1 发泡剂介绍
泡沫混凝土（发泡混凝土）发泡剂种类很多, 其中多为阴离子表面活性剂。目前, 国内发泡剂品种主要有[2 ]松香胶发泡剂、废动物毛发泡剂、树脂皂类发泡剂、水解血胶发泡剂、石油磺酸铝发泡剂等。我国发泡剂总体上说不够理想,功能偏少, 尽管有些发泡倍数大, 但稳定性差、制品强度不高。日本、意大利的发泡剂多为蛋白质类, 质量好。我国也有以动物蛋白为主要原料的发泡剂, 其发泡倍数及稳定性较好, 但因原料来源有限, 生产成本高, 开发与应用受到制约。
发泡剂生成泡沫的质量以坚韧性、发泡倍数、泌水量等指标来衡量。泡沫的坚韧性就是泡沫在空气中在规定时间内不致破坏的特性, 常以泡沫柱在单位时间内的沉陷距来确定。发泡倍数是泡沫体积大于发泡剂溶液体积的倍数。泌水量是指泡沫破坏后所产泡剂水溶液的体积。表1 为常见发泡剂的性能[3 ]。
表 1 常见发泡剂的性能
发泡剂品种与浓度
十二烷基苯磺酸钠
松香皂
松香热聚物
动物毛发
0.5%
1%
1%
2%
1%
2%
2%
3%
发泡倍数
27
32
28
29
25
26
20
22
1h泌水量/ml
150
140
120
110
140
120
60
40
1h沉陷距/mm
50
38
34
29
38
33
8
5
2 发泡剂泡沫性质研究
2. 1泡沫的形成
基于表面张力作用, 液体表面有自动缩小的趋势,因而纯静液体经搅拌后并不能产生大量泡沫。在纯净液体中, 两个气泡相碰就会毫无阻碍地结合在一起, 后气泡全部破裂。但如果在液体中溶解一种能降低气- 液界面张力的物质, 使之形成在组成上与其他液体有区别的且有一定机械强度的临界层, 那么两个气泡相碰时, 这种临界层便可作为“缓冲层”防止气泡破裂。发泡剂因其分子结构的不对称性, 能聚集在气- 液界面上, 降低表面张力, 提高膜的机械强度, 形成“缓冲层”, 因而在纯净液体中加入发泡剂后用搅拌、混合、吹入、喷射等机械方法将气体带入发泡剂液体中就能制得泡沫。
2. 2 泡沫的稳定性及影响因素分析
所谓泡沫的稳定性是指生成泡沫的持久性, 即泡沫存在“寿命”的长短。这包括两个方面: 一是泡沫自身的持久性, 由发泡剂的质量来决定; 二是泡沫在外界环境中以及和混凝土料浆混合时能保持不破灭的性能, 它不仅和其自身性能有关, 也取决于外界因素的影响。现从几个方面来阐述泡沫的稳定性。
2. 2. 1泡沫自身的稳定性
由于气体和液体的密度相差很大, 所以液体中的气泡总是很快上升至液面, 形成以少量液体构成的液膜隔开气体的气泡聚集物, 即泡沫。泡沫不稳定, 会很快发生衰变, 目前普遍认为有两个方面的原因: 泡沫中液体的析出和气体穿透液膜扩散。
泡沫中液体的析出泡沫中液体的析出是气泡相互挤压和重力作用的结果。气泡挤压主要来源于曲面压力。泡沫中各个气泡互交处形成所谓Plateau 边界 (见图1) 。根据Laplace 公式, 可以导出PB - PA =σ/ R (式中: PA 为A 处的液膜压力, PB 为B 处的液膜压力,σ为表面张力, R 为气泡半径) 。液膜中A 处的压力小于B 处的压力, 于是, 液体会自动地从B 处流至A 处, 结果是液膜逐渐变薄[4 ]。
另一种排液过程是液体因重力而下降, 使膜逐渐变薄。这种情况仅在液膜较厚时才比较显著, 液膜变薄至一定程度, 便导致破裂。
气体透过液膜扩散无论用何种方法产生的泡沫,其大小总不是完全均匀的。由于弯曲液面附加压力的作用,小泡内的气体压力总是高于大泡,因而气体自高压的小泡透过液膜,扩散到低压的大泡中去,造成小泡变小直至消失,大泡变大,终导致气泡破裂。
从以上两方面可以看出, 泡沫自身的稳定性主要取决于液体析出的快慢和液膜的强度, 而增大溶液的粘度恰恰可以解决这两方面的问题。如果液体本身的粘度较大, 则液膜中的液体不易排出, 液膜厚度变小的速度较慢, 因而延缓了液膜破裂的时间,增加了泡沫的稳定性, 同时也使泡沫具有一定的“弹性”。对此,一般可加稳泡剂以达到目的。
2. 2. 2外界环境因素对泡沫稳定性的影响
压力和气泡大小的分布泡沫在不同压力下稳定性不同, 一般是压力越大, 泡沫越稳定。这是因为泡沫质量一定时, 压力越大, 泡沫半径越小; 膜的面积越大, 液膜变得越薄, 排液速度越低。排液半衰期T1/ 2与气泡直径d 的关系为: T1/ 2 = 580ηh/ pgd2Vtf (式中:η为液相粘度, h 为泡沫柱初高度,ρ为液相密度, Vtf为泡沫初液体分数, g 为重力加速度) 。因为气泡大小不均匀, 此式只能定性地说明某些变量之间的关系。也有人认为, 泡沫稳定性与压力的关系是气相中非凝析成分随压力增高而增加的结果。Monsalve从理论上阐明, 单位时间内泡沫泡数的减少与初气泡大小分布频率有关。气泡分布越窄、越均匀, 泡沫越稳定。因此, 要获得稳定泡沫, 应尽量使泡沫的气泡半径分布窄一些。
温度的影响温度对泡沫的影响也较大。一般情况下, 泡沫稳定性随温度升高而下降。低温时, 当泡沫液膜达到一定厚度时, 泡沫就呈现亚稳状态, 当温度特别低时, 将直接影响发泡倍数; 高温时, 泡沫的破灭由泡沫柱顶端开始, 泡沫体积随时间增长呈规律性减小。这是由于在上面的液膜上侧, 总是向上凸的, 这种弯曲膜对蒸发作用很敏感, 温度越高蒸发越快, 膜变薄到一定厚度时就破裂了, 因此大多数泡沫在高温下是不稳定的。
混凝土料浆的影响泡沫终要和料浆进行混合搅拌, 在此过程中, 料浆中成分的颗粒形貌对泡沫的稳定性也有重要影响(见图2) 。料浆中颗粒(粉煤灰、细砂等) 形状均匀, 表面圆滑, 则和泡沫接触时可以认为是两个圆球的“面面接触”, 这样泡沫本身的“机械强度”和“弹性”特征可能很好发挥,不致产生应力集中,有利于泡沫稳定;若颗粒形状各异,棱角分明,则接触时为“点面接触”, 这必然会刺伤泡沫, 产生应力集中, 从而导致泡沫破裂。
另外, 泡沫终在混凝土料浆中形成“密孔”, 时间越长, 泡沫破裂的可能性越大。所以,尽快促使发泡混凝土凝结硬化是提高其稳定性的另一途径, 一般可使用早强硅酸盐水泥或添加早强剂来达到目的。
从以上论述可以看出, 影响泡沫稳定性的因素,不仅和其自身的性质有关, 而且也与外界环境有关,只有在实际应用中根据经验和实验选择合适方法来获得稳定泡沫。
3发泡剂的使用
3. 1 稳泡剂的作用
在发泡剂使用中, 稳泡剂起着不容忽视的作用。发泡剂往往和稳泡剂复配使用。稳泡剂一般为胶类物质。胶类分子在水溶液中, 可使其溶液在流动时产生较大的内部磨擦, 使溶液有较高的粘度。正因为胶使液体的粘度增加, 这便增加了泡沫的液膜粘度, 一则增加液膜表面强度, 另则使液膜二表面膜临近的液体不易排出(因表面粘度大, 表面临近, 液体也不易流动) , 液膜厚度变小的速度较慢, 因而延缓了液膜破裂时间, 增加了泡沫的稳定性。另外, 加入稳泡剂后溶液的起泡高度略小于不加胶时溶液的起泡高度。这主要是因为溶液粘度增加, 增大单位表面积的功也增大, 在做同样功的情况下, 增大的表面积减小, 因而起泡高度减小。
发泡剂加入稳定泡剂, 其发泡倍数明显降低, 但稳定性却显著提高[3 ]。
表2常见稳泡剂的性能
项目
十二烷基苯磺酸钠1%
稳泡剂及浓度
尼纳儿
动物胶
0.5%
1%
2%
1%
2%
3%
发泡倍数
19
16
13
21
18
12
1h泌水量/ml
110
80
60
110
90
80
1h沉陷距/mm
30
20
16
25
18
13
3. 2发泡剂掺入混凝土的合理方法
在工业生产中, 发泡剂掺入混凝土的方式不同,对混凝土性能会有较大影响。
泡沫掺入混凝土中, 即在混凝土中形成大量封闭的小孔。而孔结构影响混凝土性能的三个主要因素是孔的形状、孔隙率和孔径分布。众所周知, 混凝土中气孔的形状越圆滑, 受力越均匀, 越不容易产生应力集中, 对混凝土强度就越有利。随着混凝土孔隙率增加, 混凝土强度降低, 在相同孔隙率下, 平均孔径越小, 混凝土强度越高[5 ]。另外, 在发泡混凝土中,孔径大于1mm 的孔即属于有害孔, 它对混凝土的力学性能将产生极为不利的影响。因此孔径大于1mm的孔的多少, 对发泡混凝土的力学性能具有很大的影响。所以, 进入混凝土的泡沫要尽量具备高坚韧性、均匀性、分散性和小孔径性, 如何将泡沫制成均等的孔型、孔径非常关键。
在混凝土中掺入泡沫时, 泡沫必然产生大量损失。“为了获得理想的气孔含量或特定的混凝土容重,许多情况下, 需要加入理论计算量的2～3 倍的泡沫[6 ]”。这就涉及到发泡剂的掺入方式。发泡剂的掺入方式有两种[8 ]: 一种是在混凝土拌和物中掺入发泡剂, 使之在搅拌过程中自然发泡; 另一种是在分离的装置中预先把发泡剂制成泡沫, 再掺入混凝土拌和物中。前者在混凝土中的气孔含量具有明显的变化, 难以控制; 后者虽多一道工序, 却可以搅拌出质量相对较高的泡沫。
目前国内制泡技术主要采用高速搅拌机, 即是将发泡剂溶液倒入高速搅拌机中, 然后用搅拌机的高速叶片搅拌发泡剂制取泡沫。国外制取发泡混凝土的泡沫多为压缩空气, 让发泡剂溶液和压缩空气在混合室内混合, 然后在压缩空气作用下, 穿过一个特制的发泡筒, 发泡筒内有的采用磁片,有的采用玻璃球, 有的采用铜网。两种发泡工艺比较, 压缩空气发泡设备比高速搅拌机稍复杂一些。压缩空气发泡, 一方面发泡效率较高, 能将发泡剂溶液完全吹制成泡沫, 通过发泡筒后其泡径均匀; 另一方面可将泡沫直接吹入搅拌好的料浆中, 减少中间环节, 能更好地防止中间环节导致的泡沫破灭。高速搅拌机发泡, 其上下泡径不均, 发完的泡沫须经中间设备倒入搅拌好的料浆中,中间环节会导致部分泡沫破灭[8 ]。从生成的泡沫质量方面和终混凝土质量方面考虑, 建议选用第二种方法。
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