表面活性剂浓度对其发泡性能和稳泡性能的影响

2022-08-31程宝军康升荣麻鹏飞史博元

四川建材 2022年8期

程宝军，康升荣，麻鹏飞，史博元

(中建西部建设建材科学研究院有限公司，四川成都 610064)

0 前言

泡沫混凝土新拌浆体稳定性存在的问题主要有混凝土搅拌成型后，泡沫剂附着在水泥颗粒表面导致的阻碍水泥材料水化进程，以及混凝土稳定之前泡沫消减造成的整体稳定性差，浇筑后易塌模等[1-4]。发泡剂的发泡能力和泡沫的持久稳定性是影响新拌浆体的流动性和浇筑体的体积稳定性，最终影响硬化体的密度和强度的主要因素[2]。目前发泡剂品种主要有松香型发泡剂、离子型发泡剂、蛋白类发泡剂和复合类发泡剂[5]。

表面活性剂因其表面活性，能有效降低液体的表面张力[6]，具有起泡速度快、泡沫量大、在较低的浓度下也有较高的发泡能力等优点，其中表面活性是发泡的核心。但其不足是泡径大、泡壁薄、消泡快、稳定性不佳，需加入大量稳泡剂[2]，且表面活性剂种类多样，对液体表面的影响又不尽相同，所以并不是所有的表面活性剂均可用于做发泡剂[6]，对表面活性剂的正确选择与合理搭配是发泡功与否的关键。

本文选择了作为发泡剂时常用的AES、K12、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、AOS、AEO-9、CMEA、茶皂素和CHSB等9种表面活性剂，以掺量为单一变量，研究了其对发泡性能和稳泡性能的影响，确定了表面活性剂发泡性能单组分最佳浓度，进一步通过引入纳米材料对表面活性剂型发泡剂进行改性，以期改善表面活性剂型发泡剂发泡性能和稳泡性能。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

实验所用表面活性剂种类及生产厂家见表1。发泡剂改性所用纳米材料包括疏水纳米SiO2、碳酸钙晶须和纳米石墨烯，其中疏水纳米SiO2为来自江苏天行新材料有限公司的TSP-L12，性能指标见表2，碳酸钙晶须来自东莞市汉腾塑胶有限公司，性能指标见表3，纳米石墨烯来自郑州万创化工产品有限公司，性能指标见表4。

表1 表面活性剂种类及生产厂家

表2 疏水纳米SiO2性能指标

表3 碳酸钙晶须性能指标

表4 纳米石墨烯性能指标

1.2 泡沫制备方法

试验时不同表面活性剂浓度设置0.3%、0.4%、0.5%、0.6%和0.7%等5个梯度，根据实验方案称取所需化学试剂的质量，用少量热水将表面活性剂完全溶解，之后加入室温水稀释至需要浓度，取20 mL稀释液以2 500 r/min的速度分散1 min，通过高压空气发泡机制出泡沫。

1.3 性能评价指标及其测定方法

1)发泡倍数。发泡剂的发泡倍数即所发泡沫体积与发泡剂稀释液的体积比[7]，标准《泡沫混凝土用泡沫剂》(JC/T 2199―2013)要求发泡剂发泡倍数≥20倍[8]。本文以20 mL表面活性剂所发泡沫体积(发泡体积)作为评价其发泡性能的依据。

2)稳泡性能。由于不同表面活性剂所发泡沫泌水量和沉降距在一定程度上不是正相关的，所以本文以析液半衰期T1/2(s)作为评价泡沫稳定性能的指标。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果分析

图1为不同浓度下表面活性剂发泡体积测试结果。从浓度对泡倍数影响趋势来看，AES、K12、AOS、AEO-9、茶皂素浓度的提升对发泡体积有利，十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、CMEA和CHSB浓度的提升对发泡倍数不利。且在较低浓度时，十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、CMEA和CHSB发泡效果较好，高浓度时，AES、K12、AOS、AEO-9、茶皂素发泡效果较好。

图2为不同浓度下表面活性剂析液半衰期测试结果。从浓度对泡倍数影响趋势来看，虽然低浓度(0.3%)十二烷基苯磺酸钠析液半衰期最高(372 s)，但AES、K12、AOS、AEO-9、CMEA、茶皂素和CHSB浓度的提升对稳泡性能有利，十二烷基磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠浓度的提升对稳泡效果不利，且高浓度时K12稳泡效果最好。综合图1和图2来看，在所选取的9种表面活性剂中，0.3%浓度的十二烷基苯磺酸钠发泡体积和稳泡性能最佳，但AES、K12、AOS、AEO-9和茶皂素浓度的提升对发泡剂发泡体积和泡沫稳定性有利。

图1 发泡体积

图2 析液半衰期

2.2 单因素试验极差分析

为了探究9种表面活性剂浓度对发泡体积和稳泡性能的影响程度，对单因素实验结果进行了极差分析，分析结果见表5。从极差来看，对于发泡体积来说，浓度对其影响程度由大至小依次为十二烷基苯磺酸钠、AOS、CMEA、十二烷基磺酸钠、AEO-9、AES、CHSB、茶皂素、K12，其中十二烷基苯磺酸钠浓度对发泡体积影响程度最大，K12对发泡体积影响程度最小；对于析液半衰期来说，浓度对其影响程度由大致小依次为十二烷基苯磺酸钠、K12、十二烷基磺酸钠、AES、AOS、茶皂素、AEO-9、CHSB、CMEA，其中CMEA浓度对析液半衰期影响程度最小，十二烷基苯磺酸钠浓度对析液半衰期影响程度最大。在浓度的提升对发泡体积有利的表面活性剂中，AOS浓度影响程度最大，K12浓度影响程度最小；在浓度的提升对析液半衰期有利的表面活性剂中，K12浓度影响程度最大，CMEA浓度影响程度最小。虽然低浓度时K12发泡性能和稳泡性能一般，但高浓度时K12同时拥有较高的发泡体积和最大的析液半衰期，这是由于K12分子中亲水基结构简单，溶解性好，单分子的迁移能力强，发泡过程中能够迅速迁移至新生气液界面上，保持液体动态张力的平衡，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、排列紧密，液膜表观黏度大，泡沫排液时间长[9]，泡沫稳定性也好。

表5 表面活性剂单因素试验结果极差分析

2.3 纳米材料对K12发泡性能改性研究

根据本文2.1研究可知K12浓度对发泡性能和稳泡性能均有正向影响，且浓度较高时其稳泡效果最好，所以选取0.7%浓度的K12溶液作为基础发泡剂，采用疏水纳米二氧化硅、碳酸钙晶须和纳米石墨烯等纳米物质对K12进行改性，研究其对K12发泡性能和稳泡性能的影响，纳米材料掺量为发泡剂掺量的0.5‰，具体配合比见表6。

表6 纳米材料改性K12配合比

表7为掺加了纳米材料的0.7%K12溶液发泡性能和稳泡性能测试结果。由表，可知，掺加0.5‰的疏水纳米二氧化硅、碳酸钙晶须和纳米石墨烯对K12溶液发泡体积影响不大，但掺加碳酸钙晶须和纳米石墨烯会在一定程度上降低所发泡沫析液半衰期。掺加疏水纳米SiO2可使泡沫析液半衰期增加至584 s(较空白组增加了62%)，这主要是因为疏水纳米颗粒可以吸附在气液相界面，降低液面表面张力，从而极大地提升了其稳泡能力。