 继续搅拌8 S ， 完成后迅速倒入 2 0 0 0 m l 量筒。待化 学发泡剂到达最高点稳定后， 记录产生的泡沫体积 ， 用 V M ( 双氧水的质量) 计算化学发泡剂的发泡能力。 随时间的推移， 气体不断从泡沫中溢出， 每 1 5 m i n 记录泡沫在量筒中的高度 ( ) 。实验用高度 ) 随时间( ) 的变化规律， 选择合理有效的 数据衡量泡沫的稳定性。 2 2 硬脂酸钙稳泡能力的衡量 按照上述试验方法， 衡量硬脂酸钙的稳泡能力。 记录产生 的泡沫在量筒中的高度( ) 随时间的变化， 试验结果见图1 。 从图1 可以看出， 不掺硬脂酸钙时， 量筒中的泡沫高度为 4 3 e m左右， 但在 3 m i n 左右迅速破泡， 整个发泡胚体塌落； 掺 4 8 g 硬脂酸钙时， 量筒中的泡沫高度为4 2 e m左右， 胚体稳 定性增加， 直到3 0 m i n ， 整个胚体都没任何收缩， 3 0 m i n 后胚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘川， 等： 化 学发泡泡沫混凝土中硬脂 酸钙稳泡能力及其影响因素 图 1 硬脂酸钙稳泡能力试验 体缓慢塌落。 实验表明， 掺加硬脂酸钙后双氧水发泡能力虽然 有所降低， 但具有一定的稳泡能力， 用此方法可以衡量硬脂酸 钙的稳泡能力。 2 3 硬脂酸钙稳泡能力的影响因素分析 2 3 1 实验环境( 温度和 p H值) 的影响 在化学发泡制备泡沫混凝土的过程中， 初始水温、 初始水 溶液p H值对泡沫混凝土性能有着重要的影响， 同时， 这也是 影响硬脂酸钙稳泡能力的重要因素。 因此， 实验研究了不同初 始水温、 不同初始水溶液p H值对稳泡性能的影响， 结果分别 见图 2 、 图 3 。 4 5 4 O 35 B 3 0 遗2 5 檀 2 0 1 5 1 0 5 图 2 不 同初始水温对稳泡性能的影响 图 3 不I司初 始水 溶液 p H值对稳 泡性能的影响 从图2 、 图3 可 见， 试 验中 双氧水的 发泡能 力受温度和p H 值影响较大。 温度分别为1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 5 0 时， 随着温度的 升高， 双氧水发泡能力比为： 0 9 4 ： 1 0 0 ： 1 0 1 ： 1 0 6 ： 1 0 8 ； p H值分 别为7 、 8 、 9 、 1 0 、 1 1 、 1 2 、 1 3时， 随着p H值的提高， 双氧水发泡 能力比为： 1 0 0 ： 1 0 6 ： 1 1 0 ： 1 0 2 ： 1 0 1 ： 1 0 1 ： 0 9 7 。 这主要是因为双 氧水在浆体中产生气体为化学反应过程，其反应速度受温度 和p H值的影响。从图2 可以看出，在初始温度为 l 0 5 0 q C 时， 温度越高双氧水反应越完全， 发泡能力越强； 而图3 显示， 当p H值为9时， 双氧水分解得最完全。 泡沫高度 ) 随时间( f ) 的变化规律受温度和 p H值影响 较小， 其变化规律可以分为5 个阶段： t 。 阶段为双氧水发泡完 毕； t 阶段为0 3 0 m i n ， 高度( ) 基本没有变化； t 阶段为3 l 一 5 0 ra i n ， 高度( ) 缓慢降低； t 阶段为5 1 1 2 0 m i n ， 高度( ) 迅 速降低； t 4 阶段为 1 2 0 m i n以后， 高度( ) 缓慢降低。 试验表明， 硬脂酸钙稳泡能力受温度和p H值影响较小： t 。 阶段， 化学发泡剂双氧水在环境作用下， 混凝土中不断产生 气泡， 使得实验浆体不断升高； t 阶段， 由于硬脂酸钙在固相 颗粒和液相泡沫之间形成了一层湿润的弹性薄膜，使得气泡 不溶于水， 同时又增加了泡沫的强度和弹性， 使得泡沫可以稳 定存在一段时间； t 阶段， 泡沫中水和粉煤灰在重力作用下缓 慢析出以及气体通过液膜的扩散， 使得液膜变薄， 一部分小气 泡彼此串通形成大气泡， 一部分气泡破裂， 这时浆体高度缓慢 降低； t 阶段， 随着时间的推移， 液膜进一步变薄， 大量气泡破 裂， 浆体高度迅速降低； t 阶段， 气泡基本破裂完毕， 浆体高度 基本没有变化。 化学发泡制备干密度小于3 0 0 k g m s 的泡沫混凝土时， 泡 沫混凝土只要往下塌落，则表明泡沫稳定存在的时间与料浆 凝结硬化时间不相匹配， 坯体有塌模的危险， 因此， 对硬脂酸 钙的稳泡时间应该做一个比较保守的估计； 同时为了此实验 方法更加简洁， 更具有实际操作性， 实验选择泡沫可以稳定存 在的时间t 作为评价硬脂酸钙稳泡能力的指标。 2 3 2 硬脂酸钙掺量的影响 按照上述理论， 选择粉煤灰用量为4 1 0 g ， 初始水溶液温 度为2 0 q C ， 实验室温度为2 0 c C ， 初始水溶液p H值为7 ， 选择 不同硬脂酸钙掺量进行实验， 利用t 。 评价硬脂酸钙的稳泡能 力。实验3 次， 得到的实验结果见表 1 。 表 1 硬脂酸钙掺量对其稳泡能力的影响 t mi n 项 目 0 g 1 2 g 2 - 4 g 3 6 g 4 8 g 6 0 g 7 2 g 8 4 g 1 1 7 1 9 8 2 9 3 3 6 8 4 2_ 3 43 7 48 6 4 47 2 1 5 1 96 28 5 3 5- 3 4 O5 4 4 6 4 5 2 4 5 1 3 2 3 2 0_ 3 2 77 3 70 4 O6 4 5 2 4 6- 3 4 3 8 平均值 1 8 1 9 9 2 8 5 3 6 4 4 1 3 4 4 8 4 6 7 4 4 8 由表 1 可见，硬脂酸钙具有稳泡作用，在掺量小于4 8 g 时， 稳泡能力随掺量的增加而提高； 在掺量继续增加时， 其稳泡 能力增加不明显， 在掺量为8 4 g 时稳泡能力下降。硬脂酸钙在 化学发泡体系中提供了前期泡沫水泥所必须的支撑强度， 并且 N E W BUI L DI NG M ATE RI AL S 8 3 山 。 恒 g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘川， 等： 化学发泡泡沫混凝土中硬脂酸钙稳泡能力及其影响因素 作为一种憎水剂依附在发泡混凝土表面，具有一定的憎水作 用； 同时在化学发泡制备低密度泡沫混凝土外墙保温材料时， 选择的稳泡时间也对调节水泥凝结时间具有一定的参考作用。 3 结论 ( 1 ) 采用双氧水化学发泡方法产生泡沫进而制备泡沫混 凝土时， 双氧水的发泡能力受初始温度和p H值影响较大。 ( 2 ) 实验通过测试发泡液的泡沫体积和泡沫随放置时间 在量筒中的高度，确定发泡剂的泡沫体积和生成泡沫的稳定 性。采用本实验研究的测试方法和判别指标， 操作方便， 重复 性好，能较准确地反映出化学发泡剂的发泡能力和泡沫稳定 性， 可以用于评价在纯水中溶解度很低， 或者基本不溶的稳泡 剂稳泡能力。 ( 3 ) 硬脂酸钙的稳泡能力虽然不如传统的物理发泡稳泡 剂， 但温度和p H值对它的稳泡能力影响较小； 利用本方法可 以测试它在化学发泡中的稳泡时间，对评价其稳泡能力具有 一 定指导作用。 参考文献： 1 1 潘志华 ， 程麟 ， 李东旭 ， 等 新型高性 能泡沫 混凝土制备技术研究 J 】 新型建筑材料 ， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 1 - 5 张欣 ， 叶剑锋 ， 周海兵， 等 新型外墙保温隔热材料的试验研究 J 】 新型建筑材料， 2 0 1 3 ( 3 ) ： 4 7 5 1 李应权 ， 徐洛 屹， 王明轩 ， 等 A级防火泡沫混凝土保温板 J 】 新型 建筑材料 ， 2 0 1 2( 2 ) ： 6 9 7 2 徐文 ， 钱冠龙 ， 化子龙 用化 学方法制 备泡沫混凝 土的试验研 究 J 】 混凝土 与水泥制 品， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： 1 - 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5 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m