李穎 夏勇

(廣東省建筑材料研究院有限公司)

0 引言

發(fā)泡水泥作為一種新型建筑材料，通常是將發(fā)泡液通過機(jī)械發(fā)泡的形式制成泡沫，然后將其與水泥漿按一定比例混合攪拌而成，因此發(fā)泡水泥制品中具有大量的封閉氣孔，使得其自重遠(yuǎn)低于普通水泥制品。此外大量封閉氣孔的存在導(dǎo)致發(fā)泡水泥制品具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，隔熱效果好，同時(shí)還具備了良好的隔音、耐火、耐凍等性能，將其運(yùn)用在建筑外墻、樓層板中能夠減少建筑能耗，達(dá)到建筑節(jié)能的目的，更有助于實(shí)現(xiàn)中國(guó)在2020年提出的二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030 年前達(dá)到峰值、努力在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[1]。

以往研究顯示，影響水泥制品性能的因素有很多，如水灰比、養(yǎng)護(hù)條件等，但相較于普通水泥制品，影響發(fā)泡水泥隔熱制品性能的關(guān)鍵因素還取決于泡沫的穩(wěn)定性。因此，有諸多研究人員對(duì)發(fā)泡劑的種類、發(fā)泡原理、泡沫失穩(wěn)的原因及影響因素展開了研究。本文將探討發(fā)泡水泥泡沫穩(wěn)定性的影響因素以及評(píng)價(jià)方法并對(duì)評(píng)價(jià)方法展開研究分析，以期為其他學(xué)者對(duì)發(fā)泡水泥泡沫穩(wěn)定性的研究提供參考。

1 發(fā)泡劑的發(fā)泡原理

發(fā)泡劑主要有化學(xué)發(fā)泡劑、物理發(fā)泡劑、表面活性劑，其中表面活性劑分為陽離子發(fā)泡劑、陰離子發(fā)泡劑、非離子發(fā)泡劑、兩性發(fā)泡劑，本文主要對(duì)陰離子發(fā)泡劑展開研究，闡述了十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、十二烷基硫酸鈉(SDS)發(fā)泡的原理及其濃度對(duì)發(fā)泡劑發(fā)泡能力的影響。

由于SDBS、SDS 是一種兩極構(gòu)造的兩親分子，一端是親水基、一端是疏水基，在低濃度下便可顯著降低水溶液表面張力，然后利用發(fā)泡機(jī)或機(jī)械攪拌引入空氣形成了由液體包裹氣體的大量氣泡，即產(chǎn)生了泡沫。有文獻(xiàn)[2]揭示了SDBS、SDS 濃度對(duì)于發(fā)泡劑的發(fā)泡能力具有重要影響，濃度較高、較低都會(huì)對(duì)泡沫質(zhì)量造成不利影響，因此理論上存在最佳濃度以獲得質(zhì)量最佳的泡沫。這可以通過膜彈性理論解釋：當(dāng)SDBS、SDS 濃度較低時(shí)，液膜部分區(qū)域的膜厚度在外力作用下變薄時(shí)，液膜中濃度較高區(qū)域內(nèi)液體向濃度較低區(qū)域內(nèi)流動(dòng)，降低了液膜的平均厚度，泡沫中氣泡直徑出現(xiàn)較大差異，出現(xiàn)較多的連通孔，甚至無法形成泡沫，導(dǎo)致泡沫質(zhì)量較差；當(dāng)SDBS、SDS 濃度較高時(shí)，液膜在外力作用下變薄的程度較小，液膜中濃度變化不是很明顯，膜厚度變化較小，仍舊保持一個(gè)較大的厚度，但隨著液膜內(nèi)液體在自身重力的作用下開始流動(dòng)時(shí)，泡沫也逐漸破碎，產(chǎn)生較多的泌水；當(dāng)SDBS、SDS 濃度適當(dāng)時(shí)，在外力作用下液膜濃度較高區(qū)域內(nèi)液體向濃度較低區(qū)域內(nèi)流動(dòng)，膜厚度雖有所降低，但未影響泡沫質(zhì)量，泡沫泌水亦較少。

2 泡沫失穩(wěn)的原因及影響因素

2.1 泡沫失穩(wěn)原因分析

泡沫作為一種分散體系，發(fā)泡劑發(fā)泡形成的泡沫是由無數(shù)個(gè)液膜包裹氣體的氣泡聚集而成，因此泡沫的狀態(tài)極不穩(wěn)定，在發(fā)泡結(jié)束后經(jīng)過若干分鐘，泡沫便會(huì)發(fā)生破碎、泌水、沉降等現(xiàn)象。目前，關(guān)于泡沫失穩(wěn)的原因主要有以下幾個(gè)方面：

⑴泡沫受到液體自重的影響，液膜內(nèi)液體在重力作用下向下流動(dòng)，導(dǎo)致上部泡沫液膜厚度減小，逐漸破碎；

⑵如果相鄰氣泡之間的液膜較薄、穩(wěn)定性較差時(shí)，液膜容易破碎且破碎后氣體合并形成大的連通孔；

⑶因發(fā)泡劑發(fā)泡形成的泡沫中氣泡尺寸不同，使得氣泡內(nèi)部氣體的氣壓不同，氣泡內(nèi)氣體容易產(chǎn)生擴(kuò)散作用，造成泡沫破碎[3]。

2.2 影響泡沫失穩(wěn)的因素

由于泡沫是亞穩(wěn)定狀態(tài)，易受到外界溫度、壓力、溶液pH 值、溶液中鹽類濃度等因素的影響[4-6]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度較高時(shí)泡沫破碎速度較快，反之則慢，這是因?yàn)闇囟壬仙档土巳芤旱酿ざ?，液膜?nèi)排液速度加快導(dǎo)致泡沫破碎。實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣現(xiàn)象，利用圓形容器裝滿泡沫，且處于自然狀態(tài)下時(shí)，泡沫破碎速度較快；當(dāng)泡沫頂部放置一個(gè)與容器直徑差不多的輕質(zhì)圓板時(shí)，容器內(nèi)泡沫破碎速度較慢，這可能是輕質(zhì)圓板的存在使得泡沫中氣泡內(nèi)外壓強(qiáng)差減小，抑制了液膜內(nèi)氣體擴(kuò)散，導(dǎo)致泡沫破碎速度減緩。另一方面，有學(xué)者指出溶液的pH 值為4～6 時(shí)泡沫的穩(wěn)定性較好，溶液中鹽類濃度較高時(shí)會(huì)降低泡沫的穩(wěn)定性，前者是因?yàn)榘l(fā)泡劑的電離作用易受pH 值的影響，而后者是因?yàn)辂}類濃度升高使得溶液雙電子層結(jié)構(gòu)遭到破壞，減弱了表面活性劑在溶液表面的吸附作用，極性頭基斥力被無機(jī)鹽屏蔽，同時(shí)親水基陽離子與陰離子之間的靜電吸引也被屏蔽了，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性下降。

3 泡沫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

雖然現(xiàn)有規(guī)范《泡沫混凝土用泡沫劑》[7]中提及了測(cè)試泡沫穩(wěn)定性的方法，即1h 沉降距與1h 泌水率，但此方法并不能全面地反映泡沫的穩(wěn)定性，因此，學(xué)者們[4-5]又提出了電導(dǎo)率法、光學(xué)法、聲速法等測(cè)試方法來評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性，此外，本文還將介紹泌水率-時(shí)間曲線分析法來評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性。

3.1 1h 沉降距與1h 泌水率

根據(jù)規(guī)范《泡沫混凝土用泡沫劑》[7]中相關(guān)內(nèi)容，1h沉降距與1h 泌水率的測(cè)量方法是首先將泡沫裝入特制容器中，并將特制的鋁蓋放在泡沫上方，然后在1h 之后測(cè)試鋁蓋下降的距離即為1h 沉降距，接著收集容器中泡沫破碎產(chǎn)生的液體并稱重即可得到1h 泌水量，然后通過相關(guān)公式計(jì)算即可得到1h 泌水率。表1 為市售某發(fā)泡劑1h 沉降距、1h 泌水量以及1h 泌水率測(cè)試結(jié)果。此方法操作起來較為簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果能夠有效地反映泡沫在1h 之后的變化情況，但是對(duì)于泡沫在此1h 之內(nèi)的變化情況卻無法進(jìn)行評(píng)價(jià)，泡沫的形態(tài)變化也無法得到反映，所以利用此方法只能從定量的角度簡(jiǎn)單地評(píng)價(jià)泡沫在1h 之后的穩(wěn)定性。

表1 市售某發(fā)泡劑泡沫1h 沉降距、1h 泌水量以及1h 泌水率測(cè)試結(jié)果

3.2 電導(dǎo)率法

根據(jù)泡沫由氣-液二相構(gòu)成，液體具有導(dǎo)電性而氣體不具有導(dǎo)電性的差異性，有學(xué)者提出采用電導(dǎo)率法來測(cè)試泡沫的電導(dǎo)率，并以電導(dǎo)率結(jié)果對(duì)泡沫的穩(wěn)定性展開評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)時(shí)利用電導(dǎo)率儀測(cè)試泡沫在不同時(shí)間段的電導(dǎo)率，并繪制電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化曲線，通過分析曲線的變化趨勢(shì)以及泡沫的變化情況對(duì)泡沫穩(wěn)定性展開評(píng)價(jià)。有研究員[4]指出電導(dǎo)率法具有較高的靈敏性，能夠清楚地反映泡沫的穩(wěn)定性，但電導(dǎo)率在30min 后會(huì)變成常數(shù)，因此利用此方法只能評(píng)價(jià)泡沫形成中最初30min 內(nèi)的穩(wěn)定性。

3.3 光學(xué)法

由于泡沫是一種分散體系，而光線在分散體系中會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，因此有學(xué)者提出采用光學(xué)法來評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性，通過測(cè)量光線在泡沫中的折射率和透射率來表征。通過光源發(fā)射器發(fā)射紅外光譜，光譜探測(cè)器檢測(cè)折射光與透射光，隨著時(shí)間的變化泡沫會(huì)發(fā)生液膜變薄、破碎、泌水現(xiàn)象，對(duì)光線在泡沫中的折射率和透射率造成明顯的影響，利用光譜探測(cè)器檢測(cè)不同時(shí)間內(nèi)的折射光與透射光并進(jìn)行分析。因此，通過光線折射率和透射率的變化情況可對(duì)泡沫的穩(wěn)定性展開評(píng)價(jià)[5]。

3.4 聲速法

有學(xué)者根據(jù)聲速在不同介質(zhì)中傳播速度不同的原理，提出利用聲速來評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性[8]。由于泡沫是由液膜包裹氣體形成的一個(gè)個(gè)氣泡而組成，當(dāng)泡沫孔徑均勻、沒有出現(xiàn)較大的孔洞時(shí)，此時(shí)泡沫質(zhì)量較佳；但隨著時(shí)間增加，泡沫質(zhì)量開始發(fā)生變化，泡沫孔徑開始變大，液膜厚度開始變小，同時(shí)有泌水情況發(fā)生，因此，聲速在這兩種情況下具有較大的差異性。利用聲速法評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性時(shí)，首先將兩端開口的圓柱形容器中裝滿泡沫，然后在一端安裝發(fā)聲器，另一端安裝接收器，通過發(fā)聲器發(fā)出聲波，接收器接受聲波，根據(jù)時(shí)間差計(jì)算聲波在泡沫中的聲速，間隔一定時(shí)間進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)可獲得一系列聲速結(jié)果，通過分析聲速結(jié)果以及觀察泡沫的形態(tài)變化進(jìn)行評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性。

3.5 泌水量- 時(shí)間曲線分析法

為詳細(xì)獲取泡沫在1h 之內(nèi)的變化情況，本研究團(tuán)隊(duì)提出了采用泌水量-時(shí)間曲線分析法來評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性。具體操作方法如下：首先將規(guī)范《泡沫混凝土用泡沫劑》[7]中測(cè)量1h 沉降距與1h 泌水率的容器進(jìn)行改造，為其增設(shè)支座使其能夠固定，并在其底部增設(shè)液體接受裝置，且該裝置具有實(shí)時(shí)記錄功能；然后將泡沫裝入容器中，打開液體接受裝置中實(shí)時(shí)記錄功能即可；待記錄完畢將相關(guān)數(shù)據(jù)繪制成折線圖并進(jìn)行分析。

如圖1 所示，對(duì)市售某發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)并繪制了泡沫的泌水量-時(shí)間曲線。觀察圖中曲線可知，在第一階段（0～15）內(nèi)，泌水量幾乎為零，表明在此時(shí)間段內(nèi)泡沫基本保持穩(wěn)定狀態(tài)；在第二階段（15～60）內(nèi)，泌水量急劇增大，表明在此時(shí)間段內(nèi)泡沫開始大量破碎，原本密集的小氣泡也因液膜的破碎而變成孔徑較大的氣泡，液膜內(nèi)液體在自身重力作用下向下流動(dòng)，出現(xiàn)較多泌水；在第三階段（75～240）內(nèi)，泌水量緩慢增加，表明在此時(shí)間段內(nèi)泡沫仍繼續(xù)破碎，但破碎速度較緩，這是因?yàn)樵诘诙A段內(nèi)泡沫大量破碎使得液膜厚度變薄，此時(shí)液膜破碎產(chǎn)生的泌水較少，所以，此階段泌水量隨著時(shí)間的增加而緩慢增加?？梢姡捎妹谒?時(shí)間曲線分析法能夠清晰地反映泡沫在1h 內(nèi)泌水量的實(shí)時(shí)變化情況，在一定程度上可以對(duì)泡沫的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 泌水量- 時(shí)間變化曲線圖

4 小結(jié)

⑴采用SDBS、SDS 作為發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡時(shí)存在最佳濃度，濃度過高或過低均會(huì)對(duì)泡沫的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。

⑵泡沫的穩(wěn)定性是影響發(fā)泡水泥制品性能的關(guān)鍵因素，但泡沫的穩(wěn)定性受到溫度、溶液pH 值、溶液中鹽類濃度等因素的影響，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)需要綜合考慮多方面因素。

⑶目前關(guān)于泡沫穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法較多，但缺乏足夠的理論基礎(chǔ)，其中，聲速法、電導(dǎo)率法以及光學(xué)法能夠更加清晰地評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性，但裝置復(fù)雜、費(fèi)用高，而1h 沉降距、1h 泌水率以及泌水量-時(shí)間曲線分析法操作比較簡(jiǎn)單，但僅能從宏觀角度對(duì)泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，繼續(xù)開展關(guān)于泡沫穩(wěn)定性檢測(cè)方法的研究有助于更加全面地了解發(fā)泡水泥，有助于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)性能優(yōu)良的發(fā)泡水泥制品，在降低能源消耗、建筑節(jié)能方面具有重要意義。