發泡水泥泡沫穩定性影響因素及評價方法研究

李穎 夏勇

(廣東省建筑材料研究院有限公司)

0 引言

發泡水泥作為一種新型建筑材料，通常是將發泡液通過機械發泡的形式制成泡沫，然后將其與水泥漿按一定比例混合攪拌而成，因此發泡水泥制品中具有大量的封閉氣孔，使得其自重遠低于普通水泥制品。此外大量封閉氣孔的存在導致發泡水泥制品具有較低的導熱系數，隔熱效果好，同時還具備了良好的隔音、耐火、耐凍等性能，將其運用在建筑外墻、樓層板中能夠減少建筑能耗，達到建筑節能的目的，更有助于實現中國在2020年提出的二氧化碳排放力爭在2030 年前達到峰值、努力在2060 年前實現碳中和的目標[1]。

以往研究顯示，影響水泥制品性能的因素有很多，如水灰比、養護條件等，但相較于普通水泥制品，影響發泡水泥隔熱制品性能的關鍵因素還取決于泡沫的穩定性。因此，有諸多研究人員對發泡劑的種類、發泡原理、泡沫失穩的原因及影響因素展開了研究。本文將探討發泡水泥泡沫穩定性的影響因素以及評價方法并對評價方法展開研究分析，以期為其他學者對發泡水泥泡沫穩定性的研究提供參考。

1 發泡劑的發泡原理

發泡劑主要有化學發泡劑、物理發泡劑、表面活性劑，其中表面活性劑分為陽離子發泡劑、陰離子發泡劑、非離子發泡劑、兩性發泡劑，本文主要對陰離子發泡劑展開研究，闡述了十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、十二烷基硫酸鈉(SDS)發泡的原理及其濃度對發泡劑發泡能力的影響。

由于SDBS、SDS 是一種兩極構造的兩親分子，一端是親水基、一端是疏水基，在低濃度下便可顯著降低水溶液表面張力，然后利用發泡機或機械攪拌引入空氣形成了由液體包裹氣體的大量氣泡，即產生了泡沫。有文獻[2]揭示了SDBS、SDS 濃度對于發泡劑的發泡能力具有重要影響，濃度較高、較低都會對泡沫質量造成不利影響，因此理論上存在最佳濃度以獲得質量最佳的泡沫。這可以通過膜彈性理論解釋：當SDBS、SDS 濃度較低時，液膜部分區域的膜厚度在外力作用下變薄時，液膜中濃度較高區域內液體向濃度較低區域內流動，降低了液膜的平均厚度，泡沫中氣泡直徑出現較大差異，出現較多的連通孔，甚至無法形成泡沫，導致泡沫質量較差；當SDBS、SDS 濃度較高時，液膜在外力作用下變薄的程度較小，液膜中濃度變化不是很明顯，膜厚度變化較小，仍舊保持一個較大的厚度，但隨著液膜內液體在自身重力的作用下開始流動時，泡沫也逐漸破碎，產生較多的泌水；當SDBS、SDS 濃度適當時，在外力作用下液膜濃度較高區域內液體向濃度較低區域內流動，膜厚度雖有所降低，但未影響泡沫質量，泡沫泌水亦較少。

2 泡沫失穩的原因及影響因素

2.1 泡沫失穩原因分析

泡沫作為一種分散體系，發泡劑發泡形成的泡沫是由無數個液膜包裹氣體的氣泡聚集而成，因此泡沫的狀態極不穩定，在發泡結束后經過若干分鐘，泡沫便會發生破碎、泌水、沉降等現象。目前，關于泡沫失穩的原因主要有以下幾個方面：

⑴泡沫受到液體自重的影響，液膜內液體在重力作用下向下流動，導致上部泡沫液膜厚度減小，逐漸破碎；

⑵如果相鄰氣泡之間的液膜較薄、穩定性較差時，液膜容易破碎且破碎后氣體合并形成大的連通孔；

⑶因發泡劑發泡形成的泡沫中氣泡尺寸不同，使得氣泡內部氣體的氣壓不同，氣泡內氣體容易產生擴散作用，造成泡沫破碎[3]。

2.2 影響泡沫失穩的因素

由于泡沫是亞穩定狀態，易受到外界溫度、壓力、溶液pH 值、溶液中鹽類濃度等因素的影響[4-6]。實驗發現溫度較高時泡沫破碎速度較快，反之則慢，這是因為溫度上升降低了溶液的黏度，液膜內排液速度加快導致泡沫破碎。實驗時發現一個有趣現象，利用圓形容器裝滿泡沫，且處于自然狀態下時，泡沫破碎速度較快；當泡沫頂部放置一個與容器直徑差不多的輕質圓板時，容器內泡沫破碎速度較慢，這可能是輕質圓板的存在使得泡沫中氣泡內外壓強差減小，抑制了液膜內氣體擴散，導致泡沫破碎速度減緩。另一方面，有學者指出溶液的pH 值為4～6 時泡沫的穩定性較好，溶液中鹽類濃度較高時會降低泡沫的穩定性，前者是因為發泡劑的電離作用易受pH 值的影響，而后者是因為鹽類濃度升高使得溶液雙電子層結構遭到破壞，減弱了表面活性劑在溶液表面的吸附作用，極性頭基斥力被無機鹽屏蔽，同時親水基陽離子與陰離子之間的靜電吸引也被屏蔽了，導致泡沫穩定性下降。

3 泡沫穩定性評價方法

雖然現有規范《泡沫混凝土用泡沫劑》[7]中提及了測試泡沫穩定性的方法，即1h 沉降距與1h 泌水率，但此方法并不能全面地反映泡沫的穩定性，因此，學者們[4-5]又提出了電導率法、光學法、聲速法等測試方法來評價泡沫的穩定性，此外，本文還將介紹泌水率-時間曲線分析法來評價泡沫的穩定性。

3.1 1h 沉降距與1h 泌水率

根據規范《泡沫混凝土用泡沫劑》[7]中相關內容，1h沉降距與1h 泌水率的測量方法是首先將泡沫裝入特制容器中，并將特制的鋁蓋放在泡沫上方，然后在1h 之后測試鋁蓋下降的距離即為1h 沉降距，接著收集容器中泡沫破碎產生的液體并稱重即可得到1h 泌水量，然后通過相關公式計算即可得到1h 泌水率。表1 為市售某發泡劑1h 沉降距、1h 泌水量以及1h 泌水率測試結果。此方法操作起來較為簡單，測量結果能夠有效地反映泡沫在1h 之后的變化情況，但是對于泡沫在此1h 之內的變化情況卻無法進行評價，泡沫的形態變化也無法得到反映，所以利用此方法只能從定量的角度簡單地評價泡沫在1h 之后的穩定性。

表1 市售某發泡劑泡沫1h 沉降距、1h 泌水量以及1h 泌水率測試結果

3.2 電導率法

根據泡沫由氣-液二相構成，液體具有導電性而氣體不具有導電性的差異性，有學者提出采用電導率法來測試泡沫的電導率，并以電導率結果對泡沫的穩定性展開評價。實驗時利用電導率儀測試泡沫在不同時間段的電導率，并繪制電導率隨時間的變化曲線，通過分析曲線的變化趨勢以及泡沫的變化情況對泡沫穩定性展開評價。有研究員[4]指出電導率法具有較高的靈敏性，能夠清楚地反映泡沫的穩定性，但電導率在30min 后會變成常數，因此利用此方法只能評價泡沫形成中最初30min 內的穩定性。

3.3 光學法

由于泡沫是一種分散體系，而光線在分散體系中會發生散射現象，因此有學者提出采用光學法來評價泡沫的穩定性，通過測量光線在泡沫中的折射率和透射率來表征。通過光源發射器發射紅外光譜，光譜探測器檢測折射光與透射光，隨著時間的變化泡沫會發生液膜變薄、破碎、泌水現象，對光線在泡沫中的折射率和透射率造成明顯的影響，利用光譜探測器檢測不同時間內的折射光與透射光并進行分析。因此，通過光線折射率和透射率的變化情況可對泡沫的穩定性展開評價[5]。

3.4 聲速法

有學者根據聲速在不同介質中傳播速度不同的原理，提出利用聲速來評價泡沫的穩定性[8]。由于泡沫是由液膜包裹氣體形成的一個個氣泡而組成，當泡沫孔徑均勻、沒有出現較大的孔洞時，此時泡沫質量較佳；但隨著時間增加，泡沫質量開始發生變化，泡沫孔徑開始變大，液膜厚度開始變小，同時有泌水情況發生，因此，聲速在這兩種情況下具有較大的差異性。利用聲速法評價泡沫的穩定性時，首先將兩端開口的圓柱形容器中裝滿泡沫，然后在一端安裝發聲器，另一端安裝接收器，通過發聲器發出聲波，接收器接受聲波，根據時間差計算聲波在泡沫中的聲速，間隔一定時間進行多次實驗可獲得一系列聲速結果，通過分析聲速結果以及觀察泡沫的形態變化進行評價泡沫的穩定性。

3.5 泌水量- 時間曲線分析法

為詳細獲取泡沫在1h 之內的變化情況，本研究團隊提出了采用泌水量-時間曲線分析法來評價泡沫的穩定性。具體操作方法如下：首先將規范《泡沫混凝土用泡沫劑》[7]中測量1h 沉降距與1h 泌水率的容器進行改造，為其增設支座使其能夠固定，并在其底部增設液體接受裝置，且該裝置具有實時記錄功能；然后將泡沫裝入容器中，打開液體接受裝置中實時記錄功能即可；待記錄完畢將相關數據繪制成折線圖并進行分析。

如圖1 所示，對市售某發泡劑進行發泡試驗并繪制了泡沫的泌水量-時間曲線。觀察圖中曲線可知，在第一階段（0～15）內，泌水量幾乎為零，表明在此時間段內泡沫基本保持穩定狀態；在第二階段（15～60）內，泌水量急劇增大，表明在此時間段內泡沫開始大量破碎，原本密集的小氣泡也因液膜的破碎而變成孔徑較大的氣泡，液膜內液體在自身重力作用下向下流動，出現較多泌水；在第三階段（75～240）內，泌水量緩慢增加，表明在此時間段內泡沫仍繼續破碎，但破碎速度較緩，這是因為在第二階段內泡沫大量破碎使得液膜厚度變薄，此時液膜破碎產生的泌水較少，所以，此階段泌水量隨著時間的增加而緩慢增加。可見，采用泌水量-時間曲線分析法能夠清晰地反映泡沫在1h 內泌水量的實時變化情況，在一定程度上可以對泡沫的穩定性進行評價。

圖1 泌水量- 時間變化曲線圖

4 小結

⑴采用SDBS、SDS 作為發泡劑進行發泡時存在最佳濃度，濃度過高或過低均會對泡沫的穩定性產生負面影響。

⑵泡沫的穩定性是影響發泡水泥制品性能的關鍵因素，但泡沫的穩定性受到溫度、溶液pH 值、溶液中鹽類濃度等因素的影響，在實際生產時需要綜合考慮多方面因素。

⑶目前關于泡沫穩定性的評價方法較多，但缺乏足夠的理論基礎，其中，聲速法、電導率法以及光學法能夠更加清晰地評價泡沫的穩定性，但裝置復雜、費用高，而1h 沉降距、1h 泌水率以及泌水量-時間曲線分析法操作比較簡單，但僅能從宏觀角度對泡沫穩定性進行評價。因此，繼續開展關于泡沫穩定性檢測方法的研究有助于更加全面地了解發泡水泥，有助于設計、生產性能優良的發泡水泥制品，在降低能源消耗、建筑節能方面具有重要意義。