表面活性劑濃度對其發泡性能和穩泡性能的影響

2022-08-31 02:30:08程寶軍康升榮麻鵬飛史博元

四川建材 2022年8期

程寶軍，康升榮，麻鵬飛，史博元

(中建西部建設建材科學研究院有限公司，四川成都 610064)

0 前言

泡沫混凝土新拌漿體穩定性存在的問題主要有混凝土攪拌成型后，泡沫劑附著在水泥顆粒表面導致的阻礙水泥材料水化進程，以及混凝土穩定之前泡沫消減造成的整體穩定性差，澆筑后易塌模等[1-4]。發泡劑的發泡能力和泡沫的持久穩定性是影響新拌漿體的流動性和澆筑體的體積穩定性，最終影響硬化體的密度和強度的主要因素[2]。目前發泡劑品種主要有松香型發泡劑、離子型發泡劑、蛋白類發泡劑和復合類發泡劑[5]。

表面活性劑因其表面活性，能有效降低液體的表面張力[6]，具有起泡速度快、泡沫量大、在較低的濃度下也有較高的發泡能力等優點，其中表面活性是發泡的核心。但其不足是泡徑大、泡壁薄、消泡快、穩定性不佳，需加入大量穩泡劑[2]，且表面活性劑種類多樣，對液體表面的影響又不盡相同，所以并不是所有的表面活性劑均可用于做發泡劑[6]，對表面活性劑的正確選擇與合理搭配是發泡功與否的關鍵。

本文選擇了作為發泡劑時常用的AES、K12、十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、AOS、AEO-9、CMEA、茶皂素和CHSB等9種表面活性劑，以摻量為單一變量，研究了其對發泡性能和穩泡性能的影響，確定了表面活性劑發泡性能單組分最佳濃度，進一步通過引入納米材料對表面活性劑型發泡劑進行改性，以期改善表面活性劑型發泡劑發泡性能和穩泡性能。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

實驗所用表面活性劑種類及生產廠家見表1。發泡劑改性所用納米材料包括疏水納米SiO2、碳酸鈣晶須和納米石墨烯，其中疏水納米SiO2為來自江蘇天行新材料有限公司的TSP-L12，性能指標見表2，碳酸鈣晶須來自東莞市漢騰塑膠有限公司，性能指標見表3，納米石墨烯來自鄭州萬創化工產品有限公司，性能指標見表4。

表1 表面活性劑種類及生產廠家

表2 疏水納米SiO2性能指標

表3 碳酸鈣晶須性能指標

表4 納米石墨烯性能指標

1.2 泡沫制備方法

試驗時不同表面活性劑濃度設置0.3%、0.4%、0.5%、0.6%和0.7%等5個梯度，根據實驗方案稱取所需化學試劑的質量，用少量熱水將表面活性劑完全溶解，之后加入室溫水稀釋至需要濃度，取20 mL稀釋液以2 500 r/min的速度分散1 min，通過高壓空氣發泡機制出泡沫。

1.3 性能評價指標及其測定方法

1)發泡倍數。發泡劑的發泡倍數即所發泡沫體積與發泡劑稀釋液的體積比[7]，標準《泡沫混凝土用泡沫劑》(JC/T 2199―2013)要求發泡劑發泡倍數≥20倍[8]。本文以20 mL表面活性劑所發泡沫體積(發泡體積)作為評價其發泡性能的依據。

2)穩泡性能。由于不同表面活性劑所發泡沫泌水量和沉降距在一定程度上不是正相關的，所以本文以析液半衰期T1/2(s)作為評價泡沫穩定性能的指標。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果分析

圖1為不同濃度下表面活性劑發泡體積測試結果。從濃度對泡倍數影響趨勢來看，AES、K12、AOS、AEO-9、茶皂素濃度的提升對發泡體積有利，十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、CMEA和CHSB濃度的提升對發泡倍數不利。且在較低濃度時，十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、CMEA和CHSB發泡效果較好，高濃度時，AES、K12、AOS、AEO-9、茶皂素發泡效果較好。

圖2為不同濃度下表面活性劑析液半衰期測試結果。從濃度對泡倍數影響趨勢來看，雖然低濃度(0.3%)十二烷基苯磺酸鈉析液半衰期最高(372 s)，但AES、K12、AOS、AEO-9、CMEA、茶皂素和CHSB濃度的提升對穩泡性能有利，十二烷基磺酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉濃度的提升對穩泡效果不利，且高濃度時K12穩泡效果最好。綜合圖1和圖2來看，在所選取的9種表面活性劑中，0.3%濃度的十二烷基苯磺酸鈉發泡體積和穩泡性能最佳，但AES、K12、AOS、AEO-9和茶皂素濃度的提升對發泡劑發泡體積和泡沫穩定性有利。

圖1 發泡體積

圖2 析液半衰期

2.2 單因素試驗極差分析

為了探究9種表面活性劑濃度對發泡體積和穩泡性能的影響程度，對單因素實驗結果進行了極差分析，分析結果見表5。從極差來看，對于發泡體積來說，濃度對其影響程度由大至小依次為十二烷基苯磺酸鈉、AOS、CMEA、十二烷基磺酸鈉、AEO-9、AES、CHSB、茶皂素、K12，其中十二烷基苯磺酸鈉濃度對發泡體積影響程度最大，K12對發泡體積影響程度最??；對于析液半衰期來說，濃度對其影響程度由大致小依次為十二烷基苯磺酸鈉、K12、十二烷基磺酸鈉、AES、AOS、茶皂素、AEO-9、CHSB、CMEA，其中CMEA濃度對析液半衰期影響程度最小，十二烷基苯磺酸鈉濃度對析液半衰期影響程度最大。在濃度的提升對發泡體積有利的表面活性劑中，AOS濃度影響程度最大，K12濃度影響程度最小；在濃度的提升對析液半衰期有利的表面活性劑中，K12濃度影響程度最大，CMEA濃度影響程度最小。雖然低濃度時K12發泡性能和穩泡性能一般，但高濃度時K12同時擁有較高的發泡體積和最大的析液半衰期，這是由于K12分子中親水基結構簡單，溶解性好，單分子的遷移能力強，發泡過程中能夠迅速遷移至新生氣液界面上，保持液體動態張力的平衡，故K12具有很好的起泡性，且K12分子在泡沫液膜表面上的吸附量多、排列緊密，液膜表觀黏度大，泡沫排液時間長[9]，泡沫穩定性也好。

表5 表面活性劑單因素試驗結果極差分析

2.3 納米材料對K12發泡性能改性研究

根據本文2.1研究可知K12濃度對發泡性能和穩泡性能均有正向影響，且濃度較高時其穩泡效果最好，所以選取0.7%濃度的K12溶液作為基礎發泡劑，采用疏水納米二氧化硅、碳酸鈣晶須和納米石墨烯等納米物質對K12進行改性，研究其對K12發泡性能和穩泡性能的影響，納米材料摻量為發泡劑摻量的0.5‰，具體配合比見表6。

表6 納米材料改性K12配合比

表7為摻加了納米材料的0.7%K12溶液發泡性能和穩泡性能測試結果。由表，可知，摻加0.5‰的疏水納米二氧化硅、碳酸鈣晶須和納米石墨烯對K12溶液發泡體積影響不大，但摻加碳酸鈣晶須和納米石墨烯會在一定程度上降低所發泡沫析液半衰期。摻加疏水納米SiO2可使泡沫析液半衰期增加至584 s(較空白組增加了62%)，這主要是因為疏水納米顆?？梢晕皆跉庖合嘟缑妫档鸵好姹砻鎻埩Γ瑥亩鴺O大地提升了其穩泡能力。