摘 要:概述了發(fā)泡劑的分類(lèi)及在建材領(lǐng)域的應(yīng)用。介紹了幾種應(yīng)用于混凝土中的發(fā)泡劑以及國(guó)外發(fā)泡劑的主要技術(shù)指標(biāo)和測(cè)試方法,對(duì)國(guó)內(nèi)外泡沫混凝土研究狀況進(jìn)行了綜述。展望了泡沫混凝土的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:發(fā)泡劑;泡沫混凝土;發(fā)展現(xiàn)狀;展望
中圖分類(lèi)號(hào): TU 528. 042. 4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
引言
混凝土是當(dāng)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(nèi)部產(chǎn)生微小的均勻氣泡,可形成質(zhì)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(yīng)用的日益廣泛,對(duì)發(fā)泡劑以及泡沫混凝土進(jìn)行深入研究非常必要。
1 發(fā)泡劑的分類(lèi)及在建材領(lǐng)域的應(yīng)用
1. 1 發(fā)泡劑的分類(lèi)
發(fā)泡劑[ 1 ]是能使材料內(nèi)部產(chǎn)生泡沫而形成閉孔或聯(lián)孔結(jié)構(gòu)材料的物質(zhì),按照其發(fā)泡原理,可將其分為化學(xué)發(fā)泡劑和物理發(fā)泡劑兩大類(lèi)[ 2 - 5 ] ?；瘜W(xué)發(fā)泡劑是指那些經(jīng)加熱分解后能釋放出二氧化碳和氮?dú)獾葰怏w,并在聚合物組成中形成細(xì)孔的化合物。
物理發(fā)泡劑是指通過(guò)某一種物質(zhì)的物理形態(tài)的變化形成泡沫細(xì)孔,即通過(guò)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(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng),是一種揮發(fā)性的發(fā)泡劑。發(fā)泡劑的分類(lèi)見(jiàn)圖1。
發(fā)泡劑能在特定的條件下產(chǎn)生大量氣體,在塑料和橡膠內(nèi)形成多孔結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)賦予了塑料和橡膠制品輕量化、隔熱性、隔音性和機(jī)械阻尼性等,在塑料和橡膠產(chǎn)業(yè)具有極其廣泛的應(yīng)用,已經(jīng)成為塑料、橡膠工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的加工助劑。由于發(fā)泡產(chǎn)品優(yōu)良的性能,在建筑材料領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。
1. 2 泡沫水泥與泡沫混凝土
1975年,美國(guó)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(lái)達(dá)到降低水泥漿密度的方法。1978年,美國(guó)的Yamada S等試驗(yàn)并成功地制造出油井用泡沫水泥,其于1979年首次應(yīng)用的效果很好。20 世紀(jì)80年代,泡沫水泥的發(fā)泡和穩(wěn)泡技術(shù)都有了很大發(fā)展,改進(jìn)了泡沫發(fā)生器,嚴(yán)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(gè)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(dǎo)率低、強(qiáng)度高等特點(diǎn),是一種超低密度水泥漿,主要用以解決低壓易漏長(zhǎng)封固段的固井問(wèn)題和深層稠油油藏開(kāi)采過(guò)程中的井筒保溫問(wèn)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(jīng)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(jīng)過(guò)預(yù)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(zhì)、高強(qiáng)的新型環(huán)保建筑材料,是固體廢棄物再生利用、保護(hù)環(huán)境并獲得豐厚經(jīng)濟(jì)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(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型功能材料,經(jīng)過(guò)發(fā)泡處理形成大量的氣泡,分布在連續(xù)的金屬相中構(gòu)成孔隙結(jié)構(gòu)。這些氣泡的內(nèi)部由連續(xù)或不連續(xù)的氣體與基體金屬構(gòu)成,因而既具有連續(xù)相金屬的特性,如強(qiáng)度高、導(dǎo)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(jī)結(jié)合使得泡沫金屬在很多領(lǐng)域特別是高技術(shù)領(lǐng)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(chē)制造、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用較深入,被譽(yù)為“汽車(chē)的最佳材料”,而在建筑業(yè)中的應(yīng)用還不是很廣泛,主要用于室外裝飾幕墻、室內(nèi)裝飾墻面、天花板、移動(dòng)隔斷、滑動(dòng)門(mén)、地板、活動(dòng)房、裝飾件等。
對(duì)泡沫金屬中研究較深入的是泡沫鋁,它已經(jīng)成功地應(yīng)用于空壓機(jī)房、列車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)房、聲頻室、施工現(xiàn)場(chǎng)等吸聲領(lǐng)域,并取得了很好的效果。
2 應(yīng)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(jī)械方法制成泡沫,再將泡沫加入到含硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、水及各種外加劑等組成的料漿中,經(jīng)混合攪拌、澆注成型、養(yǎng)護(hù)而成的一種內(nèi)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(shù)指標(biāo)及要求
我國(guó)對(duì)混凝土用發(fā)泡劑的研究起步較晚,目前還沒(méi)有統(tǒng)一的關(guān)于泡沫混凝土的技術(shù)規(guī)范,國(guó)外比較成熟的技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試方法[ 10 ]主要有:
(1)發(fā)泡倍數(shù):泡沫體積大于發(fā)泡劑水溶液體積的倍數(shù),要求大于20倍。
(2)沉降距:泡沫柱在一定時(shí)間內(nèi)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(chǎn)生的發(fā)泡劑水溶液體積,要求1 h的泌水量≯80 ml。
2. 2 測(cè)試方法
泡沫的沉陷距和泌水量可用泡沫質(zhì)量測(cè)定儀器測(cè)定。該儀器由容器、玻璃管和浮標(biāo)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(zhǎng)度為700 mm,底部有小龍頭。浮標(biāo)是一塊直徑為190 mm、質(zhì)量為25 g的圓形鋁板。根據(jù)上端容器上的刻度,測(cè)定泡沫的沉陷距。根據(jù)量管上的刻度,測(cè)定由破裂泡沫所分泌出的容量即泌水量。
發(fā)泡倍數(shù)的測(cè)定方法是將制成的泡沫注滿(mǎn)容積為250 ml、直徑為60 mm的無(wú)底玻璃桶內(nèi),兩端刮平,稱(chēng)其質(zhì)量。發(fā)泡倍數(shù)M 可按(1)式計(jì)算:
式中:M ———發(fā)泡倍數(shù);
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(zhì)量, g;
G2 ———玻璃桶和泡沫質(zhì)量, g。
2. 3 應(yīng)用于泡沫混凝土中的發(fā)泡劑
應(yīng)用于泡沫混凝土中的發(fā)泡劑種類(lèi)很多,目前主要有:松香酸皂類(lèi)發(fā)泡劑、金屬鋁粉發(fā)泡劑、植物蛋白發(fā)泡劑、動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑、樹(shù)脂皂類(lèi)發(fā)泡劑、水解血膠發(fā)泡劑、石油磺酸鋁發(fā)泡劑等。我國(guó)對(duì)發(fā)泡劑的研究總體上還比較落后,功能偏少,綜合指標(biāo)不高,雖然有些發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)大,但穩(wěn)定性差、制品強(qiáng)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(jīng)過(guò)皂化反應(yīng)制取的一種表面活性劑,其主要成分為松香樹(shù)脂的鈉鹽,外觀(guān)呈淺黃褐色液體。其制造工藝簡(jiǎn)單,材料成本較低,但其發(fā)泡能力及泡沫強(qiáng)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(shí)加入一定比例的水,經(jīng)攪拌產(chǎn)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(hù)7 d,然后在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d。
植物蛋白發(fā)泡劑是以天然高分子材料為原料,經(jīng)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成。這種發(fā)泡劑為淡黃色透明液體,溶于水,對(duì)硬水不敏感,無(wú)毒、無(wú)味,具有優(yōu)異的發(fā)泡能力,泡沫豐富、細(xì)密。但是,由于原材料的質(zhì)量不穩(wěn)定,造成最終產(chǎn)品的發(fā)泡性能不穩(wěn)定,只適合于較少的場(chǎng)合使用,因而未得到大面積推廣。
目前,國(guó)內(nèi)外廣泛認(rèn)可的是動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑。
動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑是以動(dòng)物(牛、羊)角質(zhì)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(guò)濾、高溫縮水而成,呈暗褐色黏性液體。質(zhì)量合格的動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑具有發(fā)泡量大、泡沫強(qiáng)度高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),在日本、美國(guó)等工業(yè)化國(guó)家已經(jīng)廣泛使用。作為發(fā)泡劑,其具有發(fā)泡倍數(shù)高、泡壁厚、穩(wěn)定性好、消泡時(shí)間長(zhǎng)、泡沫空隙之間不聯(lián)通、獨(dú)立性好、造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)。我國(guó)的一些研究人員也對(duì)蛋白質(zhì)發(fā)泡劑進(jìn)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(guó)際上成熟的蛋白質(zhì)發(fā)泡劑相比差距較大,有待于進(jìn)一步改善和提高。
