摘 要:概述了發(fā)泡劑的分類及在建材領域的應用。介紹了幾種應用于混凝土中的發(fā)泡劑以及國外發(fā)泡劑的主要技術指標和測試方法,對國內外泡沫混凝土研究狀況進行了綜述。展望了泡沫混凝土的發(fā)展趨勢。
關鍵詞:發(fā)泡劑;泡沫混凝土;發(fā)展現狀;展望
中圖分類號: TU 528. 042. 4 文獻標識碼:A
引言
混凝土是當今使用量最大的建筑材料之一。將發(fā)泡劑引入混凝土,在混凝土內部產生微小的均勻氣泡,可形成質輕、保溫性能好的泡沫混凝土,用于屋面、非承重墻及熱力管道的保溫層。隨著泡沫混凝土在工程中應用的日益廣泛,對發(fā)泡劑以及泡沫混凝土進行深入研究非常必要。
1 發(fā)泡劑的分類及在建材領域的應用
1. 1 發(fā)泡劑的分類
發(fā)泡劑[ 1 ]是能使材料內部產生泡沫而形成閉孔或聯孔結構材料的物質,按照其發(fā)泡原理,可將其分為化學發(fā)泡劑和物理發(fā)泡劑兩大類[ 2 - 5 ] ?；瘜W發(fā)泡劑是指那些經加熱分解后能釋放出二氧化碳和氮氣等氣體,并在聚合物組成中形成細孔的化合物。
物理發(fā)泡劑是指通過某一種物質的物理形態(tài)的變化形成泡沫細孔,即通過壓縮氣體的膨脹、液體的揮發(fā)或固體的溶解而形成的,不經過化學反應,是一種揮發(fā)性的發(fā)泡劑。發(fā)泡劑的分類見圖1。
發(fā)泡劑能在特定的條件下產生大量氣體,在塑料和橡膠內形成多孔結構,這種結構賦予了塑料和橡膠制品輕量化、隔熱性、隔音性和機械阻尼性等,在塑料和橡膠產業(yè)具有極其廣泛的應用,已經成為塑料、橡膠工業(yè)生產中不可或缺的加工助劑。由于發(fā)泡產品優(yōu)良的性能,在建筑材料領域也有著廣泛的應用。
1. 2 泡沫水泥與泡沫混凝土
1975年,美國的Aldrish和Mitchell提出直接在水泥漿中充氣,即以氣體作為減輕劑來達到降低水泥漿密度的方法。1978年,美國的Yamada S等試驗并成功地制造出油井用泡沫水泥,其于1979年首次應用的效果很好。20 世紀80年代,泡沫水泥的發(fā)泡和穩(wěn)泡技術都有了很大發(fā)展,改進了泡沫發(fā)生器,嚴格選擇表面活性劑作為穩(wěn)泡劑,使氣體能以互相分離的均勻氣泡的形式穩(wěn)定地分散于整個體系中,配制出性能優(yōu)良的泡沫水泥漿[ 6 ] 。與其他的低密度水泥相比,泡沫水泥具有密度低、滲透率低、熱導率低、強度高等特點,是一種超低密度水泥漿,主要用以解決低壓易漏長封固段的固井問題和深層稠油油藏開采過程中的井筒保溫問題。
1. 3 泡沫微晶玻璃[ 7 ]
泡沫微晶玻璃( Foam Glass - ceramic)是以廢玻璃、粉煤灰、非金屬礦等為主要原料,加入發(fā)泡劑、成核劑和外加劑等,經粉碎后混合均勻形成配合料,然后將配合料置于特制的模具中,經過預熱、熔融、發(fā)泡、析晶、退火等工藝制成的新型多孔微晶玻璃墻體材料。
泡沫微晶玻璃是一種性能優(yōu)越的隔熱、吸聲、防潮、防火、輕質、高強的新型環(huán)保建筑材料,是固體廢棄物再生利用、保護環(huán)境并獲得豐厚經濟效益的范例。
1. 4 泡沫金屬
泡沫金屬是一種新型多孔材料,是近年來發(fā)展起來的一種新型功能材料,經過發(fā)泡處理形成大量的氣泡,分布在連續(xù)的金屬相中構成孔隙結構。這些氣泡的內部由連續(xù)或不連續(xù)的氣體與基體金屬構成,因而既具有連續(xù)相金屬的特性,如強度高、導熱性好、耐高溫等,又具備分散相氣孔的特性,如阻尼性、隔離性、絕緣性、消聲減震性等,兩者的有機結合使得泡沫金屬在很多領域特別是高技術領域受到廣泛重視,具有較廣闊的發(fā)展前景[ 8 ] 。目前,泡沫金屬在汽車制造、航空航天等領域的應用較深入,被譽為“汽車的最佳材料”,而在建筑業(yè)中的應用還不是很廣泛,主要用于室外裝飾幕墻、室內裝飾墻面、天花板、移動隔斷、滑動門、地板、活動房、裝飾件等。
對泡沫金屬中研究較深入的是泡沫鋁,它已經成功地應用于空壓機房、列車發(fā)動機房、聲頻室、施工現場等吸聲領域,并取得了很好的效果。
2 應用于泡沫混凝土中的發(fā)泡劑
泡沫(發(fā)泡)混凝土通常是將發(fā)泡劑水溶液用機械方法制成泡沫,再將泡沫加入到含硅質材料、鈣質材料、水及各種外加劑等組成的料漿中,經混合攪拌、澆注成型、養(yǎng)護而成的一種內部含有大量封閉氣孔的“密孔”混凝土[ 9 ] 。
2. 1 發(fā)泡劑的技術指標及要求
我國對混凝土用發(fā)泡劑的研究起步較晚,目前還沒有統一的關于泡沫混凝土的技術規(guī)范,國外比較成熟的技術指標及測試方法[ 10 ]主要有:
(1)發(fā)泡倍數:泡沫體積大于發(fā)泡劑水溶液體積的倍數,要求大于20倍。
(2)沉降距:泡沫柱在一定時間內沉陷的距離,要求1 h泡沫的沉降距≯10 mm。
(3)泌水量:泡沫破壞后所產生的發(fā)泡劑水溶液體積,要求1 h的泌水量≯80 ml。
2. 2 測試方法
泡沫的沉陷距和泌水量可用泡沫質量測定儀器測定。該儀器由容器、玻璃管和浮標組成,容器底部有孔, 玻璃管與容器的孔相連接, 玻璃管直徑為14 mm,長度為700 mm,底部有小龍頭。浮標是一塊直徑為190 mm、質量為25 g的圓形鋁板。根據上端容器上的刻度,測定泡沫的沉陷距。根據量管上的刻度,測定由破裂泡沫所分泌出的容量即泌水量。
發(fā)泡倍數的測定方法是將制成的泡沫注滿容積為250 ml、直徑為60 mm的無底玻璃桶內,兩端刮平,稱其質量。發(fā)泡倍數M 可按(1)式計算:
式中:M ———發(fā)泡倍數;
V ———玻璃桶容積, cm3 ;
γ———泡沫劑水溶液的密度,接近于1 g/ cm3 ;
G1 ———玻璃桶質量, g;
G2 ———玻璃桶和泡沫質量, g。
2. 3 應用于泡沫混凝土中的發(fā)泡劑
應用于泡沫混凝土中的發(fā)泡劑種類很多,目前主要有:松香酸皂類發(fā)泡劑、金屬鋁粉發(fā)泡劑、植物蛋白發(fā)泡劑、動物蛋白發(fā)泡劑、樹脂皂類發(fā)泡劑、水解血膠發(fā)泡劑、石油磺酸鋁發(fā)泡劑等。我國對發(fā)泡劑的研究總體上還比較落后,功能偏少,綜合指標不高,雖然有些發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數大,但穩(wěn)定性差、制品強度不高。
松香皂發(fā)泡劑是使用較早的一種發(fā)泡劑,是以松香和氫氧化鈉等為主要原料,經過皂化反應制取的一種表面活性劑,其主要成分為松香樹脂的鈉鹽,外觀呈淺黃褐色液體。其制造工藝簡單,材料成本較低,但其發(fā)泡能力及泡沫強度也較差,不適于制作700 kg/m3 以下的發(fā)泡混凝土制品。① 可以按松香∶氫氧化鈉∶水= 5 ∶1 ∶35 的配比[ 11 ] ,將松香皂化制成松香酸鈉溶液,使用時加入一定比例的水,經攪拌產生大量泡沫,將泡沫加入料漿,攪拌后形成泡沫料漿,然后澆注模具。脫模后,淋水養(yǎng)護7 d,然后在自然條件下養(yǎng)護28 d。
植物蛋白發(fā)泡劑是以天然高分子材料為原料,經一系列復雜的化學反應生成。這種發(fā)泡劑為淡黃色透明液體,溶于水,對硬水不敏感,無毒、無味,具有優(yōu)異的發(fā)泡能力,泡沫豐富、細密。但是,由于原材料的質量不穩(wěn)定,造成最終產品的發(fā)泡性能不穩(wěn)定,只適合于較少的場合使用,因而未得到大面積推廣。
目前,國內外廣泛認可的是動物蛋白發(fā)泡劑。
動物蛋白發(fā)泡劑是以動物(牛、羊)角質蛋白為主要原材料,加入一定量的氫氧化鈉、鹽酸、氯化鎂等化工原料,加溫溶解、稀釋、過濾、高溫縮水而成,呈暗褐色黏性液體。質量合格的動物蛋白發(fā)泡劑具有發(fā)泡量大、泡沫強度高、持續(xù)時間長等優(yōu)點,在日本、美國等工業(yè)化國家已經廣泛使用。作為發(fā)泡劑,其具有發(fā)泡倍數高、泡壁厚、穩(wěn)定性好、消泡時間長、泡沫空隙之間不聯通、獨立性好、造價低廉等優(yōu)勢。我國的一些研究人員也對蛋白質發(fā)泡劑進行了研究[ 12 - 13 ] ,但在發(fā)泡劑的發(fā)泡能力、泡沫穩(wěn)定性等方面,與國際上成熟的蛋白質發(fā)泡劑相比差距較大,有待于進一步改善和提高。
