程寶軍，康升榮，麻鵬飛，史博元

(中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610064)

0 前 言

泡沫混凝土新拌漿體穩(wěn)定性存在的問題主要有混凝土攪拌成型后，泡沫劑附著在水泥顆粒表面導(dǎo)致的阻礙水泥材料水化進(jìn)程，以及混凝土穩(wěn)定之前泡沫消減造成的整體穩(wěn)定性差，澆筑后易塌模等[1-4]。發(fā)泡劑的發(fā)泡能力和泡沫的持久穩(wěn)定性是影響新拌漿體的流動(dòng)性和澆筑體的體積穩(wěn)定性，最終影響硬化體的密度和強(qiáng)度的主要因素[2]。目前發(fā)泡劑品種主要有松香型發(fā)泡劑、離子型發(fā)泡劑、蛋白類發(fā)泡劑和復(fù)合類發(fā)泡劑[5]。

表面活性劑因其表面活性，能有效降低液體的表面張力[6]，具有起泡速度快、泡沫量大、在較低的濃度下也有較高的發(fā)泡能力等優(yōu)點(diǎn)，其中表面活性是發(fā)泡的核心。但其不足是泡徑大、泡壁薄、消泡快、穩(wěn)定性不佳，需加入大量穩(wěn)泡劑[2]，且表面活性劑種類多樣，對液體表面的影響又不盡相同，所以并不是所有的表面活性劑均可用于做發(fā)泡劑[6]，對表面活性劑的正確選擇與合理搭配是發(fā)泡功與否的關(guān)鍵。

本文選擇了作為發(fā)泡劑時(shí)常用的AES、K12、十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、AOS、AEO-9、CMEA、茶皂素和CHSB等9種表面活性劑，以摻量為單一變量，研究了其對發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能的影響，確定了表面活性劑發(fā)泡性能單組分最佳濃度，進(jìn)一步通過引入納米材料對表面活性劑型發(fā)泡劑進(jìn)行改性，以期改善表面活性劑型發(fā)泡劑發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)所用表面活性劑種類及生產(chǎn)廠家見表1。發(fā)泡劑改性所用納米材料包括疏水納米SiO2、碳酸鈣晶須和納米石墨烯，其中疏水納米SiO2為來自江蘇天行新材料有限公司的TSP-L12，性能指標(biāo)見表2，碳酸鈣晶須來自東莞市漢騰塑膠有限公司，性能指標(biāo)見表3，納米石墨烯來自鄭州萬創(chuàng)化工產(chǎn)品有限公司，性能指標(biāo)見表4。

表1 表面活性劑種類及生產(chǎn)廠家

表2 疏水納米SiO2性能指標(biāo)

表3 碳酸鈣晶須性能指標(biāo)

表4 納米石墨烯性能指標(biāo)

1.2 泡沫制備方法

試驗(yàn)時(shí)不同表面活性劑濃度設(shè)置0.3%、0.4%、0.5%、0.6%和0.7%等5個(gè)梯度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案稱取所需化學(xué)試劑的質(zhì)量，用少量熱水將表面活性劑完全溶解，之后加入室溫水稀釋至需要濃度，取20 mL稀釋液以2 500 r/min的速度分散1 min，通過高壓空氣發(fā)泡機(jī)制出泡沫。

1.3 性能評價(jià)指標(biāo)及其測定方法

1)發(fā)泡倍數(shù)。發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)即所發(fā)泡沫體積與發(fā)泡劑稀釋液的體積比[7]，標(biāo)準(zhǔn)《泡沫混凝土用泡沫劑》(JC/T 2199―2013)要求發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)≥20倍[8]。本文以20 mL表面活性劑所發(fā)泡沫體積(發(fā)泡體積)作為評價(jià)其發(fā)泡性能的依據(jù)。

2)穩(wěn)泡性能。由于不同表面活性劑所發(fā)泡沫泌水量和沉降距在一定程度上不是正相關(guān)的，所以本文以析液半衰期T1/2(s)作為評價(jià)泡沫穩(wěn)定性能的指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為不同濃度下表面活性劑發(fā)泡體積測試結(jié)果。從濃度對泡倍數(shù)影響趨勢來看，AES、K12、AOS、AEO-9、茶皂素濃度的提升對發(fā)泡體積有利，十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、CMEA和CHSB濃度的提升對發(fā)泡倍數(shù)不利。且在較低濃度時(shí)，十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、CMEA和CHSB發(fā)泡效果較好，高濃度時(shí)，AES、K12、AOS、AEO-9、茶皂素發(fā)泡效果較好。

圖2為不同濃度下表面活性劑析液半衰期測試結(jié)果。從濃度對泡倍數(shù)影響趨勢來看，雖然低濃度(0.3%)十二烷基苯磺酸鈉析液半衰期最高(372 s)，但AES、K12、AOS、AEO-9、CMEA、茶皂素和CHSB濃度的提升對穩(wěn)泡性能有利，十二烷基磺酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉濃度的提升對穩(wěn)泡效果不利，且高濃度時(shí)K12穩(wěn)泡效果最好。綜合圖1和圖2來看，在所選取的9種表面活性劑中，0.3%濃度的十二烷基苯磺酸鈉發(fā)泡體積和穩(wěn)泡性能最佳，但AES、K12、AOS、AEO-9和茶皂素濃度的提升對發(fā)泡劑發(fā)泡體積和泡沫穩(wěn)定性有利。

圖1 發(fā)泡體積

圖2 析液半衰期

2.2 單因素試驗(yàn)極差分析

為了探究9種表面活性劑濃度對發(fā)泡體積和穩(wěn)泡性能的影響程度，對單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析，分析結(jié)果見表5。從極差來看，對于發(fā)泡體積來說，濃度對其影響程度由大至小依次為十二烷基苯磺酸鈉、AOS、CMEA、十二烷基磺酸鈉、AEO-9、AES、CHSB、茶皂素、K12，其中十二烷基苯磺酸鈉濃度對發(fā)泡體積影響程度最大，K12對發(fā)泡體積影響程度最?。粚τ谖鲆喊胨テ趤碚f，濃度對其影響程度由大致小依次為十二烷基苯磺酸鈉、K12、十二烷基磺酸鈉、AES、AOS、茶皂素、AEO-9、CHSB、CMEA，其中CMEA濃度對析液半衰期影響程度最小，十二烷基苯磺酸鈉濃度對析液半衰期影響程度最大。在濃度的提升對發(fā)泡體積有利的表面活性劑中，AOS濃度影響程度最大，K12濃度影響程度最小；在濃度的提升對析液半衰期有利的表面活性劑中，K12濃度影響程度最大，CMEA濃度影響程度最小。雖然低濃度時(shí)K12發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能一般，但高濃度時(shí)K12同時(shí)擁有較高的發(fā)泡體積和最大的析液半衰期，這是由于K12分子中親水基結(jié)構(gòu)簡單，溶解性好，單分子的遷移能力強(qiáng)，發(fā)泡過程中能夠迅速遷移至新生氣液界面上，保持液體動(dòng)態(tài)張力的平衡，故K12具有很好的起泡性，且K12分子在泡沫液膜表面上的吸附量多、排列緊密，液膜表觀黏度大，泡沫排液時(shí)間長[9]，泡沫穩(wěn)定性也好。

表5 表面活性劑單因素試驗(yàn)結(jié)果極差分析

2.3 納米材料對K12發(fā)泡性能改性研究

根據(jù)本文2.1研究可知K12濃度對發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能均有正向影響，且濃度較高時(shí)其穩(wěn)泡效果最好，所以選取0.7%濃度的K12溶液作為基礎(chǔ)發(fā)泡劑，采用疏水納米二氧化硅、碳酸鈣晶須和納米石墨烯等納米物質(zhì)對K12進(jìn)行改性，研究其對K12發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能的影響，納米材料摻量為發(fā)泡劑摻量的0.5‰，具體配合比見表6。

表6 納米材料改性K12配合比

表7為摻加了納米材料的0.7%K12溶液發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能測試結(jié)果。由表，可知，摻加0.5‰的疏水納米二氧化硅、碳酸鈣晶須和納米石墨烯對K12溶液發(fā)泡體積影響不大，但摻加碳酸鈣晶須和納米石墨烯會(huì)在一定程度上降低所發(fā)泡沫析液半衰期。摻加疏水納米SiO2可使泡沫析液半衰期增加至584 s(較空白組增加了62%)，這主要是因?yàn)槭杷{米顆?？梢晕皆跉庖合嘟缑?，降低液面表面張力，從而極大地提升了其穩(wěn)泡能力。

表7 納米材料對K12發(fā)泡劑性能的影響

3 結(jié) 論

1)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，AES、K12、AOS、AEO-9、茶皂素等表面活性劑濃度的提升對其發(fā)泡能力和穩(wěn)泡性能有利。

2)表面活性劑濃度對發(fā)泡體積影響不大，但對穩(wěn)泡性能有巨大影響，其中K12穩(wěn)泡性能對溶液濃度最敏感，CMEA穩(wěn)泡性能對溶液濃度敏感度最小。

3)疏水納米材料可以極大地提升泡沫析液半衰期，改善其穩(wěn)泡性能。

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