新型泡沫混凝土發(fā)泡劑的制備與研究

佟建楠，張素敏

（1.唐山學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 唐山 063000；2.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063000）

0 引言

泡沫混凝土是將膠凝材料、礦物摻合料、外加劑、發(fā)泡劑經(jīng)一定的制備工藝制成的一種多孔輕質(zhì)混凝土，具有輕質(zhì)、保溫、利廢、減震等優(yōu)良性能，且燃燒性能為A級[1-3]。

發(fā)泡劑是決定泡沫混凝土性能和質(zhì)量的關(guān)鍵因素，直接影響泡沫混凝土的體積密度、強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。目前泡沫混凝土的發(fā)泡方式主要有物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡。物理發(fā)泡常用的發(fā)泡劑為松香樹脂類發(fā)泡劑、合成類發(fā)泡劑、蛋白型發(fā)泡劑及復(fù)合型發(fā)泡劑，化學(xué)發(fā)泡常用的發(fā)泡劑為鋅粉、鋁粉和雙氧水等[4-7]。目前泡沫混凝土發(fā)泡劑所引入的氣體分別為：空氣、氧氣和氫氣，在0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.0242、0.0248和0.176 W/（m·K）。相比于空氣、氧氣和氫氣，CO2的導(dǎo)熱系數(shù)較小，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.0143 W/（m·K）[8]。若是泡沫混凝土中所固定的氣體為CO2，那么泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從理論上來說就會降低；另一方面，CO2也會與硅酸鹽水泥組分發(fā)生反應(yīng)，對硅酸鹽水泥產(chǎn)生CO2養(yǎng)護(hù)作用[9]，或與水化產(chǎn)物發(fā)生碳酸化反應(yīng)，二者均可提高水泥石的強(qiáng)度，同時(shí)該2種反應(yīng)均要消耗CO2，產(chǎn)生一定的真空，對改善熱工性能亦有一定貢獻(xiàn)。然而現(xiàn)有的文獻(xiàn)中并沒有將CO2氣體作為硅酸鹽水泥泡沫混凝土的發(fā)泡氣體，其主要原因有2方面：（1）在常溫下，CO2的飽和氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大氣壓強(qiáng)[10]，如果將CO2直接用于制備硅酸鹽水泥泡沫混凝土，形成的包裹有CO2的漿體膜會由于內(nèi)外的壓強(qiáng)差而破裂，出現(xiàn)塌?，F(xiàn)象；（2）硅酸鹽水泥漿體為堿性，CO2為酸性氣體，在水泥漿體硬化前CO2會與水泥中氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)，消耗掉部分CO2，使泡沫混凝土漿體出現(xiàn)收縮、甚至坍模現(xiàn)象。

本文以碳酸氫鹽和酸溶液為發(fā)泡劑，輔加穩(wěn)泡組分，制備了以CO2為發(fā)泡氣體的新型泡沫混凝土發(fā)泡劑，該發(fā)泡劑能

在常溫常壓下穩(wěn)定存在。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

KHCO3：濃度≥99.5%，pH 值≤8.6，分析純，成都市科龍化工試劑廠。鹽酸：濃度36.0%～38.0%，實(shí)驗(yàn)室稀釋4倍，分析純，重慶川東化工集團(tuán)有限公司。聚乙烯醇（PVA）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。聚丙烯酰胺（PAM）：非離子型，相對分子質(zhì)量200萬～1400萬，密度0.750 g/cm3，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。十二醇：密度0.8330g/cm3，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。水：去離子水。

1.2 發(fā)泡劑性能測試方法

按照J(rèn)C/T 2199—2013《泡沫混凝土發(fā)泡劑》測試發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)、1 h沉降距和1 h泌水率。

1.3 發(fā)泡劑制備工藝

（1）先將KHCO3加入盛有水的燒杯中，攪拌0.5 min，攪拌速度為1000 r/min。

（2）將聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和十二醇加入KHCO3溶液中，進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌時(shí)間為1.5 min，轉(zhuǎn)速為1500～2000 r/min。

（3）將稀釋的鹽酸加入燒杯中，邊加入邊攪拌，攪拌時(shí)間8～10 s，攪拌速度 2500 r/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 以CO2為發(fā)泡氣體發(fā)泡劑的制備原理

CO2氣體產(chǎn)生的方式是碳酸氫鹽或碳酸鹽與氫離子發(fā)生反應(yīng)，而硅酸鹽水泥水化后液相為堿性[11-12]，所以即使在硅酸鹽水泥漿體中加入碳酸鹽或碳酸氫鹽也不會產(chǎn)生CO2，因此本論文發(fā)泡劑配方設(shè)計(jì)思路是CO32-與H+發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生CO2，在發(fā)泡體系中加入合適的穩(wěn)泡組分，賦予CO2氣泡膜足夠的穩(wěn)定性，使其能夠穩(wěn)定地存在于水泥漿體中不至于破泡。

影響泡沫穩(wěn)定性的主要因素有表面張力、表面黏度和溶液黏度、氣泡膜的復(fù)原作用和表面彈性、氣體通過液膜的氣體透過性、表面電荷的斥力、溫度等[13]。已有的文獻(xiàn)中所使用的穩(wěn)泡劑基本上都是表面活性劑，但是這類穩(wěn)泡劑加入會在CO2氣體中引入空氣，所以不予考慮這類穩(wěn)泡劑[14]，聚乙烯醇（PVA）對許多氣體具有高度的不透氣性，其連續(xù)的膜對CO2有很好的隔氣性，完全醇解的聚乙烯醇在25℃下測得的CO2透氣率僅為0.02 g/m2，所以選取聚乙烯醇為CO2氣泡的穩(wěn)泡劑[15]；聚丙烯酰胺（PAM）是水溶性高分子材料，其溶液的黏度很大，并且不受溶液pH值的影響，PAM水溶液還能與其他有機(jī)物的水溶液混溶，另外PAM的加入也不會引入空氣[15]；十二醇能延長氣泡的破泡半衰期和開始排液時(shí)間，能夠增加表面膜強(qiáng)度和表面膜黏度，作為一種泡沫穩(wěn)泡劑常用于泡沫滅火劑中，能夠提高CO2氣泡的穩(wěn)定性[16-18]。綜合以上分析，選取聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和十二醇作為發(fā)泡劑的穩(wěn)泡組分，選取實(shí)驗(yàn)室常見的碳酸氫鉀和稀釋的鹽酸為發(fā)泡組分。

2.2 穩(wěn)泡組分對發(fā)泡劑發(fā)泡性能的影響及發(fā)泡劑

最優(yōu)配方的確定

發(fā)泡劑的穩(wěn)泡組分對泡沫的穩(wěn)定性和發(fā)泡劑的性能有很大的影響，因此以基準(zhǔn)組為對照組，在保持其它組分用量不變的條件下，分別研究聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和十二醇這3種穩(wěn)泡組分對發(fā)泡劑性能的影響，進(jìn)而確定發(fā)泡劑的最優(yōu)配方?；鶞?zhǔn)組配比如表1所示。

表1 基準(zhǔn)組的配比

2.2.1 PVA摻量對發(fā)泡劑性能的影響（見圖1）

圖1 PVA摻量對發(fā)泡劑性能的影響

由圖1可見，隨著PVA摻量的增加，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)先增大后減小，1 h沉降距和1 h泌水率先減小后趨于穩(wěn)定，發(fā)泡倍數(shù)符合JC/T 2199—2013要求，但是當(dāng)PVA摻量超過0.5 g時(shí)，發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率才符合標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)PVA摻量為1.0 g時(shí)，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)發(fā)泡倍數(shù)為26倍，當(dāng)摻量超過1.0 g后開始降低，這是由于發(fā)泡劑溶液的黏度過大，抑制了溶液的起泡能力。1 h沉降距和1 h泌水率先降低后趨于穩(wěn)定，主要原因是當(dāng)PVA摻量小于1.0 g時(shí)，發(fā)泡劑溶液本身的黏度較小，形成的CO2氣泡的氣泡膜的表面黏度較小，氣泡膜的破裂時(shí)間較短，氣泡的穩(wěn)定性較差，所以發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率較大。當(dāng)PVA摻量超過1.0 g時(shí)，發(fā)泡劑溶液已經(jīng)具有足夠的黏度，形成的CO2氣泡的氣泡膜黏度足夠大，CO2氣體透過氣泡膜的透過性降低，使其能夠穩(wěn)定存在，所以繼續(xù)增加PVA摻量發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率基本上保持不變。

2.2.2 PVA種類對發(fā)泡劑性能的影響

水溶液的黏度越大，形成的泡沫膜的黏度也越大，泡沫膜的強(qiáng)度也越高，泡沫的穩(wěn)定性也越好。不同種類的PVA具有不同的醇解度和黏度，在濃度相同的情況下，PVA醇解度不同，溶液所具有的黏度不同，所以具有不同醇解度的PVA會對CO2氣泡的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。表2為不同規(guī)格PVA的醇解度、黏度以及對發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)、1 h沉降距和1 h泌水率的影響。

表2 不同規(guī)格PVA的醇解度、黏度以及對發(fā)泡劑性能的影響

由表2可見，隨著PVA醇解度的增大，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)先減小后增大再減小。當(dāng)聚乙烯醇醇解度為78.5%～81.5%時(shí)，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)為15倍，為5種PVA發(fā)泡倍數(shù)的最小值，原因是該P(yáng)VA2的黏度為2.3～3.3 mPa·s，用此聚乙烯醇制備的發(fā)泡劑溶液的黏度最小，形成氣泡膜的黏度最小，氣泡膜破裂的時(shí)間最短，泡沫的穩(wěn)定性最差，在發(fā)泡劑起泡的過程中有一些泡沫已經(jīng)破裂，所以發(fā)泡倍數(shù)較低。當(dāng)聚乙烯醇醇解度為87.0%～89.0%時(shí)，此時(shí)的發(fā)泡倍數(shù)為26倍，發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到最大值，主要原因是該P(yáng)VA3溶液的黏度最大，為80.0～110 mPa·s，制成發(fā)泡劑溶液的黏度最大，形成的泡沫的膜強(qiáng)度最高，在起泡的過程中基本不存在氣泡破裂的現(xiàn)象，所以發(fā)泡倍數(shù)最大。發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率與PVA的黏度呈負(fù)相關(guān)，5種聚乙烯醇的黏度大小為 PVA3＞PVA5≥PVA4＞PVA1＞PVA2，所以在采用不同種類PVA的發(fā)泡劑制備泡沫的過程中，形成的氣泡膜強(qiáng)度和穩(wěn)定性的關(guān)系為：PVA3＞PVA5≥PVA4＞PVA1＞PVA2。

2.2.3 PAM摻量對發(fā)泡劑性能的影響（見圖2）

圖2 PAM摻量對發(fā)泡劑性能的影響

從圖2（a）可以看出，隨著PAM摻量的增加，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)先增大后減小，均符合JC/T 2199—2013的要求，呈現(xiàn)這種趨勢的原因主要是隨著PAM摻量的增加，發(fā)泡劑溶液的黏度逐漸增大，形成的氣泡膜黏度逐漸增大，氣體透過性逐漸降低，氣泡穩(wěn)定性越來越好，發(fā)泡倍數(shù)逐漸增大。當(dāng)PAM摻量增大到6 g時(shí)，發(fā)泡劑在發(fā)泡過程中基本不存在破泡現(xiàn)象，氣泡膜具有了足夠的強(qiáng)度。但當(dāng)PAM含量超過6 g后，發(fā)泡劑溶液的黏度過大，形成的氣體不能沖破漿體黏度所產(chǎn)生的束縛，一些氣體不能形成泡沫，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)降低。

由圖2（b）可見，隨著PAM摻量的增加，發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率先減小后趨于平緩。PAM摻量為0～2 g時(shí)，發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率均不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，主要原因是聚丙烯酰胺摻量較小，發(fā)泡劑溶液的黏度較小，在發(fā)泡過程中形成的泡沫膜的表面黏度較少，氣泡容易破裂，氣體透過性較大，所以發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率較大；當(dāng)PAM摻量達(dá)到6 g時(shí)，發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率下降的速度變得很慢，這時(shí)發(fā)泡劑溶液的黏度達(dá)到了泡沫穩(wěn)定存在所需求的黏度，賦予了氣泡膜足夠的強(qiáng)度；再繼續(xù)增加PAM的含量，發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率也不會發(fā)生較大變化，反而會降低發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)。

2.2.4 十二醇摻量對發(fā)泡劑性能的影響（見圖3）

圖3 十二醇摻量對發(fā)泡劑性能的影響

由圖3（a）可見，隨著十二醇摻量的增加，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)先增大后減小。當(dāng)十二醇摻量不超過0.08 g時(shí)，發(fā)泡倍數(shù)有小幅提升，說明低摻量的十二醇有穩(wěn)泡效果，其原因是十二醇分子本身碳?xì)滏湹闹車小氨健苯Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低了溶液的表面張力，促進(jìn)了膠團(tuán)的形成，降低了臨界膠束濃度[14]。當(dāng)十二醇摻量超過0.08 g后，發(fā)泡倍數(shù)開始降低，其原因是隨著十二醇摻量增大，發(fā)泡劑溶液的黏度增大，抑制了氣泡的形成。

由圖3（b）可見，摻入十二醇后，發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率開始都有所降低，其原因是隨著十二醇的加入，增加了氣泡膜中分子間的作用，使分子排列更加緊密，提高了氣泡膜的強(qiáng)度，氣體的透過性降低，破泡半衰期和開始排液時(shí)間得到延長，所以發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率降低；但是當(dāng)十二醇摻量超過0.08 g后，半衰期反而會降低，導(dǎo)致發(fā)泡劑的1 h沉降距和1 h泌水率有所增大。

2.2.5 發(fā)泡劑最優(yōu)配方

通過以上對比分析可以得出，聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和十二醇都能對發(fā)泡倍數(shù)、1 h沉降距和1 h泌水率產(chǎn)生一定的影響。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，確定發(fā)泡劑的最佳配方見表3，按此配比制備了性能優(yōu)異的以CO2為發(fā)泡氣體的泡沫混凝土發(fā)泡劑，發(fā)泡倍數(shù)為29倍，1 h沉降距為17 mm，1 h泌水率為22%。

表3 發(fā)泡劑的最佳配方

3 結(jié)論

（1）采用碳酸氫鉀和稀鹽酸為發(fā)泡劑可以制備以CO2為發(fā)泡氣體的發(fā)泡劑，但是需要加入穩(wěn)泡組分。

（2）通過研究聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、十二醇對發(fā)泡劑性能的影響得到了發(fā)泡劑的最優(yōu)配合比為：KHCO34 g、PVA31 g、PAM 6 g、十二醇 0.08 g、H2O 40g、HCl 28.5 ml，該發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)為29倍，1 h沉降距為17 mm，1 h泌水率為22%。