发泡水泥泡沫稳定性影响因素及评价方法研究

李颖 夏勇

(广东省建筑材料研究院有限公司)

0 引言

发泡水泥作为一种新型建筑材料，通常是将发泡液通过机械发泡的形式制成泡沫，然后将其与水泥浆按一定比例混合搅拌而成，因此发泡水泥制品中具有大量的封闭气孔，使得其自重远低于普通水泥制品。此外大量封闭气孔的存在导致发泡水泥制品具有较低的导热系数，隔热效果好，同时还具备了良好的隔音、耐火、耐冻等性能，将其运用在建筑外墙、楼层板中能够减少建筑能耗，达到建筑节能的目的，更有助于实现中国在2020年提出的二氧化碳排放力争在2030 年前达到峰值、努力在2060 年前实现碳中和的目标[1]。

以往研究显示，影响水泥制品性能的因素有很多，如水灰比、养护条件等，但相较于普通水泥制品，影响发泡水泥隔热制品性能的关键因素还取决于泡沫的稳定性。因此，有诸多研究人员对发泡剂的种类、发泡原理、泡沫失稳的原因及影响因素展开了研究。本文将探讨发泡水泥泡沫稳定性的影响因素以及评价方法并对评价方法展开研究分析，以期为其他学者对发泡水泥泡沫稳定性的研究提供参考。

1 发泡剂的发泡原理

发泡剂主要有化学发泡剂、物理发泡剂、表面活性剂，其中表面活性剂分为阳离子发泡剂、阴离子发泡剂、非离子发泡剂、两性发泡剂，本文主要对阴离子发泡剂展开研究，阐述了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)发泡的原理及其浓度对发泡剂发泡能力的影响。

由于SDBS、SDS 是一种两极构造的两亲分子，一端是亲水基、一端是疏水基，在低浓度下便可显著降低水溶液表面张力，然后利用发泡机或机械搅拌引入空气形成了由液体包裹气体的大量气泡，即产生了泡沫。有文献[2]揭示了SDBS、SDS 浓度对于发泡剂的发泡能力具有重要影响，浓度较高、较低都会对泡沫质量造成不利影响，因此理论上存在最佳浓度以获得质量最佳的泡沫。这可以通过膜弹性理论解释：当SDBS、SDS 浓度较低时，液膜部分区域的膜厚度在外力作用下变薄时，液膜中浓度较高区域内液体向浓度较低区域内流动，降低了液膜的平均厚度，泡沫中气泡直径出现较大差异，出现较多的连通孔，甚至无法形成泡沫，导致泡沫质量较差；当SDBS、SDS 浓度较高时，液膜在外力作用下变薄的程度较小，液膜中浓度变化不是很明显，膜厚度变化较小，仍旧保持一个较大的厚度，但随着液膜内液体在自身重力的作用下开始流动时，泡沫也逐渐破碎，产生较多的泌水；当SDBS、SDS 浓度适当时，在外力作用下液膜浓度较高区域内液体向浓度较低区域内流动，膜厚度虽有所降低，但未影响泡沫质量，泡沫泌水亦较少。

2 泡沫失稳的原因及影响因素

2.1 泡沫失稳原因分析

泡沫作为一种分散体系，发泡剂发泡形成的泡沫是由无数个液膜包裹气体的气泡聚集而成，因此泡沫的状态极不稳定，在发泡结束后经过若干分钟，泡沫便会发生破碎、泌水、沉降等现象。目前，关于泡沫失稳的原因主要有以下几个方面：

⑴泡沫受到液体自重的影响，液膜内液体在重力作用下向下流动，导致上部泡沫液膜厚度减小，逐渐破碎；

⑵如果相邻气泡之间的液膜较薄、稳定性较差时，液膜容易破碎且破碎后气体合并形成大的连通孔；

⑶因发泡剂发泡形成的泡沫中气泡尺寸不同，使得气泡内部气体的气压不同，气泡内气体容易产生扩散作用，造成泡沫破碎[3]。

2.2 影响泡沫失稳的因素

由于泡沫是亚稳定状态，易受到外界温度、压力、溶液pH 值、溶液中盐类浓度等因素的影响[4-6]。实验发现温度较高时泡沫破碎速度较快，反之则慢，这是因为温度上升降低了溶液的黏度，液膜内排液速度加快导致泡沫破碎。实验时发现一个有趣现象，利用圆形容器装满泡沫，且处于自然状态下时，泡沫破碎速度较快；当泡沫顶部放置一个与容器直径差不多的轻质圆板时，容器内泡沫破碎速度较慢，这可能是轻质圆板的存在使得泡沫中气泡内外压强差减小，抑制了液膜内气体扩散，导致泡沫破碎速度减缓。另一方面，有学者指出溶液的pH 值为4～6 时泡沫的稳定性较好，溶液中盐类浓度较高时会降低泡沫的稳定性，前者是因为发泡剂的电离作用易受pH 值的影响，而后者是因为盐类浓度升高使得溶液双电子层结构遭到破坏，减弱了表面活性剂在溶液表面的吸附作用，极性头基斥力被无机盐屏蔽，同时亲水基阳离子与阴离子之间的静电吸引也被屏蔽了，导致泡沫稳定性下降。

3 泡沫稳定性评价方法

虽然现有规范《泡沫混凝土用泡沫剂》[7]中提及了测试泡沫稳定性的方法，即1h 沉降距与1h 泌水率，但此方法并不能全面地反映泡沫的稳定性，因此，学者们[4-5]又提出了电导率法、光学法、声速法等测试方法来评价泡沫的稳定性，此外，本文还将介绍泌水率-时间曲线分析法来评价泡沫的稳定性。

3.1 1h 沉降距与1h 泌水率

根据规范《泡沫混凝土用泡沫剂》[7]中相关内容，1h沉降距与1h 泌水率的测量方法是首先将泡沫装入特制容器中，并将特制的铝盖放在泡沫上方，然后在1h 之后测试铝盖下降的距离即为1h 沉降距，接着收集容器中泡沫破碎产生的液体并称重即可得到1h 泌水量，然后通过相关公式计算即可得到1h 泌水率。表1 为市售某发泡剂1h 沉降距、1h 泌水量以及1h 泌水率测试结果。此方法操作起来较为简单，测量结果能够有效地反映泡沫在1h 之后的变化情况，但是对于泡沫在此1h 之内的变化情况却无法进行评价，泡沫的形态变化也无法得到反映，所以利用此方法只能从定量的角度简单地评价泡沫在1h 之后的稳定性。

表1 市售某发泡剂泡沫1h 沉降距、1h 泌水量以及1h 泌水率测试结果

3.2 电导率法

根据泡沫由气-液二相构成，液体具有导电性而气体不具有导电性的差异性，有学者提出采用电导率法来测试泡沫的电导率，并以电导率结果对泡沫的稳定性展开评价。实验时利用电导率仪测试泡沫在不同时间段的电导率，并绘制电导率随时间的变化曲线，通过分析曲线的变化趋势以及泡沫的变化情况对泡沫稳定性展开评价。有研究员[4]指出电导率法具有较高的灵敏性，能够清楚地反映泡沫的稳定性，但电导率在30min 后会变成常数，因此利用此方法只能评价泡沫形成中最初30min 内的稳定性。

3.3 光学法

由于泡沫是一种分散体系，而光线在分散体系中会发生散射现象，因此有学者提出采用光学法来评价泡沫的稳定性，通过测量光线在泡沫中的折射率和透射率来表征。通过光源发射器发射红外光谱，光谱探测器检测折射光与透射光，随着时间的变化泡沫会发生液膜变薄、破碎、泌水现象，对光线在泡沫中的折射率和透射率造成明显的影响，利用光谱探测器检测不同时间内的折射光与透射光并进行分析。因此，通过光线折射率和透射率的变化情况可对泡沫的稳定性展开评价[5]。

3.4 声速法

有学者根据声速在不同介质中传播速度不同的原理，提出利用声速来评价泡沫的稳定性[8]。由于泡沫是由液膜包裹气体形成的一个个气泡而组成，当泡沫孔径均匀、没有出现较大的孔洞时，此时泡沫质量较佳；但随着时间增加，泡沫质量开始发生变化，泡沫孔径开始变大，液膜厚度开始变小，同时有泌水情况发生，因此，声速在这两种情况下具有较大的差异性。利用声速法评价泡沫的稳定性时，首先将两端开口的圆柱形容器中装满泡沫，然后在一端安装发声器，另一端安装接收器，通过发声器发出声波，接收器接受声波，根据时间差计算声波在泡沫中的声速，间隔一定时间进行多次实验可获得一系列声速结果，通过分析声速结果以及观察泡沫的形态变化进行评价泡沫的稳定性。

3.5 泌水量- 时间曲线分析法

为详细获取泡沫在1h 之内的变化情况，本研究团队提出了采用泌水量-时间曲线分析法来评价泡沫的稳定性。具体操作方法如下：首先将规范《泡沫混凝土用泡沫剂》[7]中测量1h 沉降距与1h 泌水率的容器进行改造，为其增设支座使其能够固定，并在其底部增设液体接受装置，且该装置具有实时记录功能；然后将泡沫装入容器中，打开液体接受装置中实时记录功能即可；待记录完毕将相关数据绘制成折线图并进行分析。

如图1 所示，对市售某发泡剂进行发泡试验并绘制了泡沫的泌水量-时间曲线。观察图中曲线可知，在第一阶段（0～15）内，泌水量几乎为零，表明在此时间段内泡沫基本保持稳定状态；在第二阶段（15～60）内，泌水量急剧增大，表明在此时间段内泡沫开始大量破碎，原本密集的小气泡也因液膜的破碎而变成孔径较大的气泡，液膜内液体在自身重力作用下向下流动，出现较多泌水；在第三阶段（75～240）内，泌水量缓慢增加，表明在此时间段内泡沫仍继续破碎，但破碎速度较缓，这是因为在第二阶段内泡沫大量破碎使得液膜厚度变薄，此时液膜破碎产生的泌水较少，所以，此阶段泌水量随着时间的增加而缓慢增加。可见，采用泌水量-时间曲线分析法能够清晰地反映泡沫在1h 内泌水量的实时变化情况，在一定程度上可以对泡沫的稳定性进行评价。

图1 泌水量- 时间变化曲线图

4 小结

⑴采用SDBS、SDS 作为发泡剂进行发泡时存在最佳浓度，浓度过高或过低均会对泡沫的稳定性产生负面影响。

⑵泡沫的稳定性是影响发泡水泥制品性能的关键因素，但泡沫的稳定性受到温度、溶液pH 值、溶液中盐类浓度等因素的影响，在实际生产时需要综合考虑多方面因素。

⑶目前关于泡沫稳定性的评价方法较多，但缺乏足够的理论基础，其中，声速法、电导率法以及光学法能够更加清晰地评价泡沫的稳定性，但装置复杂、费用高，而1h 沉降距、1h 泌水率以及泌水量-时间曲线分析法操作比较简单，但仅能从宏观角度对泡沫稳定性进行评价。因此，继续开展关于泡沫稳定性检测方法的研究有助于更加全面地了解发泡水泥，有助于设计、生产性能优良的发泡水泥制品，在降低能源消耗、建筑节能方面具有重要意义。