阴离子型发泡剂在泡沫粉煤灰水泥中的应用研究

2013-07-31童汉清罗刚富

当代化工 2013年6期

童汉清，梁亮，罗刚富

（广东石油化工学院，广东茂名 525000）

随着生产力的快速发展，世界各国能源的消耗量日益增加，全球能源需求量正以每年 2%的比率增长。有关部门的统计数据显示：在各国的能源消耗比例中，建筑能耗都占有很高的比重，最高甚至可以达到能源消耗总量的40%[1,2]。

我国资源占有量不到世界平均水平的1/5，而单位建筑面积能耗则是气候相近的发达国家的 3～5 倍[3]。由于我国对建筑物的保温、隔热、气密性重视不够，大部分既有建筑和新建建筑的保温、隔热和气密性都较差。据统计，到目前为止，我国既有的400 多亿 m2城乡建筑中，99%为高能耗建筑，新建的房屋建筑中，95%以上仍是高能耗建筑。如果高能耗建筑继续大量兴建，建筑能耗将急剧增加，不但会给我国能源供应带来巨大压力，而且会造成严重的环境污染，这与我国实施的可持续发展战略背道而驰[4,5]。由此可见，开发出适合我国国情的高效保温隔热材料、大力推广节能建筑、认真贯彻我国的节能标准，对于节约采暖能耗、保护环境、保持我国国民经济的持续高速发展具有极其重要的意义[6,7]。

泡沫水泥是在水泥制品中引入泡沫，使其内部产生分布均匀的、相互独立的细小封闭气孔，以形成质量轻、保温隔热及隔音性能好的新型材料。泡沫水泥在屋面保温层、非承重墙体等建筑行业以及化工热力管道的保温隔热等领域有着广泛的应用空间[8,9]。

生产泡沫水泥的关键因素之一是配制发泡剂。能产生泡沫的物质很多，但是并非所有能产生泡沫的物质都能用于泡沫水泥制品的生产。只有在泡沫和料浆混合时泡沫薄膜不易破坏，泡沫具有足够的稳定性，对水泥的凝结和硬化不起有害影响的泡沫剂，才能用来生产泡沫水泥。

选取不同的阴离子表面活性剂并掺入适量的自制稳泡剂配制复合发泡剂，添加一定量的粉煤灰制备泡沫水泥，研究发泡剂的种类与浓度以及粉煤灰添加量对泡沫水泥导热系数与抗压强度等性能参数的影响，为发泡剂及粉煤灰在泡沫水泥中的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 原材料

普通硅酸盐水泥（32.5 级），广东茂名天桥水泥厂；粉煤灰，广东茂名石化公司；十二烷基苯磺酸钠（LAS），天津市永大化学试剂有限公司；脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES），广州丰煌化工科技有限公司；α-烯烃磺酸钠（AOS），广州丰煌化工科技有限公司。

稳泡剂：凝胶状物质，自制。

1.2 主要仪器设备

DRM-I 导热系数测试仪，湘潭市仪器仪表有限公司；300kN 压力机，济南恒思盛大仪器有限公司。

1.3 实验方法

(1)在普通硅酸盐水泥中添加不同比例的粉煤灰，拌制水胶比为0.5 的水泥浆料，经注模、脱模、养护，进行抗压强度及导热系数测定，考察粉煤灰用量对水泥石性能的影响，确定粉煤灰的适宜用量。

(2)选用3 种阴离子表面活性剂作为泡沫水泥发泡剂，考察不同浓度发泡剂溶液的发泡能力、泡沫稳定性及泡沫泌水量等性能指标，筛选出适宜的表面活性剂用于制作发泡剂。

(3)在发泡剂溶液中加入自制的稳泡剂，考察稳泡剂加入量对3 种发泡剂性能指标的影响，确定适宜的稳泡剂用量，以配制复合发泡剂。

(4)在普通硅酸盐水泥中添加一定量的粉煤灰，并加入不同用量的复合发泡剂，经注模、脱模、养护，进行抗压强度及导热系数测定，考察复合发泡剂用量对泡沫水泥石抗压强度和导热系数的影响。

2 实验结果与分析

2.1 粉煤灰对不同龄期水泥石抗压强度的影响

采用40%粉煤灰、水胶比为0.5 的水泥石进行抗压实验，考察粉煤灰对不同龄期水泥石抗压强度的影响，并与空白相对照。实验结果见表1。

表1 粉煤灰对水泥石抗压强度的影响Table 1 Effect of fly ash on the compressive strength of the foam cement paste

表1 实验结果表明，粉煤灰的掺入对早期水泥石抗压强度有减弱作用，而龄期60 d 后，粉煤灰对水泥石抗压强度有明显的增强作用。

粉煤灰是煤粉燃烧后的烟气中收集的细灰。煤粉在燃烧过程中绝大部分可燃物都能在炉内烧尽，少量不燃物(主要为灰分) 以熔融状态混杂在高温烟气中，随着烟气温度的降低，熔融的细粒因受到一定程度的急冷而形成呈玻璃体状态的粉煤灰。

粉煤灰对水泥石抗压强度的影响主要是由三个因素的共同作用：一是粉煤灰的填充作用，粉煤灰的掺入能够减少水泥石中的孔隙，使其微结构更加密实；二是粉煤灰的掺入能够使水泥颗粒在浆体里分布得更为均匀，水化更为充分，从而提高了水泥石的抗压强度[10]；三是粉煤灰中含有活性SiO2和活性Al2O3，活性SiO2与活性Al2O3在有水份存在的条件下能与 Ca(OH)2或其他碱土氢氧化物发生化学反应，生成强度高、稳定性好的低碱性水化硅酸钙和水化铝酸钙[11]。

当在水泥水化过程中加入适量的粉煤灰后，水泥的水化过程存在二次反应过程：首先是水泥熟料的水化，放出 Ca(OH)2，然后粉煤灰中的活性 SiO2和Al2O3与Ca(OH)2发生火山灰反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，并逐渐结硬而具有强度，其反应式可写为[12]：

xCa(OH)2+SiO2+(n-1)H2O → CaO·SiO2·nH2O

xCa(OH)2+Al2O3+(n-1)H2O → xCaO·Al2O3·nH2O

粉煤灰水泥石的早期强度发展缓慢，主要是因为粉煤灰外层有一层致密的玻璃质表层，阻碍了粉煤灰与碱性化合物的水化作用，因此，粉煤灰对水泥石早期强度的贡献很小，而粉煤灰颗粒对水泥颗粒的解絮作用甚至会使粉煤灰水泥石的早期强度降低[13]。

随着水泥水化析出的 Ca(OH)2逐渐侵蚀玻璃质表层，粉煤灰颗粒的内部表面暴露出来，粉煤灰颗粒将充分参与水化作用，与Ca (OH)2反应形成水化产物，因此，粉煤灰水泥石后期强度比普通水泥石有显著增长。

2.2 粉煤灰用量对水泥石性能的影响

以0.5 的水胶比，龄期60 d，采用不同的粉煤灰掺量进行水泥石抗压实验及导热系数测定实验，考察粉煤灰掺量对水泥石的抗压性能及导热性能的影响，并与未添加粉煤灰的水泥石相对照。实验结果见表2。

表 2 抗压强度实验结果表明，粉煤灰掺量在30%以内时，其抗压强度均大于未添加粉煤灰的水泥石，粉煤灰掺量为30%时抗压强度最高，随着粉煤灰掺入量的增加，抗压强度呈下降趋势，粉煤灰掺量达到40%以后，抗压强度降幅也迅速加大。

表2 导热系数实验结果表明，随着粉煤灰掺入量的增加，导热系数逐渐下降。粉煤灰是呈玻璃体状态的多孔型蜂窝状结构，孔隙率高达50%～80%，这些孔结构增加了传热热阻，使水泥石导热性能下降，保温性能变好。

表2 粉煤灰掺量对水泥石抗压强度和热导热系数的影响Table 2 Effect of fly ash quantity on the compressive strength and thermal conductivity of the foam cement paste

2.3 发泡剂的性能测试实验

发泡剂的性能主要通过发泡剂的发泡倍数、泡沫半衰期及泌水量等技术指标来表达。发泡倍数反映发泡剂的发泡能力，泡沫半衰期反映发泡剂的泡沫稳定性，泡沫泌水量为泡沫破坏后所产生发泡剂水溶液的体积。

发泡剂性能技术指标的实验测定方法：将一定浓度的发泡剂溶液在一定转速下（大于1 000 r/min）搅拌60 s 充分发泡，将制成的泡沫注入容积为250 mL、直径为60 mm 的无底玻璃桶内，两端刮平，称取泡沫质量（总重量减去空玻璃筒重量），即为发泡剂溶液的质量，发泡剂溶液密度视为1.0 g/mL 得出发泡剂溶液的体积，泡沫体积与发泡剂溶液体积之比即为发泡倍数。取1 000 mL 量筒并注入泡沫，量筒口加盖静置，记录泡沫高度下降一半所需时间，即泡沫半衰期。同时记录静置 1 h 内泡沫破坏所产生发泡剂水溶液的体积，即为泡沫泌水量。

阴离子表面活性剂能大幅降低水溶液的表面张力，有利于泡沫的形成，具有良好的发泡性能，是目前使用最多的一类发泡剂。

选用十二烷基苯磺酸钠（LAS）、α-烯烃磺酸钠（AOS）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）3 种阴离子表面活性剂作为发泡剂，实验测定不同浓度下发泡剂溶液的发泡倍数、泡沫半衰期与泡沫泌水量。实验结果见图1、图2、图3。

图1 与图2 的实验结果表明，AOS 的发泡能力与泡沫稳定性均优于AES 和LAS，LAS 的发泡能力优于AES，但泡沫稳定性弱于AES。当AOS 及LAS浓度高于0.8%时，发泡剂的发泡倍数均已大于20。

图1 发泡剂浓度对发泡倍数的影响Fig.1 Effect of concentration of foaming agent on foaming multiple

图2 发泡剂浓度对泡沫半衰期的影响Fig.2 Effect of concentration of foaming agent on foaming half-life

图3 发泡剂浓度对泡沫泌水量的影响Fig.3 Effect of concentration of foaming agent on foaming bleeding

图3 实验结果表明，3 种阴离子表面活性剂的泡沫泌水量接近，浓度高于0.6%时，泡沫泌水量均已小于80 mL，3 种阴离子表面活性剂的浓度高于0.8%后，泌水量变化幅度趋缓。

以上发泡剂的性能测试实验结果得出结论：表面活性剂AOS 的发泡能力、泡沫稳定性以及泡沫泌水量等性能指标均优于AES 和LAS，浓度为0.8%的AOS 溶液的泡沫技术指标已经达到较好的水平。

2.4 稳泡剂用量对发泡剂性能影响的测试实验

依据以上实验结果，选用含AOS、AES 及LAS浓度各为0.8%的3 种发泡剂溶液，分别加入不同用量的自制稳泡剂G，采用2.3 实验方法测定发泡剂的性能指标，考察稳泡剂用量对发泡剂性能的影响。实验结果见图4、图5。

稳泡剂G 为胶类物质，溶解在水溶液中可明显增加水溶液的粘度，继而增加气泡液膜的韧度和强度，降低气泡液膜厚度变小的速度，明显提高了泡沫的稳定性。但溶液粘度增加，增大单位表面积所需的功也增大，同样大小的功能够增大的表面积则减小[14]，发泡剂的发泡能力则略有降低。

图4 稳泡剂浓度对发泡倍数的影响Fig.4 Effect of concentration of foam stabilizer on foaming multiple

图5 稳泡剂浓度对泡沫半衰期的影响Fig.5 Effect of concentration of foam stabilizer on foaming half-life

图4、图5 实验结果表明，在表面活性剂浓度为0.8%的3 种发泡剂中加入自制稳泡剂G，其发泡能力均有所下降，稳泡剂浓度为0.4%以内（稳泡剂量/发泡剂量）时，AOS 溶液的发泡能力仍高于AES溶液和LAS 溶液。稳泡剂G 对3 种发泡剂泡沫稳定性均有良好的提升作用。表3 统计了0.3%浓度的稳泡剂G 对发泡剂发泡能力及泡沫稳定性影响幅度。

表3 稳泡剂G 对发泡剂发泡能力与泡沫稳定性的影响Table 3 Effect of foam stabilizer G on the foaming capacity and foam stability of the foaming agent

表3 实验数据表明，稳泡剂对泡沫稳定性的增强作用远高于对发泡能力的削弱作用。

2.5 泡沫水泥石的性能测试实验

泡沫水泥的制备方法有两种，一是在胶凝材料中掺入发泡剂，使胶凝材料在制浆搅拌过程中自然发泡，称之为混合搅拌法。另一种方法是预制泡混合法，首先使用高速搅拌机把发泡剂预先制成泡沫，再将一定体积的泡沫掺入按一定配比制成的水泥浆体中，制成泡沫水泥制品。

实验采用预制泡混合法制备粉煤灰泡沫水泥试样，泡沫与水泥浆搅拌均匀立即注模，24 h 后脱模，养护28 d。

在浓度为0.8%的AOS 溶液中添加0.3%的自制稳泡剂G，配制复合发泡剂。按30%的粉煤灰掺量，50%的水胶比，取用不同用量的复合发泡剂制备泡沫水泥试块，进行试块的抗压强度与导热系数测定实验，考察发泡剂用量（发泡剂量/(水泥+粉煤灰)）对泡沫水泥性能的影响，并与未添加稳泡剂的发泡剂相比较。实验结果见图6、图7。

图6 发泡剂用量对泡沫水泥抗压强度的影响Fig.6 Effect of composite foaming agent quantity on the compressive strength of the foam cement paste

图7 发泡剂用量对泡沫水泥导热系数的影响Fig.7 Effect of composite foaming agent quantity on the thermal conductivity of the foam cement paste

图6、图7 实验结果表明，随着发泡剂用量的增加，水泥料浆中形成闭合气泡量加大，泡沫水泥的抗压强度与导热系数均大幅降低，且采用添加稳泡剂的复合发泡剂制备泡沫水泥，其抗压强度与导热系数较未添加稳泡剂均有明显降低，说明稳泡剂的作用使泡沫水泥中气泡含量有所增加。发泡剂用量大于3.5%，泡沫水泥石的抗压强度与导热系数变化幅度均趋于平稳，说明发泡剂用量大于3.5%后，泡沫水泥石内气泡含量已变化不大。