（应用化学专业论文）混凝土用发泡剂的制备与泡沫性能测试.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文对影响泡沫混凝土质量的关键因素之一的发泡剂进行了研究。在完 善其分析评价体系的基础上对x k 发泡剂和y g 表面活性剂的改性试验进行了 探索，运用i r 、自制泡沫沉降距和泌水量测定仪、韦林氏搅拌器等分析手段， 对发泡剂进行结构表征、性能测试，制备出了成本低、泡沫稳定性较好的复 合发泡剂，提高了发泡剂与泡沫混凝土各原料的相适应性；研究了正交试验 中发泡剂、水灰比、外加剂和膨润土掺量对泡沫混凝土干容重、吸水率和2 8 d 抗压强度的影响；确定了最佳试验配方为：发泡剂3 5 k g ，水灰比o 3 ，减 水剂2 ，膨润土3 。以此配方试验，结果如下：2 8 d 抗压强度4 9 m p a ，干容重 6 4 5 k g m 一，吸水率1 5 。在研究发泡剂起泡力、泌水量、沉降距、析液半衰 期对泡沫稳定性影响的基础上重点研究了析液半衰期对泡沫稳定性的影响。 并将试验得出的最佳发泡剂配方应用到泡沫混凝土试验中，结果表明得到的 泡沫混凝土制品强度符合国家标准，而且成本低、保温隔热效果好。 关键词：发泡剂泡沫稳定性泡沫混凝土性能评价 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nm ep a p e r ，f o 锄i n ga g e n tw h i c hi so n eo fk e yf a c t o r sa b o u tf 0 锄c o n c r e t e w a ss t u d i e d o nt h eb a s i so fc o n s u m m a t i n gt h ea n a l ”i c a ls y s t e m s ，x kf o a m i n g a g e n ta n dy gs u r f a c t a n tw e r ee x p l o r e db yt h em o d i f i e d t e s t ，as e r i e so f p e r f 0 彻a n c et e s t i n ga n ds t n l c t u r et o k e no ff o a m i n ga g e n tw e r ec a r r i e do u tb yi r ， m e a s u r i n gi n s t r u m e n to fs e c r e t i n gw a t e r b u l ka n ds i n b n gd i s t a n c eo ff o a ma n d w a r i n gb l e n d e r 邪ar e s u l t ，p r e p 耐n gc o m p o u n df o a m i n ga g e n tw h i c hh a v el o w c o a t 肌dg o o df o a ms t a b i l i t y f o 锄i n ga g e n ti sc o n s i s t e n tw i t hm u l t i t u d i n o u s f o a mc o n c r e t em a t e r i a l sp e r f e c t l y ；i n f l u e n c eo ff o a m i n ga g e n t ，w a t e r - s o l i d sr a t i o ， w a t e rr e d u c i n ga g e n ta n db e n t o n i t ei nt h eo r t h o g o n a lt e s to nt h e2 8 dc o m p r e s s i v e s t r e n 昏h ，t h eb r i c kb u l ka n dt h ew a t e ra b s o 印t i o nr a t eo ff o a m e dc o n c r e t ew e r e r e s e a r c h e d ；c o n f i n n i n gt h eo p t i m a lt e s td i r e c t i o n s ：a d d i n ga m o u n to ff o a m i n g a g e n t ， w a t e 卜s o l i d sr a t i o ，w a t e rr e d u c i n ga g e n ta n db e n t o n i t ew e r e3 5k g m 一， 0 3 ， 2 a n d3 r e s p e c t i v e ，她dt h ed i r e c t i o n sw e r et e s t e d a sar e s u l t ，t h e2 8 d c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t h eb r i c kb u l ka n dt h ew a t e ra b s o r p t i o nr a t ew e r e4 9 m p a ， 6 4 5 k g m 一，15 o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gi n f l u e n c eo ff o m yp o w e r s e c r e t i n g w a t e r b u l k ，s i n k i n gd i s t a n c eo ff 0 a ma n dh a l fl i f eo nf 0 a ms t a b i l i t y ，i n f l u e n c eo f h a l fl i f eo nf o a ms t a b i l i t yi ss t r e s s e d t h eb e s tf 0 锄i n ga g e n t 行o mt e s tw a s 印p l i e df o a mc o n c r e t et e s t ，a sar e s u l t ， p r e p a n gf 0 a mc o n c r e t ew a st a l l yw i t hs t a t es t a n d a r d ，a n dl o wc o s t ，g o o dh e a t p r e s e r v a t i o na n dh e a ti n s u l a t i o n k e y _ o r d s ：f o a m i n ga g e n t ； f o a ms t a b i l i t y ；f o a mc o n c r e t e ； p r o p e n i e s e 佑c i e n c y 独创性声明 笔者声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 西南科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名： 每，狰 1 日期： 1 加多吼 关于论文使用和授权的说明 笔者完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 7 惑- 导师签名 日期： 则午、7 7 7 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1 研究背景及意义 随着我国经济的发展，建筑保温越来越受到人们的重视。目前我国建筑 能耗大约占了总能耗的9 。占全国工业总能耗的13 。与发达国家相比， 差距很大。建筑节能是节约能源的重要途径。发展环境友好新型保温隔热材 料和保温节能技术是顺应环保节能需要的重要举措。在建筑中墙体材料用量 居所有建筑材料之首，达到7 0 ，也是消耗原料、能源的一类重要制品。节 能型建筑材料的开发和应用受到广泛的关注，国内大力发展节能、利废、保 温、轻质、隔热等新型材料。因此泡沫混凝土应运而生。近年来，泡沫混凝 土凭借其轻质、保温、隔热、耐火及隔音的优良性能，在建筑外墙保温系统 得到逐步的认可。但该材料还存在一些尚待解决的问题，主要是发泡剂( 泡 沫) 的质量好坏对泡沫混凝土的性能影响相当大。 我国也开始进行了发泡剂的技术研究，取得了一些成果。但存在发泡剂 质量稍低、稳定性稍差、发泡装备、施工不便等问题，直接影响到泡沫混凝 土制品的性能，造成砌块强度低，质量不稳定，总体技术水平与国外有不小 的差距，在工程上也没有大面积的应用。因此针对发泡剂所存在的问题开展 研究是非常必要和迫切的。而且发泡剂已经受到了广泛的关注，许多领域已 经进行了大量的研究、应用。例如：矿物浮选他，、煤泥浮选n ，、土壤改良，、 电镀1 、食品，、油田化学等领域。特别在轻质水泥建材领域，对发泡剂稳 定性要求高，本文重点关注。 由于发泡剂( 泡沫) 质量的好坏直接关系到泡沫混凝土的质量。所以我 们要对泡沫的概念、体系组成、性质和稳定性进行全面的认识。 1 2 流体泡沫理论 1 2 1泡沫的概念 泡沫是气体和液体混合而成的多孔膜状分散体系，其中液体是连续相， 气体是分散相，有时把分散相看成是内相，把连续相看成是外相n ，。为了确 定这种混合体系中相的状态，最常用的表示方法是米切尔法，即以常温常 压下的泡沫质量q f 来描述。表示泡沫中气体体积与泡沫总体积之比。当 q f = 0 o 5 4 时，混合体系为充气液体，表现为牛顿流体；当q f ：0 5 4 o 9 6 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 时为泡沫( 其中q f = 0 7 0 9 6 时为稳定泡沫) ，表现为宾汉塑性流体；当 q f 0 9 6 时，泡沫变成雾。纯液体不能形成稳定性很高的泡沫，能形成稳定 泡沫的液体必须有两个以上的组分。发泡剂水溶液是典型的易产生泡沫的体 系。 1 2 2泡沫体系的组成 1 2 2 1 气相 空气是一种混合气体，主要成份是氮气和氧气，按体积计算，空气中的 氮气约占7 8 ，氧气占2 1 ，惰性气体占0 9 4 ，二氧化碳约占o 0 3 ，而水 蒸汽和杂质约占0 0 3 。 1 2 2 2液相 液相一般由水( 淡水、地层水或盐水) 、起泡剂、稳泡剂和助剂等组成； 淡水、地层水或盐水均可用来配制发泡液。一般采用地层水来配制发泡 液，其发泡体积或能力低于淡水配制的发泡液，地层水或盐水配制的有助于 防止地层粘土膨胀。因此，淡水发泡液中常加入氯化钾或有机抑制剂。为了 增加泡沫稳定性，基液中常加入各种增粘剂，。 1 2 3 泡沫的性质 1 2 3 1泡沫质量参数 泡沫的稳定性和粘弹性变化取决于泡沫质量参数。泡沫质量参数即：气 体量( 气体量+ 液体量) ，或气体体积与泡沫总体积之比。用r 表示。最佳泡 沫质量参数为o 7 0 一0 9 8 ，或含液量为2 2 5 。 1 2 3 2 泡沫的热物理性能 泡沫是一种多相体系，因而泡沫热容量取决于其组成并服从叠加法则。 因此，可根据组分热容量与其在所研究的多相不均匀体系中的含量成正比例 地来计算泡沫的热容量，由于气体的比热低于液体，可见泡沫的比热低于液 体。 c f = f l c l + f g c 。十f s c s( 1 1 ) 式中：c ，、c 。、c g 、c s 泡沫、液相、气相和表面活性剂的比热； t 、f l 、f 。各组分的体积含量； 下标l 一液相，g 一气相，s 一表面活性剂 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 为了确定其导热系数，可根据t u x o m u p o bb k 给出的公式计算： 九f 2 【专九l t p + 九g ( 1 呻) 】 ( 卜2 ) j 式中，k 、九。、九。一泡沫、液相、气相的导热系数； 9 一泡沫中液相的充满度。 1 当9 p ：，在气泡撞击部分就会发生变形，薄膜中会产生液体 自动流散，造成气泡前端薄膜进一步减薄，这时会发生“修复作用，这种 效应即g i b b s m a r a n g o n i 效应。若液膜厚度继续变薄，以至于大大小于膜 的平衡厚度，则导致膜的破裂。 物质传输效应一扩散效应 假设泡沫中的两个气泡相互接近，当r p b ，于是气体自高压的小泡中透过液膜扩散至低压的大气泡中， 这种效应就是物质传输效应即扩散效应。这种效应的结果使大气泡越来越 大，小气泡越来越小，最终导致泡沫破裂，。 澎动 气袍 液腰 簸膜l液腻2 图1 - 3g b b s m a r a n g o n i 表面弹性效应图1 4气泡扩散效应3 f j g 1 3g i b b s m a r a n g o n ie x t e r n a ie ia s t i c i t yd o m i n oo f f e c t f i g 1 4p e r v a s i o nd o m jn oo f f e c to fa irb u b b l e ( 3 ) 气泡大小分布的影响 泡沫质量一定时，压力越大，泡沫半径越小；膜面积越大，液膜变得越 薄，排液速度就越低。排液半衰期乃力与气泡直径d 见式( 卜3 ) 关系，： i 一：墨婆 ( 1 3 ) 1 1 陀一而 u 叫 式中：刁为液相粘度， 力为泡沫柱的最初高度， p 为液相密度，圪，为泡沫最初液体分数， g 为重力加速度。 m o n s a l v e 从理论上阐明，气泡分布越窄、越均匀，泡沫越稳定。因此， 欲获得稳定泡沫，应尽量使泡沫半径分布窄一些。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 4 ) 双吸附层膜的影响 发泡液作为表面活性剂的一种，发泡液会在界面上的吸附，由于气泡膜 有内外两个气一液界面，膜上就形成活性剂的双吸附层( 如图卜5 ) ，这种双 吸附层对膜至少有以下几个作用。 气 液度 气 图卜5双吸附层膜盯 f ；g 1 5 m e m b r a n eo ff o a mt w oa b s o r p t i o nl a y e r s 由于吸附层的覆盖，膜中液体不易挥发； 活性剂亲水基团对水的吸引，使液膜的粘度增大，不易从吸附层中流 失； 活性剂分子亲水基团之间相互吸引会增高吸附层的强度。 上述诸因素都有利于阻碍液膜变薄，使得泡沫稳定。 ( 5 ) 外界因素的影响 压力 泡沫在不同压力下稳定性不同，压力越大，泡沫越稳定。 温度 一些泡沫稳定性随温度增高而下降。在低温和高温下泡沫的衰变过程不 同：低温下，泡沫排液使泡膜达到一定厚度时，就呈现亚稳状态；高温下， 泡沫破灭由泡沫柱顶端开始，温度越高蒸发越快，膜变薄到一定厚度时就自 行破灭。因此多数泡在高温下是不稳定的。 发泡技术 泡沫稳定性不仅取决于泡沫的组成和体系，同时还与产生泡沫的工艺密 切相关。发泡工艺大体上分为两种：一种是将发泡液通过搅拌的形式来提取 泡沫，另外一种是将发泡液利用空气压缩机吹泡提取泡沫。采用优良的发泡 技术可以使气泡大小均匀一致，这是最容易做到的稳泡方法。压缩空气发泡， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 一方面发泡效率较高，将发泡液完全吹制成泡沫通过发泡筒后其泡径均匀， 另一方面，可以将泡沫直接吹人搅拌好的水泥浆中，减少了中间环节，更好 地防止了中间环节导致的泡沫破灭。 ( 6 ) 黑膜 在稳定的泡沫表面，经常可以看到一些“黑斑。这是由于平衡时，稳 定泡沫的液膜通常都很薄( 约几十纳米) ，它们几乎不反射光，所以被称为 黑膜h ，。黑膜又可分为普通黑膜和牛顿黑膜。 从上所述可以看出，影响泡沫稳定性的因素很多，为了得到稳定的泡沫， 应综合考虑各种因素。 1 2 4 5 评价泡沫稳定性的指标 泡沫的稳定性的评价指标常用以下参数： ( 1 ) 发溶液的表面张力 发泡液的表面张力容易来衡量其稳定性。但是，单纯的表面张力并不能 充分说明泡沫的稳定性。只有当表面膜具有一定强度，能形成多面体的泡沫 时，表面张力越低，泡沫才越稳定。所以，液体的表面张力不能作为评价泡 沫稳定性的唯一指标。 ( 2 ) 发泡液粘度 。 决定泡沫稳定性的关键因素在于泡膜的机械强度，而液膜的机械强度主 要取决于表面吸附膜的坚固性，实际上即以泡膜溶液的表观粘度为其量度。 因此可用表观粘度表示泡沫的稳定性。 ( 3 ) 起泡体积、析液半衰期 发泡液析出一半所需时间称为析液半衰期。它在一定程度上反映泡沫体 系的稳定性，主要反映泡沫初期的排液速率。 ( 4 ) 泡沫半衰期 泡沫消去一半所需要的时间称为泡沫半衰期，它也在一定程度上反映泡 沫体系的稳定性，主要反映泡沫后期的泡沫消失速率。 ( 5 ) 泡沫沉陷距、发泡倍数、泌水量 测得泡沫应满足1 小时后泡沫的沉降距不大于l o m m ；1 小时的泌水量不 大于8 0 m 1 ；泡沫的发泡倍数不小于2 0 。 1 2 4 6 提高泡沫稳定性的方法 因影响泡沫稳定性的因素颇多，理论研究还很不成熟，不少问题存在争 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 议，目前要靠经验和根据试验结果来配制稳定的泡沫。要获得稳定泡沫就应 针对这些影响因素采取相应的措施，具体要求和一些技术方法如下： ( 1 ) 表面黏度要高 表面活性剂的表面黏度能达到7 0 1 0 q p a s 以上时，就可作为高泡沫稳 定性能发泡剂。 ( 2 ) 表面弹性要好 表面弹性好并且黏度也较好的发泡剂，才有良好的稳定性，二者都较好 时才可选用。 ( 3 ) 使用增黏剂 在一般情况下，黏度越大时，稳泡性越好而发泡性越差。要在发泡性与 稳泡性之间取得平衡，两者兼顾。 ( 4 ) 控制发泡液的浓度 高浓度的发泡液，液膜机械强度差，厚度在受外力作用后无法恢复；而 低浓度的发泡液，液膜活性低，液膜受外力作用变形时，弹性自修复作用也 差。两者都影响泡沫稳定性。因此应控制发泡剂的浓度。 ( 5 ) 控制液膜的厚度 泡沫液膜过薄时，泡沫略有排液，液膜就因失水而破裂，而当液膜过厚 时，泡沫因含水多而排液速度快，也会引起泡沫破裂，这可以通过泌水率来 控制。 ( 6 ) 让泡沫具有低溶解性 若泡沫不溶于水，液膜就不会向水中排液，泡沫稳定性就好。反之亦然， 要使泡沫不溶于水，可以通过对发泡剂的选择和复配来解决。 ( 7 ) 使用稳泡剂 用稳泡剂能增加泡沫稳定性，但一般对稳泡剂的选用要适当，稳泡剂的 选择和使用是关键。 1 2 4 7发泡剂的复配原则 要得到稳泡性能较好的发泡液，在复配发泡液时，一般应遵循以下原则： 非离子型表面活性剂和离子型表面活性剂复配可提高稳泡时间；聚合物形成 的泡沫表面粘度大，溶液黏度也大，阻止了泡沫的排液，因此聚合物比低分 子化合物及链状化合物所形成的泡沫具有较好的弹性和刚性，稳定性也较 高；部分有机物能降低临界胶束浓度，从而使表面张力达到平衡的时间延长， 因此提高泡沫稳定性最有效的是水溶性差且具有极性的长烃链有机物。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 3发泡剂国内外研究现状 1 3 1发泡剂的历史回顾 发泡剂质量的好坏直接关系到发泡混凝土的质量。发泡剂在我国的应用 已有5 0 多年的历史。在2 0 世纪5 0 年代初，我国就开发出松香皂和松香热 聚物这两种发泡剂并用于砂浆和泡沫混凝土。这两种发泡剂几十年来在国内 的应用十分普遍，为建材建筑业界所熟悉，这是我国第一代发泡剂，至今仍 有较大的应用。2 0 世纪8 0 年代之后，随着我国表面活性工业的兴起，合成 类发泡剂开始应用，并取代了相当一部分松香皂和松香热聚物，成为发泡剂 的一个主要品种，这是我国第二代发泡剂的发展时期。2 0 世纪末，意大利、 日本、韩国、美国等发达国家的高性能蛋白质发泡剂开始进入我国，并逐渐 显示出其高稳定性的优势，得到了较大的应用，在国外发泡剂的促进下，我 国青海等地开发出了多种牌号的动物蛋白发泡剂，植物蛋白发泡剂也开始在 东南沿海地区出现并推广应用，我国进入了第三代发泡剂开发应用时期n ”。 如今，我国的发泡剂正从第三代向第四代过渡，发泡剂由单一成分逐渐 向多成分复合发展乜”。我国发泡剂总体上说不够理想，如质量偏低、功能 偏少，尽管有些发泡倍数够大，但稳定性差、制品强度不高，日本、意大利 进口的发泡剂多为蛋白质类，质量好幢”。我国也有以动物蛋白质为主要原料 的发泡剂，其发泡倍数及稳定性较好，但因原料来源有限，生产成本高，因 此开发与应用受到制约，本文目的就是制备出适合我国泡沫混凝土的发泡 剂，为新型墙体材料提供技术支持。 1 3 2发泡剂的研究现状 如上所述轻质水泥建材发泡剂已经历了四代，即：植物类、动物类、合 成类和复合类。但有针对性的文献比较少，主要有如下几篇。习志臻m ，讨论 了松香钠的制备与复配规律；孙天文幢引向皂角松香酸阴离子表面活性剂中添 加动物胶、有机硅的复合物，得到m b 型微发泡剂。王翠花等幢用牛蹄角水 解制备了蛋白型发泡剂，并研究了添加剂对泡沫性能的影响；常自奋幢副用蛋 白质与脂肪醇聚乙烯醚、磷酸盐、磺酸、氢氧化钠经多步反应得到性能优良 的产品。 刘永兵等n 合成了阴离子发泡剂p a s 一1 2 ；赵晓东等幢”合成了阴离子发泡 剂a g e s ；葸雷等恤引合成了烷基芳香磺酸盐系列发泡剂；陈礼仪 以a b s 为主 剂，辅以脂肪醇硫酸钠、脂肪醇聚乙烯醚，得到发泡剂d f 一1 ；谈晓丽幢引等以 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 石油磺酸盐和聚氧乙烯硫酸盐为主剂，辅以其他助剂改进了a d f 泡沫剂；郭 平等协用十二烷基磺酸钠、十二烷基二甲胺氧化物与聚乙烯醇复配，得到发 泡剂c o m ；王容沙等，通过阴离子、两性表面活性剂与非离子表面活性剂、 稳泡剂的复配，筛选性能优良的发泡剂；肖稳发等纠用乳化剂复配，从中选 取好的发泡剂；孙成才口钉等用蛋白类稳泡剂复配，得到稳定性较好的植物类 发泡剂。 另外一些针对物质泡沫性能的文献，没有明确标明用途，但对发泡剂的 认识也有一定的积极意义。例如：r a u l 等n 引用烷基氯对油菜籽蛋白质水解产 物进行烷基化改性，得到了稳定泡沫；h o r i u c h i 等m ，通过酶催化修饰蛋白质 制备发泡剂，并讨论了分子结构与泡沫稳定性的关系；k j e l l 等n 通过添加 阳离子表面活性剂大大提高了l s 的泡沫稳定性；r a m 等m ，通过添加水溶性高 分子物质增强了泡沫的稳定性；另外，r e g is m o n d 等研究了聚合物与表面 活性剂体系中，表面活性剂的烷基链长度对泡沫稳定性的影响；m a r t i n 等m ， 研究了蛋白质的网状结构对泡沫稳定性的影响。 从以上的文献分析可以看：目前轻质水泥建材发泡剂主要以合成类为 主，动物类次之，植物类最少。在提高泡沫稳定性的研究中，复合类发泡剂 表现出了良好的泡沫稳定性和应用性能，因此越来越受到人们的重视。其中 复合类发泡剂既能显著地提高泡沫混凝土的强度，又可提高泡沫混凝土的生 产效率，因此它是比较有发展前途的发泡剂。但存在的问题是目前我国还没 有发泡剂( 泡沫剂) 的有关技术标准及规程，因为发泡剂在国内尚处于初期阶 段，对发泡剂应满足哪些要求尚没有统一的认识。这是在以后的试验中要解 决的关键问题。 本文针对上述问题进行了一系列的试验研究工作，分别制备了x k 发泡 剂和x k 一1 复合发泡剂，建立了一套完备的测试方法，该法能准确的反映泡 沫的稳定性，为进一步发泡剂泡沫稳定性的研究提供参考价值并打下坚实的 理论基础。 1 一4研究的主要内容及技术路线 1 4 1研究的主要内容 针对我国发泡剂存在的诸多问题开展了发泡剂的制备改性可行性研究， 为新型墙体材料的制备提供技术支持。本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 制备了x k 型动物蛋白发泡剂( 以下简称x k 发泡剂) ，通过正交试 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 验优化试验配方，确定最佳工艺条件，并与市售发泡剂性能加以对比研究： ( 2 ) 对制备出的x k 和x k l 发泡剂进行红外检测，测定物相构成； ( 3 ) 用w a r i n gb l e n d e r 搅拌器和自制的泌水量、沉降距测定仪测自制和 市售发泡剂泡沫的稳定性和起泡力；进行对比分析从中选择最佳的发泡剂； ( 4 ) 复配制备了x k 一1 复合发泡剂，与多种稳泡剂进行试验，得出了最 合适的稳泡剂配方。进而得出了多元复合发泡剂最佳配比； ( 5 ) 研究泡沫稳定性的影响因素及衰变机理； ( 6 ) 开展了发泡剂在泡沫混凝土中的应用研究。制各出不同泡沫掺量的 泡沫混凝土：通过正交试验优化试验配方，确定最佳工艺条件，制备出满足 各项指标的免蒸压泡沫混凝土，并对其相关性能进行测试。 1 4 2研究的技术路线 图卜6x k 发泡剂的制备工艺流程 f i g 1 6 f i o - c h a r to nt h ep r e p a r a t i o no f x kt y p ef o a m in ga g e n t 1 5发泡剂的应用研究 1 5 1发泡剂的应用研究现状 泡沫混凝土又名发泡混凝土，通过机械方法将发泡液制成泡沫，加入胶 凝材料、钙质材料、水及各种外加剂组成的浆料中，经混合搅拌、浇筑、养 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 护，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料，具有 轻质、保温、隔热、隔音等优良性能，缺点是材料强度有所降低。 ( 1 ) c 0 1 a 0 1 ，s o l i m a n 等h 分别研究了泡沫对石膏、水泥的密度、强度 的影响。通过改变操作方法，可以实现不同形式的应用。 ( 2 ) 日本无机材料株式会社h 2 3 采用现浇的方式生产泡沫混凝土。 ( 3 ) 王洪镇h 引，魏惠媛等h 们分别研制了用于建筑中的泡沫混凝土砌块。 ( 4 ) 王武祥h 63 研制了泡沫水泥轻质墙板。 ( 5 ) 李春玉h 引，顾军等h 分别用泡沫混凝土封闭废矿、油田固井，排除 了生产、生活中的安全隐患。 ( 6 ) 在山西引黄工程联接段回填灌浆过程中，采用了泡沫混凝土h 引h 引， 分三次共回填泡沫混凝土5 0 0 m 3 ，一次可回填2 2 0 m 3 ，泵送距离达到4 0 m ，提 高了工程进度。 ( 7 ) 在北京团结湖工程中首次使用泡沫混凝土作为地基补偿材料哺0 1 ，解 决了建筑物各部分在施工过程中自由沉降不均的问题。 ( 8 ) 在公路建设中，由于桥头软、硬基础的变化，常出现桥头跳车，肖 礼经哺1 1 应用泡沫水泥轻质土处理这个问题。 、( 9 ) 泡沫混凝土具有很强的耗能作用，在地下坑道中添加这种耗能层， 能够明显减小结构的动力响应，是一种比较理想的结构消波、吸能型式啼纠。 ( 1 0 ) 为了减小密度降低导致的强度下降，h e l m n t 等哺舶选用了轻集料辅 助降低密度的方法，而杨久俊等哺4 1 、吴江龙等哺6 1 、s e u n g 等伯们则分别用添加 高强粉煤灰微珠、钢丝网、碳纤维和玻璃纤维增强的方法，都取得了一定成 效。另外，在轻质水泥建材研究过程，人们注重粉煤灰等工业废物的综合利 用哺7 1 ，生产的同时也保护了环境。 1 5 2 泡沫混凝土的概念及特点 泡沫混凝土具有以下几个特点； ( 1 ) 保温性：导热系数为o 0 8 0 0 1 3 5 w ( k ) ，热阻约为普通混凝土的 2 0 3 0 倍。 ( 2 ) 轻质性：干密度为2 0 0 7 0 0 k g m ，相当于普通水泥混凝土的1 5 1 1 0 左右，可减轻建筑物整体荷载。 ( 3 ) 整体性：可现场浇注施工，与主体工程结合紧密，不需要留界隔缝 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 和透气管。 ( 4 ) 低弹减震性：泡沫混凝土的多孔性使其具有低的弹性模量，从而使 其对冲击载荷具有良好的吸收和分散作用。 ( 5 ) 隔音性：泡沫混凝土中含有大量的独立气泡，且分布均匀，吸音能 力为o 0 9 0 1 9 ，是普通混凝土的5 倍，具备有效隔音的功能。 ( 6 ) 抗压性：抗压强度为o 6 5 5 m p a 。 ( 7 ) 耐水性：现浇发泡混凝土吸水性较小，相对独立的封闭气泡及良好 的整体性，使其具有一定的防水性能。 ( 8 ) 耐久性：与主体工程寿命相同。 ( 9 ) 施工简单：只需使用水泥发泡机可实现自动化作业，可实现垂直高 度1 0 0 米的远距离输送，工作量为8 0 2 0 0 m 3 工作日。 ( 1 0 ) 生产加工性：泡沫混凝土不但能在厂内生产成各种各样的制品，而 且还能现场施工，直接现浇成屋面、地面和墙体，并可进行锯、刨、钉、钻 孔等加工。 ( 1 1 ) 环保性：泡沫混凝土所需原料为水泥和发泡剂，发泡剂为中性，不 含苯、甲醛等有害物质，避免了环境污染和消防隐患。 ( 1 2 ) 经济性：综合造价低。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 发泡剂的研究 2 1 实验部分 2 1 1试剂 十二烷基硫酸钠( s d s ) a r成都科龙化工试剂厂 十二烷基苯磺酸钠( l a s ) a r成都科龙化工试剂厂 月桂醇 a r成都科龙化工试剂厂 无水乙醇 a r成都科龙化工试剂厂 氢氧化钠 a r 成都市联合化工试剂研究所 盐酸 a r成都新都海兴化工试剂厂 醋酸酐 a r成都科龙化工试剂厂 明胶工业级成都科龙化工试剂厂 聚乙烯醇( p v a ) a r成都科龙化工试剂厂 羧甲基纤维素钠( c m c ) a r成都科龙化工试剂厂 聚丙烯酞胺( h p a m ) a r成都科龙化工试剂厂 黄原胶( h y j 一4 ) a r成都科龙化工试剂厂 y g 表面活性剂四川某试剂厂 市售h l 发泡剂上海某建材公司 动物类、植物、混合类和高分子合成类发泡剂市售 肥皂、洗衣粉市售 动物蛋白型发泡剂( x k 发泡剂)试验室自制 高分子复合型发泡剂( x k 一1 发泡剂)试验室自制 2 1 2仪器 泡沫沉降距和泌水量测试仪 w a r i n gb l e n d e r 搅拌器 j j l 0 0 0 型精密电子天平 d h g 一9 0 7 0 a 电热恒温鼓风干燥箱 d 9 0 一2 f 电动搅拌机 d f 一1 0 1 s 集热式恒温加热磁力搅拌器 h k 一2 a 超级恒温水浴锅 试验室自制 沈阳固测井石油仪器研究所 常熟双杰测试仪器厂 上海齐欣科学仪器有限公司 杭州仪表电机有限公司 郑州长城科工贸有限公司 南京大学应用物理研究所 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 s h z 9 5 型循环水式多用真空泵 秒表 三口烧瓶5 0 0 m 1 ；金属环( 自制) ；抽滤瓶 河南巩义英峪予华仪器厂 上海秒表厂 2 1 3实验方法 2 1 3 1x k 发泡剂的制备方法 根据已有文献报道“”，以人发和氢氧化钠为原料来合成x k 发泡剂，分 两步进行： 第一步是水解反应 在装有回流冷凝器的5 0 0 m 1 三口烧瓶中加入人发和氢氧化钠，加热至一 恒定温度，回流反应数小时，趁热抽滤，得到粘稠状液体。 第二步是中和反应 在搅拌下往第一步所得液体中滴入稀盐酸，中和滤液至p h 为7 l ，在 相同温度下反应一段时间，冷却、过滤后则制得红棕色发泡剂母液。即制备 出x k 发泡剂。 2 1 3 2x k 一1 复合发泡剂的制备方法 鉴于未来的发泡剂，大多数将是多元复合型的，这类发泡剂有a b 一复合 发泡剂”、c c w 一9 5 型固体发泡剂等复合类c “。 笔者在总结前人复配试验的研究经验和成果基础上，做了大量的复配工 作，从而制备出了具有持久稳定性的x k 一1 复合发泡剂( 简称x k 一1 ) ，而且 通过在泡沫混凝土制品中的应用试验证明了该发泡剂具有很好的实用性。 将2 5 0 m 1 水预热到4 0 5 0 ，投入2 的y g 表面活性剂，与所加温的水 溶解，再加入1 0 0 m 1 水将水温预热到6 0 ，投人2 的肥皂，又加1 5 0 m l 水 将水温加热到7 0 时，投入o 3 的洗衣粉( l a s 或s d s ) ，当容器中的介质全 部溶解开，自制x k 一1 复合发泡剂( x k 一1 ) 制成备用。 2 1 3 3 发泡剂的红外分析方法 我们主要通过用红外光谱法分析产物的官能团，来确定x k 和x k l 发泡 剂的结构。 2 1 3 4发泡剂表面张力的测定方法 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 9 页 x k 和x k 一1 基本性能的测定是产品从合成到开发应用必不可少的中间环 节。合成的两种发泡剂的性能研究对它们的应用可行性来说是很重要的。x k 和x k 一1 溶液的表面张力作为表面活性物质不可缺少的物化性能，因此本章 对x k 和x k 一1 溶液的表面张力进行了测定。并与市售发泡剂的表面张力进行 比较。表面张力的测定方法很多，如鼓泡法、吊环法，、滴重法、毛细管法 等。这里我们采用吊环法对x k 和x k 一1 溶液的表面张力进行测定。 操作方法是将发泡剂配制成一定浓度的溶液，放于烧杯中，并且将烧杯 置于电子天平上，清零。将金属环放入溶液中，并缓慢、逐渐向上提起，读 取这个过程中，显示的最小值。重复测试几次，选取较稳定的数值。 2 1 3 5泡沫性能评价方法 泡沫性能评价方法有：用自制泡沫沉降距和泌水量测试仪测试沉降距、 泌水量、发泡倍数；用韦林氏搅拌器测试起泡体积和淅液半衰期。其中搅拌 法简单、方便、迅速、可靠。目前我国还没有发泡剂的有关技术标准及规程 ”，各研制单位都根据自己的研究情况，采用自己的技术指标及测试方法”。 从结果看，r o s s m i l e s 法”、气流法盯等方法效果不好，此处不做介绍。 下面介绍泡沫沉降距、泌水量测试法和韦林氏搅拌法的试验。它们将作为发 泡剂质量的主要检测手段。 国内的制泡技术目前主要是采用高速搅拌机，即将发泡液倒入高速搅拌 机中，然后用搅拌机的高速叶片搅动发泡液来制取泡沫；搅拌机转速为 1 0 0 0 r m i n 。1 以上，搅拌时间以泡沫达到均匀、细小、稳定为界限，搅拌机制 泡时间一般为3 5 m i n 。 2 1 3 6 自制泡沫沉降距和泌水量法 ( 1 ) 泡沫沉降距的测定：取内径为6 c m ，高9 c m 的容器( 或用尺寸相近而 容积约为2 5 0 c m 3 的容器) ，盛满新发生的泡沫，刮平表面，在泡沫上复纸一 张，平静地方在无风处，6 0 m i n 后量取泡沫沉降距。 ( 2 ) 发泡倍数的测定；将制成的泡沫注满容积为2 5 0 c m 3 ，直径为6 0 m m 的无底圆桶内，两端刮平，称其质量。发泡倍数m 有式( 2 1 ) 计算： m = vp ( g ：一g 。) ( 2 1 ) 式中：m 一一发泡倍数 v 玻璃桶容积( c m 3 ) p 一一发泡剂水溶液的比重( 近于1 k g c m 。3 ) g ：一一玻璃桶和发泡剂的质量( g ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 g 。一一玻璃桶的质量( g ) ( 3 ) 沉降距和泌水量的测定； 多 l l - 容器；2 一玻璃管；3 浮标；4 测泡沫柱高度用刻度；5 测泌水量用刻度 图2 1泡沫沉降距和泌水量测定仪 f i g 2 1 m e a s u r in gin s t r u m e n to fs e c r e t i n gw a t e rb u i ka 几ds i n k in g d js t a n c eo ff o a m ( 1 ) 容器底部有孔，玻璃管与容器的孔相连接； ( 2 ) 容器直径2 0 0 蛐，高1 6 0 咖，壁厚2 5 咖，侧壁有刻度，底部有磨口出水口； ( 3 ) 玻璃管直径为1 4 衄，长度为7 0 0 呻，底部有小龙头； ( 4 ) 浮标是块直径1 9 0 咖，厚0 3 3 蛐和重2 5 9 的圆形铝板。 根据上端容器上的刻度，测定泡沫的沉降距伯” 根据量管上的刻度，测定泡沫破裂所分泌的液体体积即泌水量。 2 1 3 7韦林氏搅拌法 韦林氏搅拌法在美、日等国使用最多，这是一种极为方便的评价泡沫性 能方法。所用药品少，试验周期短，使用条件不受限制”，可作为标准评价 方法之一。该法所用仪器是高速搅拌器，见图2 2 。 试验时，在量杯中加入1 0 0 m 1 一定浓度的发泡液，高速( 1 0 0 0 r m i n 叫) 搅 拌1 m in 后，关闭开关，马上读取泡沫体积，表示泡沫的起泡能力，体积越 大，说明起泡能力越强。然后记录从泡沫中析5 0 m l 液体所需的时间，称为 泡沫析液半衰期，半衰期越长，说明泡沫中液体析出越慢，泡沫的稳定性越 好。试验表明，该法能较准确地反应出发泡液的起泡能力和泡沫稳定性，因 此后面的发泡剂性能评价试验中，主要采用该法进行评价。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图2 2韦林氏搅拌器 f i g 2 2 w a ri n gb i e n d e r 2 1 3 8 稳泡剂对发泡剂影响的评价方法 ( 1 ) 自制沉降距和泌水量法评价；体系：水+ 稳泡剂( 搅拌至全部溶解) + 发泡剂，按2 1 3 6 小节中所介绍的方法进行测试，记录沉降距、泌水量和 发泡倍数等。 本试验通过对发泡剂掺加具有稳泡性的表面活性物十二烷基苯磺酸钠 ( l a s ) 、十二烷基硫酸钠( s d s ) 、肥皂、洗衣粉和掺加具有粘性物质明胶作 为稳泡剂来改善泡沫的稳定性。掺入物质能降低液体表面张力，提高泡沫薄 膜的质量，增加薄膜的黏弹性，减小泡沫的透气性，增强泡沫的稳定性；通 过对发泡液的起泡力和泡沫稳定性的改性试验，分析比较掺入物质对泡沫稳 定性的影响，并确定最佳的改性物质和掺量。 ( 2 ) 韦林氏搅拌法评价；水+ 稳泡剂( 搅拌至全部溶解) + 发泡剂，在量杯 中加入1 0 0 m l 配好的溶液，高速( 1 0 0 0 r m i n 。1 ) 搅拌1 m i n 后，关闭开关， 马上读取泡沫体积，然后记录从泡沫中析出一半( 5 0 m 1 ) 液体所需的时间。 记录发泡体积，评价发泡能力。 记录析出一半溶液所用时间，称为析液半衰期，以评价泡沫稳定性。 2 2 结果与讨论 2 2 1发泡剂的配方确定 自制x k 型发泡剂的性能受到很多因素的影响，为确定各因素的最佳值 及影响目标的主次关系，特设计三水平四因素的正交试验。本试验以n a 0 h 、 人发、h c l 和十二醇的不同配比为四因素，每个因素取三个水平，以此设计 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 2 页 三水平四因素l 。( 3 4 ) 正交试验( 见表2 1 ) 。本次试验考察的目标为：发 泡倍数、沉降距和泌水量。为了方便起见，将发泡倍数、沉降距和泌水量分 别用f 1 、f 2 、f 3 表示，各因素不同配比对发泡剂性能的影响极差分析见表 2 1 。 表2 1正交试验极差分析表 t a b 2 1 r a n g ea n a i y s i so fo r t h o g o n a it e s t 由表2 1 中各因素极差大小可以看出对发泡倍数影响的主次顺序为：人 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 3 页 发 n a 0 h = h c l = 十二醇；人发为主要因素，随着人发量的增加，自制发泡剂产 生的泡沫越细腻丰富，故发泡倍数越大。这与试验结果一致。 对沉降距的影响大小因素为：人发 n a o h h c l 十二醇，h c l 、十二醇的 影响相对较小，人发是主要影响因素，n a 0 h 影响也较大，由表2 1 知，随着 人发的增加，自制发泡剂产生的泡沫孔径越小，越稳定持久。故沉降距越小。 对泌水量的影响大小顺序为：人发 n a 0 h h c l 十二醇，人发仍然是主要 因素，泡沫越细腻丰富，越稳定性持久，发泡倍数越大，沉降距越小，因此 泌水量越小。 综合上述试验分析结果，由表2 1 可知5 号、9 号试验结果相对较好。 2 2 2发泡剂的红外分析 2 2 2 1x k 发泡剂的红外分析 将提纯后的产品用k b r 压片制样，得如图2 3 所示红外光谱图。 4 o 姗删砌2 枷砌1 6 1 o o w a v 即u m b a 晦c l n 1 图2 3x k 发泡剂的红外光谱图 f i g 2 3 i rs p e c t r ao fx kt y p ef o a m i n ga g e n t 从图2 3 的分析可以知：在产品的红外谱图中3 4 2 6 吸收峰是o h 的伸 缩振动峰；1 6 2 3 是c = 0 羰基振动峰；1 4 0 4 是碳氮伸缩振动吸收峰；1 1 1 3 是 c o 伸缩振动吸收峰；1 0 5 2 、9 7 7 均是c 一0 一c 糖苷键的特征峰。 由以上分析可知：x k 是蛋白质类发泡剂，并且可以发生酰基化反应，有 亲水一憎水基。 更i，ou磊羞磊葺君 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 4 页 2 2 2 2 x k 一1 发泡剂的红外分析 图2 4x k 一1 发泡剂的红外光谱图 从图2 4 的分析可以知：在产品的红外谱图中3 4 2 6 吸收峰是0 一h 的伸 缩振动峰，2 9 2 1 、2 8 4 8 均是c h 伸缩振动峰，1 4 6 4 是c h 弯曲振动峰，1 6 3 l 是n c = o 酰胺的羰基振动峰，1 6 6 7 羧酸c = 0 的振动峰，1 6 1 8 为苯环骨架振 动峰。表明通过复配作用，引入了羧酸基团，实现了亲水性接枝改性。 2 2 3发泡剂的表面张力分析 在室温下，测定六种发泡液不同浓度时的表面张力，列于表2 2 ，并作 表图2 5 。将所得数据求平均值，再与所测纯水的值进行比较，按式( 2 2 ) 计算发泡液的表面张力。 o=o o m m o 式中：o 为发泡液表面张力， o 。为纯水的表面张力， m 为测发泡液时显示的质量， m 。为测纯水时显示的质量。 ( 2 2 ) 文奄。暑gg写臣_ 西南科技大学硕士研究生学位