不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥性能的影響

李凱斌，劉彥峰，周春生，李仲謹,2

（1. 商洛學院 化學工程與現(xiàn)代材料學院，陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西 商洛726000；2. 陜西科技大學，教育部輕化工助劑化學與技術(shù)重點實驗室，陜西 西安，710021）

不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥性能的影響

李凱斌1，劉彥峰1，周春生1，李仲謹1,2

（1. 商洛學院 化學工程與現(xiàn)代材料學院，陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西 商洛726000；2. 陜西科技大學，教育部輕化工助劑化學與技術(shù)重點實驗室，陜西 西安，710021）

以普通425水泥為膠凝材料，分別以硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸鈉為穩(wěn)泡劑，并添加多種外加劑制備發(fā)泡水泥保溫材料，探討三種穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥的泡孔結(jié)構(gòu)、干密度、吸水率以及抗折強度、抗壓強度等性能的影響。結(jié)果表明，采用司班 80為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥泡沫穩(wěn)定性好、泡孔密集且均一，吸水率低、力學強度最佳，綜合性能最優(yōu)。硬脂酸為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥性能次之，十二烷基磺酸鈉為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥性能最差。

發(fā)泡水泥；干密度；吸水率；力學強度

目前中國為世界上最大的建筑市場，據(jù)統(tǒng)計，建筑面積達到400億m2，每年新增建筑量20億m2，但是所用的建筑材料中95%以上是高能耗建筑，將保溫材料應(yīng)用于建筑節(jié)能，具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1]。而在外墻保溫體系中，常用的保溫層為有機高分子材料，包括聚苯乙烯泡沫塑料板、聚氨酯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料等，這些有機保溫材料易燃，一旦發(fā)生火災(zāi)，將造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，且存在材料易老化現(xiàn)象，不能與建筑物同壽命[2]。在此背景下，無機保溫材料應(yīng)運而生，其中發(fā)泡水泥保溫材料以其優(yōu)良的綜合性能，引起了研究者的廣泛關(guān)注[3]?，F(xiàn)有的發(fā)泡水泥保溫材料多采用雙氧水發(fā)泡[4]，但其泡孔結(jié)構(gòu)所帶來的質(zhì)輕與材料的力學強度往往相互矛盾。而均勻且穩(wěn)定的泡孔結(jié)構(gòu)對發(fā)泡水泥的質(zhì)輕與強度起到至關(guān)重要的作用，在發(fā)泡水泥里面加入穩(wěn)泡劑使泡孔結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定，從而可以取得較好效果。

基于上述考慮，采用硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸鈉等具有不同分子結(jié)構(gòu)的表面活性物質(zhì)作為穩(wěn)泡劑，制備新型無機發(fā)泡水泥保溫材料，探討三種穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥的泡孔結(jié)構(gòu)、干密度、吸水率以及抗折強度、抗壓強度等性能的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

DKZ-5000型電動抗折試驗機，JJ-5水泥膠砂攪拌機，WDW-50型微型控制電子萬能試驗機。

雙氧水，杭州精欣化工有限公司；普通425水泥，商洛堯柏龍橋水泥有限公司；實驗用水為自來水。硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸鈉，均為化學純，天津市天力化學試劑有限公司生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 無機發(fā)泡水泥材料的制備

準確稱取普通425水泥、水、外加劑、穩(wěn)泡劑等原料，將固體類外加劑與水泥干混，向其中加入一定量的水攪拌均勻，再加入液體類外加劑，低速攪拌均勻，再迅速加入雙氧水攪拌6～8 s，然后將料漿迅速準確地注入模具中發(fā)泡成型，室溫養(yǎng)護至規(guī)定齡期，制備流程如圖2所示。

圖2 發(fā)泡水泥制備流程圖Fig.2 The preparation flow chart of foamed cement

控制普通425水泥、水、外加劑和穩(wěn)泡劑的量等條件不變，改變穩(wěn)泡劑的種類分別為硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸鈉，制備發(fā)泡水泥。

1.3 結(jié)構(gòu)表征與性能測試

（1）形貌表征

取已制好的發(fā)泡水泥試樣，整齊擺放，進行拍照，對比其高度，并對截面泡孔結(jié)構(gòu)進行分析。

（2）干密度的測定

試樣在尺寸為150 mm ×150 mm ×150 mm的試模中成型，脫模后在標準恒溫養(yǎng)護箱（溫度為 20℃，相對濕度為95%）內(nèi)養(yǎng)護至規(guī)定齡期。再將試樣放入電熱鼓風干燥箱內(nèi) 40 ℃烘干，再裁成 150 mm ×40 mm ×40 mm，稱其質(zhì)量。

按公式計算干密度：ρ=m0/V

式中：ρ—試樣干密度,g/cm3；

m0—試樣烘干后的質(zhì)量,g；

V—試樣體積,cm3）。

（4）吸水率的測定

取同等體積大小的發(fā)泡水泥試樣，稱其質(zhì)量，記為m1。室溫下在水中浸泡24 h，然后用濾紙吸去樣品多余水分后迅速稱重，記為m2按下式計算其吸水率：W＝(m2-m1)/m1×100%

（5）力學性能的測定

力學性能包括抗折強度和抗壓強度。將發(fā)泡水泥試塊養(yǎng)護至規(guī)定齡期，切割成40 mm×40 mm× 150 mm 的尺寸，使用DKZ-5000型電動抗折試驗機，按照《GB/T 17671-1999 水泥膠砂強度檢驗方法》，測得抗折強度值。

將發(fā)泡水泥養(yǎng)護至規(guī)定齡期，切割成40 mm× 40 mm×40 mm 的尺寸，使用WDW-50型微型控制電子萬能試驗機測量抗壓強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥外觀的影響

圖3和圖4分別為由三種不同穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥的整體外觀圖和截面圖。由圖3可知，采用司班80為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥起泡高度最高，硬脂酸為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥起泡高度次之，用十二烷基磺酸鈉為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥高度最低。由圖4可知，用硬脂酸為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥氣孔分散較好，司班80為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥氣孔分散較好且致密，用十二烷基磺酸鈉為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥則有塌陷的跡象，氣孔分散不均勻，局部密度較大。

這是由于司班80是粘稠油狀物，將其加入到發(fā)泡水泥體系中，可用作油包水型乳劑的乳化劑[5]，其分子中本身也含有醚鍵、酯基等，與泡沫有很強的親和力，可有效地吸附在已形成泡沫的表面，從而將泡沫有效包裹，對泡沫達到穩(wěn)定作用，減少了氣泡兼并和破裂現(xiàn)象，因此用司班80作為穩(wěn)泡劑制得的發(fā)泡水泥氣孔分布更為均一且細小；硬脂酸由于分子中含有羧基，與水泥水化的過程中所產(chǎn)生的堿性物質(zhì)反應(yīng)，生成羧酸根離子，中和掉了體系中的堿性成分，進而降低了雙氧水的分解速率，雙氧水的分解產(chǎn)生的氧氣也就少了（原因：雙氧水在堿性條件下的分解率遠比在酸性條件下的分解率高，其反應(yīng)方程式如下所示[6]），最終形成的氣泡減少，使得硬脂酸制得的發(fā)泡水泥起泡高度與司班 80相比略低。

圖3 不同穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥整體效果圖Fig.3 Integrated graph of foamed cement prepared by different foam stabilizers

圖4 不同穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥截面圖Fig.4 Section diagram of foamed cement prepared by different foam stabilizers

而十二烷基磺酸鈉分子吸附在水泥顆粒表面，本身使得水泥顆粒表面帶有相同的電荷產(chǎn)生了排斥作用，使得水泥的流動性增大，起到減水劑的作用，在發(fā)泡水泥的制備過程中也發(fā)現(xiàn)其料漿較稀，在發(fā)泡水泥氣泡穩(wěn)定后表面依然會有小氣泡產(chǎn)生，最終導致材料的局部有極少量的塌陷行為，造成局部密度過大，氣孔數(shù)量減少且不均一。因此，從孔徑大小及氣孔的分布來看，三種不同穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥最終的效果優(yōu)劣依次為：司班80、硬脂酸、十二烷基磺酸鈉。

2.2 不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥干密度的影響

圖5為不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥干密度的影響。由圖5可知，采用三種穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥干密度從小到大順序依次為：硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸鈉。

這與圖3和圖4得到的結(jié)果基本一致。這是由于：硬脂酸和司班80為穩(wěn)泡劑制得的發(fā)泡水泥的氣泡分布都較為均一，且氣孔細小，穩(wěn)定性好，起泡高度較高，在相同體積內(nèi)具有較小的干密度；而且兩者相比，硬脂酸的干密度最低，這是由于硬脂酸分子中含有的羧基被水泥水化的過程中所產(chǎn)生的堿性物質(zhì)反應(yīng)，生成一端為親水基團的羧酸根離子，另一端則為長鏈烷基，起到類似減水劑的作用，水泥顆粒流動性較好，在一定程度上使得形成的氣泡更加疏散，其干密度最小。

圖5 不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥干密度的影響Fig.5 The effect of different foam stabilizers on the dry density of foamed cement

而十二烷基磺酸鈉對應(yīng)的發(fā)泡水泥的干密度較高，主要是由于其水泥料漿流動性較大，已形成的氣泡不易穩(wěn)定，使得最終制得的發(fā)泡水泥材料當中存在少量的塌陷，造成干密度較大。由于較低的干密度會使得發(fā)泡水泥具有質(zhì)輕以及導熱系數(shù)較低等優(yōu)點，因此僅從干密度的大小來看，可以判定三者的優(yōu)劣順序依次為：硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸鈉。

2.3 不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥吸水率的影響

圖6 不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥吸水率的影響Fig.6 The effect of different foam stabilizers on the bibulous rate of foamed cement

圖6為不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥吸水率的影響。由圖可知，吸水率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，用硬脂酸為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥吸水率最大，司班80系列次之；以十二烷基磺酸鈉為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥吸水率最小。這是由于司班 80形成的泡沫更為穩(wěn)定，氣孔分布更為均一且細小，且由于司班80為油狀的乳化劑，親水性本身就弱，因此吸水率較小。而硬脂酸由于分子中含有羧基，與水泥水化的過程中所產(chǎn)生的堿性物質(zhì)反應(yīng)，生成羧酸根離子，增大了其親水性能，因此其耐水性最差。而十二烷基磺酸鈉分子吸附在水泥顆粒表面，本身使得水泥顆粒表面帶有相同的電荷產(chǎn)生了排斥作用，使得水泥的流動性增大，起到減水劑的作用[7]，在發(fā)泡水泥的制備過程中也發(fā)現(xiàn)其料漿較稀，在發(fā)泡水泥氣泡穩(wěn)定后表面依然會有小氣泡產(chǎn)生，最終導致材料的局部有極少量的塌陷行為，材料相比其他兩者，吸水率大大降低。因此，綜合考慮，選用吸水率較低、且泡沫穩(wěn)定性較好的司班 80制得的發(fā)泡水泥樣品較佳。

2.4 不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥力學強度的影響

圖 7為不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥力學強度的影響。由圖可知，采用硬脂酸為穩(wěn)泡劑制得的發(fā)泡水泥的抗折強度及抗壓強度都是最小的，采用司班80為穩(wěn)泡劑制得的發(fā)泡水泥的抗壓強度和抗折強度最大，且力學強度遠高于硬脂酸為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥，而略高于十二烷基磺酸鈉為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥力學強度。結(jié)果表明，采用司班80為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥的力學強度最佳。

圖 7為不同穩(wěn)泡劑對發(fā)泡水泥力學強度的影響。由圖可知，采用硬脂酸為穩(wěn)泡劑制得的發(fā)泡水泥的抗折強度及抗壓強度都是最小的，采用司班80為穩(wěn)泡劑制得的發(fā)泡水泥的抗壓強度和抗折強度最大，且力學強度遠高于硬脂酸為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥，而略高于十二烷基磺酸鈉為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥力學強度。結(jié)果表明，采用司班80為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥的力學強度最佳。

采用三種不同穩(wěn)泡劑制得的發(fā)泡水泥的力學強度產(chǎn)生的這種不同效果主要是由于：司班80作為穩(wěn)泡劑，使得已形成的泡沫更為穩(wěn)定，減少了氣泡兼并和破裂現(xiàn)象，氣孔分布更為均一且細小，因此司班 80作為穩(wěn)泡劑制得的發(fā)泡水泥制品力學強度較好。而十二烷基磺酸鈉除了附著在已形成氣泡的表面，降低水的表面張力（水-氣相）和界面張力（水-固相），對泡沫具有穩(wěn)定作用[8]，還可起到減水劑的作用，將十二烷基磺酸鈉加入到發(fā)泡水泥體系中，少量的十二烷基磺酸鈉的憎水基團定向吸附于水泥顆粒的表面，親水基團指向水溶液，組成了單分子或多分子的吸附膜，使水泥顆粒表面帶有同一種電荷（通常為負電荷），形成靜電排斥作用，促使水泥顆粒相互分散[9]，絮凝結(jié)構(gòu)破壞，釋放出被包裹部分水，參與流動，從而有效地增加混凝土拌合物的流動性，導致其在發(fā)泡過程中出現(xiàn)局部塌陷現(xiàn)象，因此材質(zhì)不均一，在收到外力的作用下，材料易于斷裂，導致其強度與司班80制備的發(fā)泡水泥相比較低。但塌陷的存在也同時使其局部密度增大，降低了孔隙率，增加發(fā)泡水泥的密實性，反而在一定程度上提高發(fā)泡水泥的強度，使其強度不至低于硬脂酸體系。

圖7 穩(wěn)泡劑種類對發(fā)泡水泥力學強度的影響Fig.7 The effect of different foam stabilizers on the mechanical strength of foamed cement

3 結(jié) 論

在發(fā)泡水泥制備過程中，采用三種穩(wěn)泡劑對雙氧水分解產(chǎn)生的泡沫進行穩(wěn)定處理，對比三者的性能得到以下結(jié)論：

（1）從孔徑大小及氣孔的分布來看，采用司班80為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥效果最佳，孔徑分布密集且均一，硬脂酸體系次之，十二烷基磺酸鈉體系最差。

（2）由于較低的干密度會使得發(fā)泡水泥具有質(zhì)輕以及導熱系數(shù)較低等優(yōu)點。從干密度的大小來看，可以判定三者的性能優(yōu)劣依次為：硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸鈉。

（3）吸水率結(jié)果表明，選用吸水率較低、且泡沫穩(wěn)定性較好的司班80制得的發(fā)泡水泥樣品為最佳。

（4）抗折強度及抗壓強度結(jié)果表明，采用司班80為穩(wěn)泡劑制備的發(fā)泡水泥的力學強度最佳。

（5）司班80制得的發(fā)泡水泥制品的綜合性能最優(yōu)，最適合用作發(fā)泡水泥的穩(wěn)泡劑。

［1］曾統(tǒng)華. 基于 BIM 技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計軟件研制及應(yīng)用[D]. 清華大學, 2012.

［2］徐帥, 周張健, 張笑歌, 等. 新型無機保溫材料的研究進展[J]. 硅酸鹽通報, 2015, 05: 1302-1306.

［3］張萌, 田清波, 徐麗娜, 等. 發(fā)泡水泥的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 硅酸鹽通報, 2014, 10:2547-2551.

［4］Wang Z, Liu L, Zhou J, et al. Impacts of potassium permanganate (KMnO4) catalyst on properties of hydrogen peroxide (H2O2) foamed porous cement slurry[J]. Construction and Building Materials, 2016, 111: 72-76.

［5］Chaiyana W, Leelapornpisid P, Phongpradist R, et al. Enhancement of antioxidant and skin moisturizing effects of olive oil by incorporation into microemulsions[J]. Nanomaterials and Nanotechnology, 2016, 6: 1847.

［6］楊婷松. 發(fā)泡水泥的制備工藝及理化性能研究[D]. 濟南大學, 2013.

［7］Sheen H. Quantitation of yeast total proteins in sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis sample buffer for unifor m loading[J]. Analytical biochemistry, 2016, 498: 95-97.

［8］Liu M Y J, Alengaram U J, Santhanam M, et al. Microstructural investigations of palm oil fuel ash and fly ash based binders in lightweight aggregate foamed geopolymer concrete[J]. Construction and Building Materials, 2016, 120: 112-122.

［9］魏民. 木鈉接枝磺化三聚氰胺樹脂高效減水劑的合成及性能[J]. 精細化工, 2016, 33(3): 351-356.

Effect of Different Foam Stabilizers on the Properties of Foamed Cement

LI Kai-bin1,LIU Yan-feng1,ZHOU Chun-sheng1,LI Zhong-jin1,2

（1. College of Chemical Engineering and Modern Materials/Shaanxi Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Tailings Resources, Shangluo University, Shaanxi Shangluo 726000, China；2. Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry of Ministry of Education, Shaanxi University of Science & Technology, Shaanxi Xi’an 710021, China）

Foamed cement for thermal insulation material was prepared by using ordinary 425 cement as the cementing material, using stearic acid, span 80 and sodium dodecyl sulfate as foam stabilizers and adding other additives. The effect of three kinds of foam stabilizers on the pore structure, dry density, water absorption, flexural strength, compressive strength and other properties of foamed cement was studied. The results show that the comprehensive performance of foamed cement using Span 80 as foam stabilizer is the best, whose foam stability is good, foam holes are dense and uniform, bibulous rate is low and mechanical strength is excellent. The comprehensive performance of foamed cement using stearic acid as foam stabilizer is the second,and the comprehensive performance of foamed cement using sodium dodecyl sulfate is the worst.

Foamed cement; Dry density; Water absorption; Mechanical strength

TQ172.7；TU528

A

1671-0460（2017）04-0591-04

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目（2012KTDZ02-02-01）、陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃項目（2016JM5092）、商洛學院自然科學基金項目（15SKY003）。大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（17slcx147）。

2017-02-28

李凱斌（1989-），男，陜西省咸陽市人，助教，碩士，2015年畢業(yè)于陜西科技大學應(yīng)用化學專業(yè)，研究方向：高分子-無機復合材料。E-mail：515054843@qq.com。