新型泡沫混凝土发泡剂的制备与研究

佟建楠，张素敏

（1.唐山学院 土木工程学院，河北 唐山 063000；2.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063000）

0 引言

泡沫混凝土是将胶凝材料、矿物掺合料、外加剂、发泡剂经一定的制备工艺制成的一种多孔轻质混凝土，具有轻质、保温、利废、减震等优良性能，且燃烧性能为A级[1-3]。

发泡剂是决定泡沫混凝土性能和质量的关键因素，直接影响泡沫混凝土的体积密度、强度和导热系数。目前泡沫混凝土的发泡方式主要有物理发泡和化学发泡。物理发泡常用的发泡剂为松香树脂类发泡剂、合成类发泡剂、蛋白型发泡剂及复合型发泡剂，化学发泡常用的发泡剂为锌粉、铝粉和双氧水等[4-7]。目前泡沫混凝土发泡剂所引入的气体分别为：空气、氧气和氢气，在0℃时的导热系数分别为0.0242、0.0248和0.176 W/（m·K）。相比于空气、氧气和氢气，CO2的导热系数较小，其导热系数为0.0143 W/（m·K）[8]。若是泡沫混凝土中所固定的气体为CO2，那么泡沫混凝土的导热系数从理论上来说就会降低；另一方面，CO2也会与硅酸盐水泥组分发生反应，对硅酸盐水泥产生CO2养护作用[9]，或与水化产物发生碳酸化反应，二者均可提高水泥石的强度，同时该2种反应均要消耗CO2，产生一定的真空，对改善热工性能亦有一定贡献。然而现有的文献中并没有将CO2气体作为硅酸盐水泥泡沫混凝土的发泡气体，其主要原因有2方面：（1）在常温下，CO2的饱和气压远远小于大气压强[10]，如果将CO2直接用于制备硅酸盐水泥泡沫混凝土，形成的包裹有CO2的浆体膜会由于内外的压强差而破裂，出现塌模现象；（2）硅酸盐水泥浆体为碱性，CO2为酸性气体，在水泥浆体硬化前CO2会与水泥中氢氧根离子发生反应，消耗掉部分CO2，使泡沫混凝土浆体出现收缩、甚至坍模现象。

本文以碳酸氢盐和酸溶液为发泡剂，辅加稳泡组分，制备了以CO2为发泡气体的新型泡沫混凝土发泡剂，该发泡剂能

在常温常压下稳定存在。

1 试验

1.1 主要原材料

KHCO3：浓度≥99.5%，pH 值≤8.6，分析纯，成都市科龙化工试剂厂。盐酸：浓度36.0%～38.0%，实验室稀释4倍，分析纯，重庆川东化工集团有限公司。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）：非离子型，相对分子质量200万～1400万，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：去离子水。

1.2 发泡剂性能测试方法

按照JC/T 2199—2013《泡沫混凝土发泡剂》测试发泡剂的发泡倍数、1 h沉降距和1 h泌水率。

1.3 发泡剂制备工艺

（1）先将KHCO3加入盛有水的烧杯中，搅拌0.5 min，搅拌速度为1000 r/min。

（2）将聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和十二醇加入KHCO3溶液中，进行机械搅拌，搅拌时间为1.5 min，转速为1500～2000 r/min。

（3）将稀释的盐酸加入烧杯中，边加入边搅拌，搅拌时间8～10 s，搅拌速度 2500 r/min。

2 试验结果与讨论

2.1 以CO2为发泡气体发泡剂的制备原理

CO2气体产生的方式是碳酸氢盐或碳酸盐与氢离子发生反应，而硅酸盐水泥水化后液相为碱性[11-12]，所以即使在硅酸盐水泥浆体中加入碳酸盐或碳酸氢盐也不会产生CO2，因此本论文发泡剂配方设计思路是CO32-与H+发生反应产生CO2，在发泡体系中加入合适的稳泡组分，赋予CO2气泡膜足够的稳定性，使其能够稳定地存在于水泥浆体中不至于破泡。

影响泡沫稳定性的主要因素有表面张力、表面黏度和溶液黏度、气泡膜的复原作用和表面弹性、气体通过液膜的气体透过性、表面电荷的斥力、温度等[13]。已有的文献中所使用的稳泡剂基本上都是表面活性剂，但是这类稳泡剂加入会在CO2气体中引入空气，所以不予考虑这类稳泡剂[14]，聚乙烯醇（PVA）对许多气体具有高度的不透气性，其连续的膜对CO2有很好的隔气性，完全醇解的聚乙烯醇在25℃下测得的CO2透气率仅为0.02 g/m2，所以选取聚乙烯醇为CO2气泡的稳泡剂[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值的影响，PAM水溶液还能与其他有机物的水溶液混溶，另外PAM的加入也不会引入空气[15]；十二醇能延长气泡的破泡半衰期和开始排液时间，能够增加表面膜强度和表面膜黏度，作为一种泡沫稳泡剂常用于泡沫灭火剂中，能够提高CO2气泡的稳定性[16-18]。综合以上分析，选取聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和十二醇作为发泡剂的稳泡组分，选取实验室常见的碳酸氢钾和稀释的盐酸为发泡组分。

2.2 稳泡组分对发泡剂发泡性能的影响及发泡剂

最优配方的确定

发泡剂的稳泡组分对泡沫的稳定性和发泡剂的性能有很大的影响，因此以基准组为对照组，在保持其它组分用量不变的条件下，分别研究聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和十二醇这3种稳泡组分对发泡剂性能的影响，进而确定发泡剂的最优配方。基准组配比如表1所示。

表1 基准组的配比

2.2.1 PVA掺量对发泡剂性能的影响（见图1）

图1 PVA掺量对发泡剂性能的影响

由图1可见，随着PVA掺量的增加，发泡剂的发泡倍数先增大后减小，1 h沉降距和1 h泌水率先减小后趋于稳定，发泡倍数符合JC/T 2199—2013要求，但是当PVA掺量超过0.5 g时，发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率才符合标准要求。当PVA掺量为1.0 g时，发泡剂的发泡倍数达到最大值，此时发泡倍数为26倍，当掺量超过1.0 g后开始降低，这是由于发泡剂溶液的黏度过大，抑制了溶液的起泡能力。1 h沉降距和1 h泌水率先降低后趋于稳定，主要原因是当PVA掺量小于1.0 g时，发泡剂溶液本身的黏度较小，形成的CO2气泡的气泡膜的表面黏度较小，气泡膜的破裂时间较短，气泡的稳定性较差，所以发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率较大。当PVA掺量超过1.0 g时，发泡剂溶液已经具有足够的黏度，形成的CO2气泡的气泡膜黏度足够大，CO2气体透过气泡膜的透过性降低，使其能够稳定存在，所以继续增加PVA掺量发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率基本上保持不变。

2.2.2 PVA种类对发泡剂性能的影响

水溶液的黏度越大，形成的泡沫膜的黏度也越大，泡沫膜的强度也越高，泡沫的稳定性也越好。不同种类的PVA具有不同的醇解度和黏度，在浓度相同的情况下，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会对CO2气泡的稳定性产生很大的影响。表2为不同规格PVA的醇解度、黏度以及对发泡剂发泡倍数、1 h沉降距和1 h泌水率的影响。

表2 不同规格PVA的醇解度、黏度以及对发泡剂性能的影响

由表2可见，随着PVA醇解度的增大，发泡剂的发泡倍数先减小后增大再减小。当聚乙烯醇醇解度为78.5%～81.5%时，发泡剂的发泡倍数为15倍，为5种PVA发泡倍数的最小值，原因是该PVA2的黏度为2.3～3.3 mPa·s，用此聚乙烯醇制备的发泡剂溶液的黏度最小，形成气泡膜的黏度最小，气泡膜破裂的时间最短，泡沫的稳定性最差，在发泡剂起泡的过程中有一些泡沫已经破裂，所以发泡倍数较低。当聚乙烯醇醇解度为87.0%～89.0%时，此时的发泡倍数为26倍，发泡倍数达到最大值，主要原因是该PVA3溶液的黏度最大，为80.0～110 mPa·s，制成发泡剂溶液的黏度最大，形成的泡沫的膜强度最高，在起泡的过程中基本不存在气泡破裂的现象，所以发泡倍数最大。发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率与PVA的黏度呈负相关，5种聚乙烯醇的黏度大小为 PVA3＞PVA5≥PVA4＞PVA1＞PVA2，所以在采用不同种类PVA的发泡剂制备泡沫的过程中，形成的气泡膜强度和稳定性的关系为：PVA3＞PVA5≥PVA4＞PVA1＞PVA2。

2.2.3 PAM掺量对发泡剂性能的影响（见图2）

图2 PAM掺量对发泡剂性能的影响

从图2（a）可以看出，随着PAM掺量的增加，发泡剂的发泡倍数先增大后减小，均符合JC/T 2199—2013的要求，呈现这种趋势的原因主要是随着PAM掺量的增加，发泡剂溶液的黏度逐渐增大，形成的气泡膜黏度逐渐增大，气体透过性逐渐降低，气泡稳定性越来越好，发泡倍数逐渐增大。当PAM掺量增大到6 g时，发泡剂在发泡过程中基本不存在破泡现象，气泡膜具有了足够的强度。但当PAM含量超过6 g后，发泡剂溶液的黏度过大，形成的气体不能冲破浆体黏度所产生的束缚，一些气体不能形成泡沫，发泡剂的发泡倍数降低。

由图2（b）可见，随着PAM掺量的增加，发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率先减小后趋于平缓。PAM掺量为0～2 g时，发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率均不能达到标准要求，主要原因是聚丙烯酰胺掺量较小，发泡剂溶液的黏度较小，在发泡过程中形成的泡沫膜的表面黏度较少，气泡容易破裂，气体透过性较大，所以发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率较大；当PAM掺量达到6 g时，发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率下降的速度变得很慢，这时发泡剂溶液的黏度达到了泡沫稳定存在所需求的黏度，赋予了气泡膜足够的强度；再继续增加PAM的含量，发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率也不会发生较大变化，反而会降低发泡剂的发泡倍数。

2.2.4 十二醇掺量对发泡剂性能的影响（见图3）

图3 十二醇掺量对发泡剂性能的影响

由图3（a）可见，随着十二醇掺量的增加，发泡剂的发泡倍数先增大后减小。当十二醇掺量不超过0.08 g时，发泡倍数有小幅提升，说明低掺量的十二醇有稳泡效果，其原因是十二醇分子本身碳氢链的周围有“冰山”结构，进一步降低了溶液的表面张力，促进了胶团的形成，降低了临界胶束浓度[14]。当十二醇掺量超过0.08 g后，发泡倍数开始降低，其原因是随着十二醇掺量增大，发泡剂溶液的黏度增大，抑制了气泡的形成。

由图3（b）可见，掺入十二醇后，发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率开始都有所降低，其原因是随着十二醇的加入，增加了气泡膜中分子间的作用，使分子排列更加紧密，提高了气泡膜的强度，气体的透过性降低，破泡半衰期和开始排液时间得到延长，所以发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率降低；但是当十二醇掺量超过0.08 g后，半衰期反而会降低，导致发泡剂的1 h沉降距和1 h泌水率有所增大。

2.2.5 发泡剂最优配方

通过以上对比分析可以得出，聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和十二醇都能对发泡倍数、1 h沉降距和1 h泌水率产生一定的影响。结合上述试验结果，确定发泡剂的最佳配方见表3，按此配比制备了性能优异的以CO2为发泡气体的泡沫混凝土发泡剂，发泡倍数为29倍，1 h沉降距为17 mm，1 h泌水率为22%。

表3 发泡剂的最佳配方

3 结论

（1）采用碳酸氢钾和稀盐酸为发泡剂可以制备以CO2为发泡气体的发泡剂，但是需要加入稳泡组分。

（2）通过研究聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、十二醇对发泡剂性能的影响得到了发泡剂的最优配合比为：KHCO34 g、PVA31 g、PAM 6 g、十二醇 0.08 g、H2O 40g、HCl 28.5 ml，该发泡剂的发泡倍数为29倍，1 h沉降距为17 mm，1 h泌水率为22%。