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阴离子表面活性剂及其与稳泡剂协同作用对泡沫混凝土性能的影响

xx电竞 发布时间:2020/5/5 8:30:19

引言

      泡沫混凝土是一种由水泥浆体和大量气孔组成的多孔轻质混凝土,具有保温隔热性能和耐火性能好、隔声、质轻、绿色环保等特点,常被用作屋面保温材料、墙体自保温材料、道路材料等,其与钢结构搭配组成的装配式外墙板结构已被广泛应用于装配式建筑中。在泡沫混凝土制备过程中,发泡的方式通常包括化学发泡和物理发泡。化学发泡是指利用发泡剂自身发生化学反应产生的气体,在泡沫混凝土中形成孔洞的一种发泡方式,其中最常见的化学发泡剂为双氧水,其在水泥浆体中可发生分解反应而产生氧气,伴随着搅拌过程将气体均匀分散至混凝土内部。但使用双氧水发泡时,由于其自身分解速率较慢,未消耗的双氧水在后期会持续分解,导致泡沫混凝土出现塌模现象或气孔分布不均,从而影响泡沫混凝土的性能。物理发泡是指依靠各类表面活性剂降低溶液的表面张力,然后经机械搅拌将空气引入混凝土内部而形成气泡的一种发泡方式。相比于化学发泡,采用物理发泡时泡沫的稳定性较好,泡沫混凝土内部孔结构较均匀、连通孔比例较低,具有发泡效果好、发泡速度可控等特点。在物理发泡中,发泡剂主要包括松香树脂类发泡剂、合成类发泡剂、蛋白型发泡剂和复合型发泡剂,其中,合成类发泡剂中阴离子表面活性剂(a-SAA)是最常用的发泡剂之一,具有合成工艺简单、表面活性良好、起剂作为发泡剂时,其最大的不足就是泡沫的尺寸较大、泡壁较薄、稳定性差、易发生破裂[10],故需与稳泡剂共同使用,以保证发泡过程中泡沫的稳定存在。

     本研究分别选用十二烷基苯磺酸钠(LAS)、α-烯烃磺酸钠(AOS)2种阴离子表面活性剂为发泡剂,以硬脂酸钙(CaSt)为稳泡剂,研究不同阴离子表面活性剂及其与稳泡剂的协同作用对泡沫混凝土物理力学性能及微观结构的影响,旨在研究泡沫混凝土制备过程中发泡剂与稳泡剂对泡沫混凝土的作用规律,为泡沫混凝土的制备工艺提供参考。

1 实验

1.1原材料

      水泥:华润水泥有限公司生产的P·O42.5水泥;粉煤灰:F类Ⅱ级,宏肯电厂产,其化学组成如表1所示。发泡剂:阴离子表面活性剂,十二烷基苯磺酸钠(LAS)和α-烯烃磺酸钠(AOS),贝亚特化工科技有限公司生产。稳泡剂:硬脂酸钙(CaSt),分析纯。聚羧酸高性能减水剂:PC1021型,上海亨创化工有限公司产,减水率为25%。

1.2配合比设计及性能测试

      设计泡沫混凝土的干密度为300kg/m3,固定水胶比为酸钠(AOS),掺量分别为胶凝材料质量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,稳泡剂硬脂酸钙(CaSt)掺量分别为胶凝材料质量的0、0.30%,其配合比如表2所示。

      成型过程中,将各类原材料搅拌均匀,随后倒入模具,置于标准养护条件下养护1d后拆模,在标准养护条件下继续养护。根据JG/T266—2011《泡沫混凝土》测试泡沫混凝土的干密度、抗压强度、吸水率,试件尺寸为100mm×100mm×100mm。根据GB/T10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》测试泡沫混凝土的导热系数,试件尺寸为300mm×300mm×30mm。微观形貌分析:试件养护至28d后进行破碎,挑选尺寸为40℃的真空干燥箱中烘至恒重,经表面喷金处理后采用扫描电子显微镜对泡沫混凝土的微观形貌进行分析。

2 结果与讨论

2.1阴离子表面活性剂及稳泡剂对泡沫混凝土干密度的影响(见图1)。

      从图1可以看出:

(1)随着发泡剂掺量的增加,泡沫混凝土的干密度均呈不土干密度的作用规律不同。采用LAS作为发泡剂,当其掺量由0.5%增大至2.0%时,泡沫混凝土的干密度随发泡剂掺量的增加而持续减小,当掺量为2.0%时,泡沫混凝土的干密度达到最小值,为284kg/m3。这是由于阴离子表面活性剂的吸附过程较为缓慢,当其掺量较小时,表面吸附率低,故发泡效率较低;当掺量增大后,其表面的吸附量显著增加,使得溶液的表面张力降低,从而导致溶液更易发泡,泡沫更加稳定,泡沫混凝土的干密度降低。而采用AOS作为发泡剂时,随掺量增加,泡沫混凝土的干密度呈先减小后增大趋势,当掺量由0.5%增大至1.5%时,泡沫混凝土的干密度由315kg/m3降低至254kg/m3。然而,当AOS掺量继续增大至2.0%时,泡沫混凝土的干密度略有增大,这是由于当阴离子表面活性剂在表面吸附达到饱和状态后,继续增大掺量并不能使溶液的表面张力持续降低,但由于掺量增大会导致Marongoni效应减弱,使得泡沫稳定性降低,发泡效果有所降低,故泡沫混凝土的干密度有所增大。

(2)无论是以LAS还是以AOS作为发泡剂,硬脂酸钙的掺入均使泡沫混凝土的干密度进一步降低。其中,当发泡剂掺量较低时,掺入0.3%稳泡剂硬脂酸钙可使泡沫混凝土的干密度显著减少,其中当发泡剂掺量为0.5%时,用LAS发泡的泡沫混凝土的干密度由321kg/m3降低至298kg/m3,以AOS发泡的泡沫混凝土干密度由315kg/m3降低至296kg/m3。这是由于硬脂酸钙除了具有稳泡作用外,其自身还具有引气的作用与AOS协同使用,当AOS掺量为2.0%时,稳泡剂的掺入使泡沫混凝土的干密度由267kg/m3降低至245kg/m3。2.2阴离子表面活性剂及稳泡剂对泡沫混凝土抗压强度的影响

从图2可以看出,随着发泡剂掺量的增加,各配比的泡沫混凝土强度均呈降低趋势,尤其是以AOS为发泡剂且不掺稳泡剂时,当其掺量由0.5%增加至2.0%时,泡沫混凝土的抗压强度由0.72MPa降低至0.30MPa,当AOS掺量过大时,其发泡速度过快,引入的气泡稳定性较差,易发生破裂,故泡沫混凝土发生轻微塌模现象; 而当掺入0.3%稳泡剂CaSt时,泡沫混凝土的抗压强度仅从0.69MPa降低至0.51MPa,即稳泡剂的掺入可缓解泡沫混凝土制备过程中由于发泡速度过快导致的气泡不稳定,而使泡沫混凝土强度降低的问题得到改善,此结果与李志鹏的研究结果一致,即稳泡剂可通过降低溶液的表面张力,与发泡剂发挥协同作用,提高泡沫的强度及稳定性,使气泡分布更加均匀,从而保证泡沫混凝土在成型过程中不会发生坍塌现象。相较AOS而言,以LAS为发泡剂时,泡沫混凝土的强度变化程度较小。李浩然研究表明,当各发泡剂质量百分数为1%时,AOS的发泡倍数为46倍,1h沉降距离为9.9mm,泌水量为106.2ml; 而LAS的发泡倍数为32倍,1h沉降距离为38mm,1h泌水量达140ml。即LAS的发泡能力不如AOS,且泡沫稳定性较差,故引入的泡沫有限,使得泡沫混凝土强度变化较小。

2.3阴离子表面活性剂及稳泡剂对泡沫混凝土吸水率的影响

从图3可以看出:

(1)对比采用2种阴离子表面活性剂发泡的泡沫混凝土的吸水率变化规律可知,采用AOS发泡的比采用LAS发泡的泡沫混凝土的吸水率大,即采用AOS作为发泡剂时,泡沫混凝土内部气泡较多,连通孔隙率较大。未掺稳泡剂时,采用AOS作为发泡剂,其掺量为0.5%~1.5%时,泡沫混凝土的吸水率随掺量增大而逐渐增大,最大值达78%,但当其掺量继续律与泡沫混凝土干密度变化规律一致。采用LAS作为发泡剂时,泡沫混凝土的吸水率随发泡剂掺量增加而逐渐增大,当掺量为2%时达到最大值,为77%。

(2)无论是采用AOS作为发泡剂还是采用LAS作为发泡剂,当发泡剂掺量为0.5%时,稳泡剂的掺入使泡沫混凝土的吸水率略微提高,而当发泡剂掺量为1%~2%时,稳泡剂的掺入使泡沫混凝土的吸水率减小。这是由于当发泡剂掺量较小时,发泡剂的发泡效率较低,而硬脂酸钙类稳泡剂自身的引气作用使泡沫混凝土内部连通孔含量略微增大,从而使泡沫混凝土的吸水率提高;当发泡剂掺量增大时,发泡剂的发泡效率提高,稳泡剂的掺入可使泡沫混凝土内部的气泡稳定存在且分布更加均匀,使连通孔比例降低,封闭孔比例增大,从而使泡沫混凝土的吸水率减小。

(3)随着发泡剂掺量增大,泡沫混凝土的吸水率均逐渐增大。泡沫混凝土的吸水率与其内部的孔结构(如孔隙率、孔的连通性等)密切相关,而制备等级为A03的泡沫混凝土时,体系中泡沫体积高达70%~80%,因此,气泡的数量及稳定性对泡沫混凝土的物理力学性能影响显著,体系中浆体黏度过大或过小均会导致泡沫在内部分布不均,从而使连通孔隙率增大,泡沫混凝土的吸水率增大。

2.4阴离子表面活性剂及稳泡剂对泡沫混凝土导热系数的影响

由图4可以看出,不掺稳泡剂时,泡沫混凝土的导热系数随发泡剂掺量增大而显著增大,当发泡剂掺量由0.5%增大至2.0%时,采用AOS和LAS作发泡剂的泡沫混凝土的导热系数分别由0.154、0.152W/(m·K)增大至0.164、0.162W/(m·K)。这是由于随着发泡剂用量增大,发泡效率提高,大量空气卷入形成气泡,但由于气泡过薄且分布不均匀,导致泡沫混凝土内部形成大量连通孔所导致。引入稳泡剂后,虽然会使发泡剂掺量较低时的泡沫混凝土的导热系数提高,但当发泡剂掺量较高时,泡沫混凝土内气泡增多,且封闭孔比例提高,从而使泡沫混凝土的导热系数降低,使泡沫混凝土的保温、隔热性能更加优异。

2.5阴离子表面活性剂及稳泡剂对泡沫混凝土微观结构的影响

为进一步研究稳泡剂的掺入对泡沫混凝土微观结构的影响,选择以AOS作为发泡剂,掺量为1.5%时的泡沫混凝土,采用SEM对微观形貌进行观察,结果如图5所示。

由图5a可见,未掺入稳泡剂时,泡沫混凝土内部气泡形状不规则,且为连通孔;而由图5(b)可见,掺入稳泡剂后,泡沫混凝土内部气泡尺寸变小,且均匀分布,形状规则,封闭孔比例增大。

3 结论

(1)无论是以AOS作为发泡剂,还是以LAS作为发泡剂,在试验掺量范围内,随着发泡剂掺量的增加,泡沫混凝土的干密度和抗压强度均逐渐减小,吸水率和导热系数增大。

(2)对比AOS和LAS两种阴离子表面活性剂,采用AOS作为发泡剂时发泡效率更高,当其掺量为2.0%,掺入0.3%稳泡剂CaSt时,泡沫混凝土的干密度最小,达245kg/m3,抗压强度为0.51MPa,吸水率为76%,导热系数为0.177W/(m·K)。

(3)以AOS作为发泡剂未掺稳泡剂时,泡沫的稳定性性较差,掺入硬脂酸钙可作为稳泡剂和引气剂使用。当发泡剂掺量较低时,其自身的引气作用有助于泡沫混凝土内部气泡的产生;当发泡剂掺量增加时,稳泡剂的掺入可显著提高泡沫混凝土中泡沫的稳定性,从而使泡沫混凝土中气泡稳定存在,提高其物理力学性能。


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