摘 要:概述了发泡剂的分类及在建材领域的应用。介绍了几种应用于混凝土中的发泡剂以及国外发泡剂的主要技术指标和测试方法,对国内外泡沫混凝土研究状况进行了综述。展望了泡沫混凝土的发展趋势。
关键词:发泡剂;泡沫混凝土;发展现状;展望
中图分类号: TU 528. 042. 4 文献标识码:A
引言
混凝土是当今使用量最大的建筑材料之一。将发泡剂引入混凝土,在混凝土内部产生微小的均匀气泡,可形成质轻、保温性能好的泡沫混凝土,用于屋面、非承重墙及热力管道的保温层。随着泡沫混凝土在工程中应用的日益广泛,对发泡剂以及泡沫混凝土进行深入研究非常必要。
1 发泡剂的分类及在建材领域的应用
1. 1 发泡剂的分类
发泡剂[ 1 ]是能使材料内部产生泡沫而形成闭孔或联孔结构材料的物质,按照其发泡原理,可将其分为化学发泡剂和物理发泡剂两大类[ 2 - 5 ] 。化学发泡剂是指那些经加热分解后能释放出二氧化碳和氮气等气体,并在聚合物组成中形成细孔的化合物。
物理发泡剂是指通过某一种物质的物理形态的变化形成泡沫细孔,即通过压缩气体的膨胀、液体的挥发或固体的溶解而形成的,不经过化学反应,是一种挥发性的发泡剂。发泡剂的分类见图1。
发泡剂能在特定的条件下产生大量气体,在塑料和橡胶内形成多孔结构,这种结构赋予了塑料和橡胶制品轻量化、隔热性、隔音性和机械阻尼性等,在塑料和橡胶产业具有极其广泛的应用,已经成为塑料、橡胶工业生产中不可或缺的加工助剂。由于发泡产品优良的性能,在建筑材料领域也有着广泛的应用。
1. 2 泡沫水泥与泡沫混凝土
1975年,美国的Aldrish和Mitchell提出直接在水泥浆中充气,即以气体作为减轻剂来达到降低水泥浆密度的方法。1978年,美国的Yamada S等试验并成功地制造出油井用泡沫水泥,其于1979年首次应用的效果很好。20 世纪80年代,泡沫水泥的发泡和稳泡技术都有了很大发展,改进了泡沫发生器,严格选择表面活性剂作为稳泡剂,使气体能以互相分离的均匀气泡的形式稳定地分散于整个体系中,配制出性能优良的泡沫水泥浆[ 6 ] 。与其他的低密度水泥相比,泡沫水泥具有密度低、渗透率低、热导率低、强度高等特点,是一种超低密度水泥浆,主要用以解决低压易漏长封固段的固井问题和深层稠油油藏开采过程中的井筒保温问题。
1. 3 泡沫微晶玻璃[ 7 ]
泡沫微晶玻璃( Foam Glass - ceramic)是以废玻璃、粉煤灰、非金属矿等为主要原料,加入发泡剂、成核剂和外加剂等,经粉碎后混合均匀形成配合料,然后将配合料置于特制的模具中,经过预热、熔融、发泡、析晶、退火等工艺制成的新型多孔微晶玻璃墙体材料。
泡沫微晶玻璃是一种性能优越的隔热、吸声、防潮、防火、轻质、高强的新型环保建筑材料,是固体废弃物再生利用、保护环境并获得丰厚经济效益的范例。
1. 4 泡沫金属
泡沫金属是一种新型多孔材料,是近年来发展起来的一种新型功能材料,经过发泡处理形成大量的气泡,分布在连续的金属相中构成孔隙结构。这些气泡的内部由连续或不连续的气体与基体金属构成,因而既具有连续相金属的特性,如强度高、导热性好、耐高温等,又具备分散相气孔的特性,如阻尼性、隔离性、绝缘性、消声减震性等,两者的有机结合使得泡沫金属在很多领域特别是高技术领域受到广泛重视,具有较广阔的发展前景[ 8 ] 。目前,泡沫金属在汽车制造、航空航天等领域的应用较深入,被誉为“汽车的最佳材料”,而在建筑业中的应用还不是很广泛,主要用于室外装饰幕墙、室内装饰墙面、天花板、移动隔断、滑动门、地板、活动房、装饰件等。
对泡沫金属中研究较深入的是泡沫铝,它已经成功地应用于空压机房、列车发动机房、声频室、施工现场等吸声领域,并取得了很好的效果。
2 应用于泡沫混凝土中的发泡剂
泡沫(发泡)混凝土通常是将发泡剂水溶液用机械方法制成泡沫,再将泡沫加入到含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂等组成的料浆中,经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种内部含有大量封闭气孔的“密孔”混凝土[ 9 ] 。
2. 1 发泡剂的技术指标及要求
我国对混凝土用发泡剂的研究起步较晚,目前还没有统一的关于泡沫混凝土的技术规范,国外比较成熟的技术指标及测试方法[ 10 ]主要有:
(1)发泡倍数:泡沫体积大于发泡剂水溶液体积的倍数,要求大于20倍。
(2)沉降距:泡沫柱在一定时间内沉陷的距离,要求1 h泡沫的沉降距≯10 mm。
(3)泌水量:泡沫破坏后所产生的发泡剂水溶液体积,要求1 h的泌水量≯80 ml。
2. 2 测试方法
泡沫的沉陷距和泌水量可用泡沫质量测定仪器测定。该仪器由容器、玻璃管和浮标组成,容器底部有孔, 玻璃管与容器的孔相连接, 玻璃管直径为14 mm,长度为700 mm,底部有小龙头。浮标是一块直径为190 mm、质量为25 g的圆形铝板。根据上端容器上的刻度,测定泡沫的沉陷距。根据量管上的刻度,测定由破裂泡沫所分泌出的容量即泌水量。
发泡倍数的测定方法是将制成的泡沫注满容积为250 ml、直径为60 mm的无底玻璃桶内,两端刮平,称其质量。发泡倍数M 可按(1)式计算:
式中:M ———发泡倍数;
V ———玻璃桶容积, cm3 ;
γ———泡沫剂水溶液的密度,接近于1 g/ cm3 ;
G1 ———玻璃桶质量, g;
G2 ———玻璃桶和泡沫质量, g。
2. 3 应用于泡沫混凝土中的发泡剂
应用于泡沫混凝土中的发泡剂种类很多,目前主要有:松香酸皂类发泡剂、金属铝粉发泡剂、植物蛋白发泡剂、动物蛋白发泡剂、树脂皂类发泡剂、水解血胶发泡剂、石油磺酸铝发泡剂等。我国对发泡剂的研究总体上还比较落后,功能偏少,综合指标不高,虽然有些发泡剂的发泡倍数大,但稳定性差、制品强度不高。
松香皂发泡剂是使用较早的一种发泡剂,是以松香和氢氧化钠等为主要原料,经过皂化反应制取的一种表面活性剂,其主要成分为松香树脂的钠盐,外观呈浅黄褐色液体。其制造工艺简单,材料成本较低,但其发泡能力及泡沫强度也较差,不适于制作700 kg/m3 以下的发泡混凝土制品。① 可以按松香∶氢氧化钠∶水= 5 ∶1 ∶35 的配比[ 11 ] ,将松香皂化制成松香酸钠溶液,使用时加入一定比例的水,经搅拌产生大量泡沫,将泡沫加入料浆,搅拌后形成泡沫料浆,然后浇注模具。脱模后,淋水养护7 d,然后在自然条件下养护28 d。
植物蛋白发泡剂是以天然高分子材料为原料,经一系列复杂的化学反应生成。这种发泡剂为淡黄色透明液体,溶于水,对硬水不敏感,无毒、无味,具有优异的发泡能力,泡沫丰富、细密。但是,由于原材料的质量不稳定,造成最终产品的发泡性能不稳定,只适合于较少的场合使用,因而未得到大面积推广。
目前,国内外广泛认可的是动物蛋白发泡剂。
动物蛋白发泡剂是以动物(牛、羊)角质蛋白为主要原材料,加入一定量的氢氧化钠、盐酸、氯化镁等化工原料,加温溶解、稀释、过滤、高温缩水而成,呈暗褐色黏性液体。质量合格的动物蛋白发泡剂具有发泡量大、泡沫强度高、持续时间长等优点,在日本、美国等工业化国家已经广泛使用。作为发泡剂,其具有发泡倍数高、泡壁厚、稳定性好、消泡时间长、泡沫空隙之间不联通、独立性好、造价低廉等优势。我国的一些研究人员也对蛋白质发泡剂进行了研究[ 12 - 13 ] ,但在发泡剂的发泡能力、泡沫稳定性等方面,与国际上成熟的蛋白质发泡剂相比差距较大,有待于进一步改善和提高。
