不同稳泡剂对发泡水泥性能的影响

李凯斌，刘彦峰，周春生，李仲谨,2

（1. 商洛学院 化学工程与现代材料学院，陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西 商洛726000；2. 陕西科技大学，教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，陕西 西安，710021）

不同稳泡剂对发泡水泥性能的影响

李凯斌1，刘彦峰1，周春生1，李仲谨1,2

（1. 商洛学院 化学工程与现代材料学院，陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西 商洛726000；2. 陕西科技大学，教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，陕西 西安，710021）

以普通425水泥为胶凝材料，分别以硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸钠为稳泡剂，并添加多种外加剂制备发泡水泥保温材料，探讨三种稳泡剂对发泡水泥的泡孔结构、干密度、吸水率以及抗折强度、抗压强度等性能的影响。结果表明，采用司班 80为稳泡剂制备的发泡水泥泡沫稳定性好、泡孔密集且均一，吸水率低、力学强度最佳，综合性能最优。硬脂酸为稳泡剂制备的发泡水泥性能次之，十二烷基磺酸钠为稳泡剂制备的发泡水泥性能最差。

发泡水泥；干密度；吸水率；力学强度

目前中国为世界上最大的建筑市场，据统计，建筑面积达到400亿m2，每年新增建筑量20亿m2，但是所用的建筑材料中95%以上是高能耗建筑，将保温材料应用于建筑节能，具有十分广阔的应用前景[1]。而在外墙保温体系中，常用的保温层为有机高分子材料，包括聚苯乙烯泡沫塑料板、聚氨酯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料等，这些有机保温材料易燃，一旦发生火灾，将造成严重的人员伤亡和财产损失，且存在材料易老化现象，不能与建筑物同寿命[2]。在此背景下，无机保温材料应运而生，其中发泡水泥保温材料以其优良的综合性能，引起了研究者的广泛关注[3]。现有的发泡水泥保温材料多采用双氧水发泡[4]，但其泡孔结构所带来的质轻与材料的力学强度往往相互矛盾。而均匀且稳定的泡孔结构对发泡水泥的质轻与强度起到至关重要的作用，在发泡水泥里面加入稳泡剂使泡孔结构达到稳定，从而可以取得较好效果。

基于上述考虑，采用硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸钠等具有不同分子结构的表面活性物质作为稳泡剂，制备新型无机发泡水泥保温材料，探讨三种稳泡剂对发泡水泥的泡孔结构、干密度、吸水率以及抗折强度、抗压强度等性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

DKZ-5000型电动抗折试验机，JJ-5水泥胶砂搅拌机，WDW-50型微型控制电子万能试验机。

双氧水，杭州精欣化工有限公司；普通425水泥，商洛尧柏龙桥水泥有限公司；实验用水为自来水。硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸钠，均为化学纯，天津市天力化学试剂有限公司生产，其结构如图1所示。

1.2 无机发泡水泥材料的制备

准确称取普通425水泥、水、外加剂、稳泡剂等原料，将固体类外加剂与水泥干混，向其中加入一定量的水搅拌均匀，再加入液体类外加剂，低速搅拌均匀，再迅速加入双氧水搅拌6～8 s，然后将料浆迅速准确地注入模具中发泡成型，室温养护至规定龄期，制备流程如图2所示。

图2 发泡水泥制备流程图Fig.2 The preparation flow chart of foamed cement

控制普通425水泥、水、外加剂和稳泡剂的量等条件不变，改变稳泡剂的种类分别为硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸钠，制备发泡水泥。

1.3 结构表征与性能测试

（1）形貌表征

取已制好的发泡水泥试样，整齐摆放，进行拍照，对比其高度，并对截面泡孔结构进行分析。

（2）干密度的测定

试样在尺寸为150 mm ×150 mm ×150 mm的试模中成型，脱模后在标准恒温养护箱（温度为 20℃，相对湿度为95%）内养护至规定龄期。再将试样放入电热鼓风干燥箱内 40 ℃烘干，再裁成 150 mm ×40 mm ×40 mm，称其质量。

按公式计算干密度：ρ=m0/V

式中：ρ—试样干密度,g/cm3；

m0—试样烘干后的质量,g；

V—试样体积,cm3）。

（4）吸水率的测定

取同等体积大小的发泡水泥试样，称其质量，记为m1。室温下在水中浸泡24 h，然后用滤纸吸去样品多余水分后迅速称重，记为m2按下式计算其吸水率：W＝(m2-m1)/m1×100%

（5）力学性能的测定

力学性能包括抗折强度和抗压强度。将发泡水泥试块养护至规定龄期，切割成40 mm×40 mm× 150 mm 的尺寸，使用DKZ-5000型电动抗折试验机，按照《GB/T 17671-1999 水泥胶砂强度检验方法》，测得抗折强度值。

将发泡水泥养护至规定龄期，切割成40 mm× 40 mm×40 mm 的尺寸，使用WDW-50型微型控制电子万能试验机测量抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 不同稳泡剂对发泡水泥外观的影响

图3和图4分别为由三种不同稳泡剂制备的发泡水泥的整体外观图和截面图。由图3可知，采用司班80为稳泡剂制备的发泡水泥起泡高度最高，硬脂酸为稳泡剂制备的发泡水泥起泡高度次之，用十二烷基磺酸钠为稳泡剂制备的发泡水泥高度最低。由图4可知，用硬脂酸为稳泡剂制备的发泡水泥气孔分散较好，司班80为稳泡剂制备的发泡水泥气孔分散较好且致密，用十二烷基磺酸钠为稳泡剂制备的发泡水泥则有塌陷的迹象，气孔分散不均匀，局部密度较大。

这是由于司班80是粘稠油状物，将其加入到发泡水泥体系中，可用作油包水型乳剂的乳化剂[5]，其分子中本身也含有醚键、酯基等，与泡沫有很强的亲和力，可有效地吸附在已形成泡沫的表面，从而将泡沫有效包裹，对泡沫达到稳定作用，减少了气泡兼并和破裂现象，因此用司班80作为稳泡剂制得的发泡水泥气孔分布更为均一且细小；硬脂酸由于分子中含有羧基，与水泥水化的过程中所产生的碱性物质反应，生成羧酸根离子，中和掉了体系中的碱性成分，进而降低了双氧水的分解速率，双氧水的分解产生的氧气也就少了（原因：双氧水在碱性条件下的分解率远比在酸性条件下的分解率高，其反应方程式如下所示[6]），最终形成的气泡减少，使得硬脂酸制得的发泡水泥起泡高度与司班 80相比略低。

图3 不同稳泡剂制备的发泡水泥整体效果图Fig.3 Integrated graph of foamed cement prepared by different foam stabilizers

图4 不同稳泡剂制备的发泡水泥截面图Fig.4 Section diagram of foamed cement prepared by different foam stabilizers

而十二烷基磺酸钠分子吸附在水泥颗粒表面，本身使得水泥颗粒表面带有相同的电荷产生了排斥作用，使得水泥的流动性增大，起到减水剂的作用，在发泡水泥的制备过程中也发现其料浆较稀，在发泡水泥气泡稳定后表面依然会有小气泡产生，最终导致材料的局部有极少量的塌陷行为，造成局部密度过大，气孔数量减少且不均一。因此，从孔径大小及气孔的分布来看，三种不同稳泡剂制备的发泡水泥最终的效果优劣依次为：司班80、硬脂酸、十二烷基磺酸钠。

2.2 不同稳泡剂对发泡水泥干密度的影响

图5为不同稳泡剂对发泡水泥干密度的影响。由图5可知，采用三种稳泡剂制备的发泡水泥干密度从小到大顺序依次为：硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸钠。

这与图3和图4得到的结果基本一致。这是由于：硬脂酸和司班80为稳泡剂制得的发泡水泥的气泡分布都较为均一，且气孔细小，稳定性好，起泡高度较高，在相同体积内具有较小的干密度；而且两者相比，硬脂酸的干密度最低，这是由于硬脂酸分子中含有的羧基被水泥水化的过程中所产生的碱性物质反应，生成一端为亲水基团的羧酸根离子，另一端则为长链烷基，起到类似减水剂的作用，水泥颗粒流动性较好，在一定程度上使得形成的气泡更加疏散，其干密度最小。

图5 不同稳泡剂对发泡水泥干密度的影响Fig.5 The effect of different foam stabilizers on the dry density of foamed cement

而十二烷基磺酸钠对应的发泡水泥的干密度较高，主要是由于其水泥料浆流动性较大，已形成的气泡不易稳定，使得最终制得的发泡水泥材料当中存在少量的塌陷，造成干密度较大。由于较低的干密度会使得发泡水泥具有质轻以及导热系数较低等优点，因此仅从干密度的大小来看，可以判定三者的优劣顺序依次为：硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸钠。

2.3 不同稳泡剂对发泡水泥吸水率的影响

图6 不同稳泡剂对发泡水泥吸水率的影响Fig.6 The effect of different foam stabilizers on the bibulous rate of foamed cement

图6为不同稳泡剂对发泡水泥吸水率的影响。由图可知，吸水率呈现逐渐下降的趋势，用硬脂酸为稳泡剂制备的发泡水泥吸水率最大，司班80系列次之；以十二烷基磺酸钠为稳泡剂制备的发泡水泥吸水率最小。这是由于司班 80形成的泡沫更为稳定，气孔分布更为均一且细小，且由于司班80为油状的乳化剂，亲水性本身就弱，因此吸水率较小。而硬脂酸由于分子中含有羧基，与水泥水化的过程中所产生的碱性物质反应，生成羧酸根离子，增大了其亲水性能，因此其耐水性最差。而十二烷基磺酸钠分子吸附在水泥颗粒表面，本身使得水泥颗粒表面带有相同的电荷产生了排斥作用，使得水泥的流动性增大，起到减水剂的作用[7]，在发泡水泥的制备过程中也发现其料浆较稀，在发泡水泥气泡稳定后表面依然会有小气泡产生，最终导致材料的局部有极少量的塌陷行为，材料相比其他两者，吸水率大大降低。因此，综合考虑，选用吸水率较低、且泡沫稳定性较好的司班 80制得的发泡水泥样品较佳。

2.4 不同稳泡剂对发泡水泥力学强度的影响

图 7为不同稳泡剂对发泡水泥力学强度的影响。由图可知，采用硬脂酸为稳泡剂制得的发泡水泥的抗折强度及抗压强度都是最小的，采用司班80为稳泡剂制得的发泡水泥的抗压强度和抗折强度最大，且力学强度远高于硬脂酸为稳泡剂制备的发泡水泥，而略高于十二烷基磺酸钠为稳泡剂制备的发泡水泥力学强度。结果表明，采用司班80为稳泡剂制备的发泡水泥的力学强度最佳。

图 7为不同稳泡剂对发泡水泥力学强度的影响。由图可知，采用硬脂酸为稳泡剂制得的发泡水泥的抗折强度及抗压强度都是最小的，采用司班80为稳泡剂制得的发泡水泥的抗压强度和抗折强度最大，且力学强度远高于硬脂酸为稳泡剂制备的发泡水泥，而略高于十二烷基磺酸钠为稳泡剂制备的发泡水泥力学强度。结果表明，采用司班80为稳泡剂制备的发泡水泥的力学强度最佳。

采用三种不同稳泡剂制得的发泡水泥的力学强度产生的这种不同效果主要是由于：司班80作为稳泡剂，使得已形成的泡沫更为稳定，减少了气泡兼并和破裂现象，气孔分布更为均一且细小，因此司班 80作为稳泡剂制得的发泡水泥制品力学强度较好。而十二烷基磺酸钠除了附着在已形成气泡的表面，降低水的表面张力（水-气相）和界面张力（水-固相），对泡沫具有稳定作用[8]，还可起到减水剂的作用，将十二烷基磺酸钠加入到发泡水泥体系中，少量的十二烷基磺酸钠的憎水基团定向吸附于水泥颗粒的表面，亲水基团指向水溶液，组成了单分子或多分子的吸附膜，使水泥颗粒表面带有同一种电荷（通常为负电荷），形成静电排斥作用，促使水泥颗粒相互分散[9]，絮凝结构破坏，释放出被包裹部分水，参与流动，从而有效地增加混凝土拌合物的流动性，导致其在发泡过程中出现局部塌陷现象，因此材质不均一，在收到外力的作用下，材料易于断裂，导致其强度与司班80制备的发泡水泥相比较低。但塌陷的存在也同时使其局部密度增大，降低了孔隙率，增加发泡水泥的密实性，反而在一定程度上提高发泡水泥的强度，使其强度不至低于硬脂酸体系。

图7 稳泡剂种类对发泡水泥力学强度的影响Fig.7 The effect of different foam stabilizers on the mechanical strength of foamed cement

3 结 论

在发泡水泥制备过程中，采用三种稳泡剂对双氧水分解产生的泡沫进行稳定处理，对比三者的性能得到以下结论：

（1）从孔径大小及气孔的分布来看，采用司班80为稳泡剂制备的发泡水泥效果最佳，孔径分布密集且均一，硬脂酸体系次之，十二烷基磺酸钠体系最差。

（2）由于较低的干密度会使得发泡水泥具有质轻以及导热系数较低等优点。从干密度的大小来看，可以判定三者的性能优劣依次为：硬脂酸、司班80、十二烷基磺酸钠。

（3）吸水率结果表明，选用吸水率较低、且泡沫稳定性较好的司班80制得的发泡水泥样品为最佳。

（4）抗折强度及抗压强度结果表明，采用司班80为稳泡剂制备的发泡水泥的力学强度最佳。

（5）司班80制得的发泡水泥制品的综合性能最优，最适合用作发泡水泥的稳泡剂。

［1］曾统华. 基于 BIM 技术的建筑节能设计软件研制及应用[D]. 清华大学, 2012.

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Effect of Different Foam Stabilizers on the Properties of Foamed Cement

LI Kai-bin1,LIU Yan-feng1,ZHOU Chun-sheng1,LI Zhong-jin1,2

（1. College of Chemical Engineering and Modern Materials/Shaanxi Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Tailings Resources, Shangluo University, Shaanxi Shangluo 726000, China；2. Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry of Ministry of Education, Shaanxi University of Science & Technology, Shaanxi Xi’an 710021, China）

Foamed cement for thermal insulation material was prepared by using ordinary 425 cement as the cementing material, using stearic acid, span 80 and sodium dodecyl sulfate as foam stabilizers and adding other additives. The effect of three kinds of foam stabilizers on the pore structure, dry density, water absorption, flexural strength, compressive strength and other properties of foamed cement was studied. The results show that the comprehensive performance of foamed cement using Span 80 as foam stabilizer is the best, whose foam stability is good, foam holes are dense and uniform, bibulous rate is low and mechanical strength is excellent. The comprehensive performance of foamed cement using stearic acid as foam stabilizer is the second,and the comprehensive performance of foamed cement using sodium dodecyl sulfate is the worst.

Foamed cement; Dry density; Water absorption; Mechanical strength

TQ172.7；TU528

A

1671-0460（2017）04-0591-04

陕西省科技统筹创新工程项目（2012KTDZ02-02-01）、陕西省自然科学基础研究计划项目（2016JM5092）、商洛学院自然科学基金项目（15SKY003）。大学生创新创业计划项目（17slcx147）。

2017-02-28

李凯斌（1989-），男，陕西省咸阳市人，助教，硕士，2015年毕业于陕西科技大学应用化学专业，研究方向：高分子-无机复合材料。E-mail：515054843@qq.com。