发泡混凝土（共8篇）
发泡混凝土 篇1
0前言
随着我国经济的高速发展和大规模基础建设的加快, 管桩的需求量一直保持较大的增长。管桩生产主要通过模具高速离心成型, 在成型过程中会产生大量的余浆, 现在余浆没有较好的处理方法, 如果处理不当会对环境产生很大不利影响[1,2]。余浆的主要成分是水泥、磨细砂和减水剂, 具有很好的胶凝性、硬化速率快、强度高等特点[3], 在建筑材料中充分使用余浆可以很好地解决余浆对环境污染的问题, 符合节能减排、经济可持续发展的国策, 也可以带来一定的经济利益。
随着建筑材料技术的发展, 轻质保温材料在建筑中的应用逐渐增加。发泡混凝土作为一种新材料, 具有轻质、保温、隔音等优异性能, 在建筑中得到广泛应用。目前市场使用的泡沫混凝土主要是以水泥和粉煤灰作为胶凝材料, 通过掺加合适的稳泡剂和发泡剂, 制定好合适的生产工艺来制得[4,5,6]。
目前管桩余浆在部分建筑材料中得到一定应用, 但在以双氧水为发泡剂的发泡混凝土中应用较少[7]。本文主要研究如何在发泡混凝土中大量使用管桩余浆, 为管桩厂余浆的处理提供一条新思路。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
余浆:江苏某管桩有限公司生产管桩产生的余浆, 湿密度1400~1800kg/m3;稳泡剂:保塑强化粉;促凝剂:锂盐类促凝早强剂;双氧水:化学纯30%浓度;水泥:江南小野田P·Ⅱ52.5级水泥;水:自来水。
1.2 试验方法
将胶凝材料、稳泡剂、水泥促凝剂等混合均匀, 加水搅拌120s至料浆均匀。在料浆中加入双氧水, 继续快速搅拌20s后, 迅速将料浆倒入模具中, 待混凝土发泡终止后盖上塑料膜防止水分散失, 一天后将混凝土脱模并进行自然养护至所需龄期。
试样的绝干密度测试参照GB/T 11970-1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》进行;抗压强度测试参照JC/T 1062-2007《泡沫混凝土砌块》进行;净浆流动度测试参照GB/T 8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行。
2 试验结果与分析
2.1 用水量对发泡混凝土性能的影响
由于不同时间所取余浆的含固量有一定差异, 导致使用余浆制备发泡混凝土过程中不能很好地控制用水量。如果余浆含固量较低时, 加入相同的水会使料浆水胶比偏高, 加入发泡剂后, 会导致发泡混凝土强度降低;如果余浆含固量较高时, 加入相同的水会使料浆水胶比偏低, 发泡混凝土容易塌泡。
为了能较好的控制余浆中水的加入量, 考虑通过料浆的净浆流动度来控制水的加入量, 检测不同流动度下料浆制备发泡混凝土的性能, 表1为料浆不同流动度对发泡混凝土性能的影响。
从表1中可以看出: (1) 1号发泡混凝土由于水胶比较低, 料浆流动度过小, 在加入发泡剂后, 混凝土迅速失去流动性, 并且大量泡沫破裂致混凝土塌模; (2) 2号发泡混凝土由于流动度仍较小, 料浆在加入双氧水后稠度增加, 大量气体在料浆稠化后仍在产生气体, 会使失去塑性的混凝土胀裂, 产生憋气、开裂现象; (3) 3号和4号发泡混凝土由于流动度较大, 可以使双氧水分解产生的氧气稳定在料浆中, 使发泡混凝土内部气孔结构均匀、无裂纹; (4) 2号混凝土由于料浆流动度较小, 导致混凝土稳泡差, 混凝土密度高, 强度也高, 3号和4号发泡混凝土由于流动度较好, 稳泡效果较好, 但因水胶比较大, 导致混凝土强度较低。
2.2 水温对发泡混凝土性能的影响
由于余浆是液体, 不同的环境条件下温度会有较大的差异, 因而容易导致发泡混凝土水温难以控制, 因此, 考虑通过控制料浆的温度来解决上述问题。
在保持料浆流动度为310~330mm情况下, 将余浆料浆控制在不同的温度, 观察料浆不同温度对发泡混凝土性能的影响, 试验结果见表2。
从表2中可以看出: (1) 当余浆料浆为40℃时, 温度较低, 双氧水发泡速率较低, 在混凝土失去流动性后, 仍有一定未分解的双氧水继续分解产生氧气, 导致混凝土密度偏高, 并且出现憋气、开裂的现象; (2) 当余浆温度为50℃和60℃时, 能使双氧水在料浆中充分分解产生氧气, 并且能很好地稳定在料浆中, 制备的发泡混凝土具有良好的性能; (3) 当余浆料浆温度为70℃时, 双氧水分解速率过快, 容易导致混凝土在搅拌的时候就已失去流动性, 料浆倒入模具中容易产生塌模现象。
2.3 余浆-水泥发泡混凝土
使用纯余浆制备的发泡混凝土存在密度高、强度低等缺点, 需要通过在余浆中添加一定量的水泥来改善发泡混凝土的性能。在以上试验基础上, 通过改变水泥与余浆的比例, 将发泡混凝土的干密度控制在270~300kg/m3, 来观察水泥掺量对发泡混凝土强度的影响, 试验结果见表3。
从表3中可以看出: (1) 当使用纯余浆来制备密度较低的发泡混凝土时, 由于余浆中大量的磨细砂没有胶凝性, 导致制备的发泡混凝土强度偏低, 1d后混凝土基本没有强度, 7d后混凝土强度才为0.2MPa; (2) 随着混凝土中水泥掺量的增加, 混凝土强度都有一定程度的增加, 当混凝土中余浆与水泥比为5∶5时, 制备的混凝土1d强度即可以达到0.5MPa, 7d后强度达到0.8MPa; (3) 当余浆与水泥比达到3.5∶6时, 混凝土强度没有较大程度的增长, 主要是余浆中磨细砂具有较小的粒径, 可以改善混凝土胶凝材料的级配, 适当余浆中的磨细砂可以改善混凝土的强度, 同时由于混凝土中使用了促凝剂, 对水泥的早期强度发展也会产生不利影响, 所以尽管水泥掺量增加, 但混凝土强度增加不是太明显, 可见在余浆中添加水泥来提高发泡混凝土的强度存在一个合适的比例。
图1、图2分别为纯余浆和余浆-水泥制备的发泡混凝土照片。从图1中可以看出, 使用纯余浆制备的发泡混凝土, 泡沫孔均匀、气孔结构较好、孔壁较厚、气孔多为闭合孔, 但是由于余浆中含有一定量的磨细砂, 导致制备出的发泡混凝土颜色发黄。从图2中可以看出, 在余浆中掺加水泥后, 制备出的发泡混凝土与市场上使用水泥、粉煤灰制备的发泡混凝土颜色和形态基本一致。
2.4 余浆发泡混凝土的应用
图3~图5分别为余浆发泡混凝土的实际应用图片。其中, 图3为使用纯余浆发泡混凝土制备一种复合墙板使用的夹芯板, 制备的发泡混凝土密度为430kg/m3、强度为0.8MPa。图4是使用余浆发泡混凝土夹芯板与轻质陶粒混凝土制备的复合墙板, 采用这种方法制备的墙板相比传统工艺制备的墙板, 具有更好的轻质、保温、隔音效果。图5是将制备的余浆-水泥发泡混凝土板作为外墙保温板应用于实际工程中。
3 结论
(1) 使用余浆作为胶凝材料时, 可以通过料浆的流动度来控制水的用量, 当料浆的流动度为320mm左右时, 制备出的混凝土性能最好。
(2) 在加入双氧水发泡之前, 将料浆温度控制在50~60℃时, 制备出的混凝土性能最好。
(3) 在余浆中掺加一定量的水泥可以提高发泡混凝土的强度, 但存在一个合适的掺量, 当水泥掺量过高时, 对发泡混凝土强度的提高不是很明显;当余浆与水泥质量比为5∶5时, 制备的余浆-水泥发泡混凝土性能最好。
参考文献
[1]朱美英, 边广军.关于余浆的回收利用[J].混凝土, 2009, 242 (12) :90-92.
[2]马嵘, 蒋元海.管桩混凝土余浆循环利用的均化研究[J].混凝土, 2006, 205 (11) :71-73.
[3]陈小萍.陶粒增强加气混凝土砌块的试制及其砌体性能试验研究[D].杭州:浙江大学, 2006.
[4]石岩, 师恩强, 辛德胜, 等.发泡混凝土材料的制备及性能研究[J].新型建筑材料, 2012, 205 (9) :66-68.
[5]王武祥, 张磊蕾, 廖礼平, 等.发泡混凝土密实砌块的抗压强度研究[J].混凝土与水泥制品, 2013, 203 (3) :43-48.
[6]牛云辉, 卢忠远, 严云, 等.外加剂对泡沫混凝土性能的影响[J].混凝土与水泥制品, 2011, 179 (3) :9-13.
[7]任先艳, 张玉荣, 刘才林, 等.泡沫混凝土的研究现状与展望[J].混凝土, 2011, 256 (2) :139-144.
发泡混凝土 篇2
一、发泡材料行业范畴
高分子发泡材料属于新材料行业，由国家发展与改革委员会承担主要的行业管理与监督职能，具有制定行业政策，提供技术改造指导等职能。行业引导及服务职能由中国复合材料工业协会承担，行业协会主要负责技术指导与交流，供求关系调查，装备与原材料情况调研，经济评价与调研，协调行业内企业关系等方面。
二、发泡材料分类
发泡材料常见的3中分类：
（1）按硬度分类可分为软质、硬质和半硬质3类。
（2）按密度分类分为低发泡泡沫材料、中发泡泡沫材料和高发泡泡沫料。
（3）按泡孔结构分类可分为开孔泡沫材料和闭孔泡沫材料。所含有的泡孔绝大多数相互连通的泡沫材料称为开孔泡沫材料。所含有的孔绝大多数互不连通的泡沫材料称为闭孔泡沫材料。
1、软质发泡材料包括发泡橡胶和发泡塑料，由塑料（PE、EVA等）和橡胶（CR、SBR等）加入催化剂、发泡剂等通过物理发泡或者交联发泡工艺制备而成的。软质发泡材料具有缓冲、吸音、吸震、保温、过滤等特性。能够广泛用于电子产品、家电、汽车、体育休闲等领域，是一种新型高分子材料。
塑料软质发泡产品主要包括聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）和聚烯烃三大类。聚氨酯产品中含有加工残留的异氰酸酯等对人体有害的物质，并无法回收利用，所以逐渐被取代。聚苯乙烯不腐烂、难回收，成为“白色垃圾”。联合国环保组织决定2005年起全球范围内停止生产和使用PS发泡材料。
聚烯烃软质发泡材料包括PP、PVC、PE、EVA等发泡材料。其中PE和EVA的发泡材料应用最为广泛。PE具有原料丰富、性价比高、优良的耐热性、耐化学腐蚀性、易回收等特点；EVA具有良好的缓冲、抗震、隔热、防潮、抗化学腐蚀、无毒、不吸水等优点。
软质发泡材料的下游市场包括：体育用品、电子、精密仪器、家电、汽车等领域。软质发泡材料在体育用品中主要利用其缓冲和抗震的特性，主要产品有鞋垫、鞋底、护垫、护膝、护腕、健身器材的手握套等。在电子、家电和精密仪器行业中主要是作为缓冲材料、密封材料、隔音材料、包装材料及保温材料使用。比如：笔记本电脑键盘垫片，麦克风周围，摩擦垫片等，起到防尘、吸收冲击、防止杂音等作用。汽车制造业中的保温、防水、抗震、隔音、内饰等多为软质发泡材料。
2、结构泡沫材料主要有PVC、PET、PMI、SAN、PEI、PI、PUR等种类。目前PVC、PET两种材质的结构泡沫材料应用最为广泛。
结构泡沫材料主要作为夹层结构的芯材使用，用于替代Balsa木和蜂窝板。其性能稳定、抗疲劳性能好，防水防霉变。结构泡沫材料应用于夹芯结构中可以大大增加力学性能，但几乎不增加重量。满足了风力发电机叶片、轨道交通车辆、船舶、飞机、建筑节能等应用领域对材料低密度、高强度的要求。
在风力发电中，现在兆瓦级叶片采用的芯材都是PVC结构泡沫材料，占体积的85%，但是占叶片比重小。采购价格占原材料的三分之一，增加了刚度，降低了质量，减少了压力，降低了成本。
在航空领域中，具有高力学性能和抗疲劳性能的结构泡沫材料制成的复合夹芯材料主要运用于飞机的中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁及后承压框等。一是使结构一体化程度变高，二是减少了部件数，缩短了总装时间等；是飞机的机重降低了10%-40%，结构设计成本降低了15%-30%。
在船舶工业中，结构泡沫材料主要用于船体、甲板和防水壁。具有低密度、隔音、抗冲击等特性。
在轨道交通车辆中，结构泡沫材料主要运用在结构底板、车顶、侧板、车尾部等部位。就有隔音、保温、降低营运成本和节能环保等优势。
在建筑中，结构泡沫材料制成的建筑板材，具有施工方便、隔音、保温、阻燃、耐腐蚀等多项特点，是新材料和传统材料的结合，目前已在国际上得到推广。
三、发泡材料市场情况
1、软质发泡材料
我国的模压塑料发泡材料行业是20世纪80年代开始起步的，主要是日本和台湾地区的企业在大陆设立的独资或者合资企业生产。20世纪90年代，国内的企业逐渐掌握了塑料模压发泡技术，开始大规模生产。
图一是2005年-2012年中国塑料软质发泡市场规模（亿元），图二是逐年的增长率情况。
7060yield(hundred billion yuan)******2year
从数据分析，2008年和2009年因为受到全球经济危机的影响，软质发泡塑料的规模增长率有所减缓，但是并没有影响整个行业的发展。2010年后又出现了高速发展的势头，2012年整个行业的产业规模将达到65.2亿元。
常州天晟新材料股份有限公司年产发泡塑料60000立方米，发泡橡胶18000立法米；常州三和塑胶有限公司年产发泡塑料55000立方米；泉州三盛橡塑发泡鞋材有限公司年产发泡橡胶200000立方米；泉州至和织造有限公司 年产发泡橡胶5010吨。
2、结构泡沫材料
图三是2005年-2012年全球结构泡沫材料市场需求量变化图。预计市场需求会持续稳步增加。
80706050Yield(t)******01020112012Year 瑞典戴铂（DIAB）公司和瑞士阿瑞克斯（AIREX）公司是全球最大的结构泡沫材料的生产商，瑞典戴铂（DIAB）公司占有64.72%的市场份额，其在昆山的公司年产量达到26500吨；而瑞士阿瑞克斯（AIREX）公司占有31.33%的市场份额，其在国内公司的产量为13000吨。常州天晟新材料股份有限公司可以年产3000吨。2010年有固瑞特公司开始试生产。
由于结构泡沫材料的高端市场定位，加之高投入和高技术含量，使得很少有企业涉足这一领域，导致结构泡沫材料将持续供不应求的现状，两大巨头垄断这一行业的现状也仍将继续。
但是在国内，下游企业和产业的飞速发展，比如风力发电、轨道交通系统、航空航天系统及建筑环保等产业，将进一步刺激本行业的发展，但是供不应求的现状在短期内仍得不到改善，供需缺口仍然很大。
经过统计计算推测，2012年后每年风力发电行业对结构泡沫材料的需求量达到15000吨；动车列车对结构泡沫材料的需求达到600吨；轨道交通系统对结构泡沫材料的需求达到1500吨，船舶工业对结构泡沫材料的需求将逐步达到700吨，航空工业对结构泡沫材料的需求将逐步达到400吨。建筑行业对结构泡沫材料的需求将逐步达到6000吨。总体推测2012年，国内结构泡沫材料的需求将达到25000吨。可以看出结构泡沫材料的市场在逐步增大。
四、发泡材料入行情况分析
发泡材料对产品的质量和稳定性要求高，研发设计要求高，设备资金投入大。主要障碍集中在：
1、技术壁垒：高分子发泡材料的开发需要丰富的高分子发泡经验和相关理论基础，目前的公司都对技术进行封锁。
2、人才壁垒：高分子发泡材料的生产技术涉及了材料学、精细化工、合成力学、高分子加工工艺学等多方面的知识，具有丰富的研发设计生产经验的人很少，原有企业经过多年花费高成本培养了专业技术人才，新进入的企业很难在人员上满足发展要求。
3、产品测试和检测壁垒：高分子发泡材料对性能要求较高，所以原有企业对于产品检测指标和检测方法实施封锁，导致新进企业无法完整的对所试生产的产品进行性能和结构检测，并建立完善的产品质量检测体系。其他还包括设备和资金问题，认证壁垒，行业内缺少统一的检测标准等方面。主要有利因素为：国家产业政策的支持；市场需求量大；我国高分子加工设备制造能力稳步提高。
发泡材料的发展趋势是：一是发掘新的发泡高分子原材料，提高现有的发泡材料的性能，并降低成本；二是开发功能化的发泡材料，比如高保温、高隔热、导电性等性能；三是开发环境友好的新型发泡材料，四是优化成形加工方法和技术，表面改性处理。
五、主要的发泡材料
1、聚乙烯发泡材料
（1）XPE（聚乙烯交联）又称交联发泡棉，是一种新型环保材料，无毒、无味、隔音、吸音、隔热、焚烧时对大气无污染，回弹力好，可随意调整软硬度和厚度，重量轻等特点，是其他发泡棉类材料无可取代的，可热压成型，也可生产阻燃型。
用途：
A）各种运动器具：如头盔，护具，冲浪板，滑雪靴，溜冰鞋，地垫，登山包，运动包。
B）汽车内饰：如车顶蓬，车门内侧，仪表四周，车灯内垫片，车装音响。汽车脚垫XPE等。该泡棉具有良好的可塑性，再加上其隔热，隔音，柔软与缓冲的特性，是目前先进国家车辆内装饰首选材料。
C）日用品领域：文具，工具，医疗器械，化妆品的外包装和照相机音响的保护材料。也可用做箱包的内衬材料和家电，精密仪器，贵重物品等的防震包装和内衬材料。可全方位应用于运动鞋，功能鞋的衬材当中。
D）空调制冷领域：其隔热性和优良的成型性能也可做空调内任意成型的形状，且外形美观，性能优越。如空调保温管，隔热异形件等。
E）建筑隔热防水领域等。
F）工业垫片及工业特种胶粘制品。（2）高发泡（EPE）包装材料
EPE(聚乙烯)发泡包装材料是采用LDPE高压低密度聚乙烯树脂作为主要原料，经加热塑化，加入丁烷发泡剂，挤出发泡成型而制得制品，其生产发泡过程为物理发泡，生产过程中不发生有毒有害气体，无废品、废水产生，因而是一种环保行目，其制品包括管、片、棒、网等，单片的EPE发泡材料可通过压花复膜、热贴合增厚而使其用途扩大。由于EPE聚乙烯发泡片材、管料、棒料具有质轻、软、抗冲击、隔热、无毒等优良性，对于产品保护有抗冲击作用；成为我国发展很快的一种新型发泡包装材料。近几年来，国内广东、江苏、杭州、北京、上海、成都、温州、武汉等城市发展最快，平均每年以15-25%的速度增长，个别厂家每年至少增加2-3条线，国内目前年产量在3000吨以上的企业有30多家，最多的企业已有生产线20余条（含各地分公司）。
用途
产品应用大多在电子产品、、仪表、仪器、家俱、地板、玻璃、陶瓷等产品包装上，由于其具有质软、无毒、富有弹性、隔音、缓冲、防震的稳定优点，因而被广泛应用到各个行业。
ＥＰＥ包装材料无污染，且性能外观优异，用于高新尖端技术产品的内包装材料，如通信机器，机器人，数字式仪器仪表，电脑打印机，电脑主机，液晶显示器，等领域。
２、聚丙烯发泡材料
ＰＰ发泡从１９８０年才开始实现产业化，目前生产主要集中在意大利AMUT公司的挤出发泡PP片材、日本三井化学，日本古河PP发泡板、美国CSI公司、奥地利PCD聚合物公司、丹麦Bore-alis公司。国内的中石化少量生产，主要高端用料全部依赖进口。
所以，目前我国发泡PP的工业化生产仍处于空白，所需材料仍然依赖进口，价格昂贵。如青岛塑料模具厂为国内多个汽车生产厂家生产汽车配件，该企业正在大量进口PP发泡材料用于生产汽车保险杠内衬。
主要用途：
Ａ）BASF公司的Neopolen P系列发泡粒子、JSP公司的发泡PP、Gefinex化工有限公司的Vestocell系列发泡PP。美国将发泡PP主要用于汽车零部件的制造，欧洲也将60%的发泡PP用于制造汽车零部件，其余40%主要用于包装和其他行业。Ｂ）硬包装市场。2000年我国市场用各种果品、熟食品、半成品、净菜托盘达100亿个，如果这些食品包装材料采用发泡PP则需要PP发泡片材15万t以上，这将是一个极大的市场。过去不少电子产品、家电产品及许多易碎、易损产品的包装，主要使用PS泡沫塑料作缓冲衬垫材料，仅彩色电视机和彩色显像管2种产品1997年就使用PS泡沫塑料2万t，随着PS发泡材料的限制使用，该市场份额必将被其他环保缓冲材料所代替。
Ｃ）一次性餐具市场 由于PP在光、热和氧的作用下很容易降解；PP制品的制造过程中，如不加入抗氧剂等添加剂，是比较理想的一次性餐具用料。
Ｄ）绝热材料市场 据统计，2005年我国空调产量达到7469万台，冰箱产量达到3105.6万台，太阳能热水器达到1500万m2，随着空调、冰箱、太阳能热水器系统的普及，发泡PP作为空调管道等的绝热保温层的应用将会越来越广。
Ｅ）缓冲材料市场
Ｆ）建筑材料领域，随着我国构建节能型社会的具体措施的实施，越来越多的新型楼房的建造中将采用发泡材料衬垫，PP发泡材料优异的性能成为发泡衬垫的优选对象。此外，低发泡PP结构件今后在体育用品及设施、建筑模板、合成木材方面的应用也是一个巨大的潜在市场。
下图为ＰＰ发泡材料在汽车中的应用
３、聚氨酯发泡材料
聚氨酯材料在汽车工业中的应用越来越广泛，已经成为汽车上用量最大的塑料品种之一，全球汽车制造业每年聚氨酯的使用量超过100万t。聚氨酯一般占车用塑胶的15%，平均每辆车的使用量为15kg，多数采用MDI系列产品。根据汽车构件的不同，聚氨酯以泡沫塑料、弹性体、胶粘剂等不同的形态和性能来适应不同的要求。比如聚氨酯泡沫塑料随着配方的改变，具有质量轻、隔热、回弹性好、舒适性好、低温性能好、耐用、安全性和吸振性较高等特点，其优越性是其他材料不能比拟的。
用途：
１）汽车表皮材料 复合成车内顶棚、豪华仪表板、转向盘、座椅。BASF公司开发了一种用于汽车内部装饰的聚氨酯弹性体蒙皮材料（TPU）Elastoskin，用于仪表板和门板内饰件面层，其性能优于目前采用的聚氯乙烯（PVC）及其他蒙皮材料，成本比PVC等蒙皮材料还低，是PVC理想的替代品。
２）仪表盘缓冲层 造汽车仪表板以及扶手、门柱等部件的防护垫层材料。３）汽车骨架材料 门内饰板、衣帽架、仪表板骨架和顶棚骨架等。RIM、RRIM技术成型的聚氨酯制品在汽车上主要用于转向盘。保险杠、车身壁板，发动机罩、行李箱盖。散热器格栅、挡泥板、扰流板等。RRIM制品的质量只有钢材的55%，但零件表面质量和尺寸稳定性需进一步改进，用量不是很大。
４）汽车的座垫、靠背和头枕 一汽集团富奥公司已采用3组分混合技术生产出双硬度和多硬度泡沫，技术在国内居于领先地位。
５）车门扶手 ６）转向盘总成 ７）汽车顶棚、门内板
８）密封用聚氨酯泡沫塑料 在汽车的暖风空调系统、仪表板总成，电器部分或其它部位都有一些矩形软质聚氨酯泡沫塑料的密封块。车身A、B柱空腔泡沫浇注，有的用减振膨胀胶片，以减少车身的振动和噪声。
９）微孔聚氨酯用作车底板减振垫 微孔聚氨酯泡沫塑料有望在大多数车体中替代橡胶材料用作车身底板减振垫，北美汽车制造厂正在努力使汽车更加安静和舒适。减振垫安装在车的底盘上，用于隔离车体与框架，以改善乘车及驾驶质量。微孔聚氨酯是独特的隔音、消振（NVH）的革新材料。
１０）冷藏车保温层
每台车估计用量在20kg左右。
４、高弹性ＥＶＡ交联发泡材料
乙烯－乙酸乙烯共聚物(EVA)交联发泡材料具有密度低、物性良、耐候性好、无毒等特点,近年来发展十分迅速。近年来国内外对EVA交联发泡材料的研究较多,如冯绍华对影响EVA交联发泡的各种因素进行了研究, Z.Ghazali对EVA/ NR二元体系的辐射交联进行了研究。而针对高弹性EVA交联发泡材料的研究相对较少。高弹性EVA交联发泡材料兼具许多不同发泡材料的优点,如具有EVA交联发泡材料的低密度, PU发泡材料的高弹性,具有十分重要的意义。
用途： １）运动鞋底
２）运动休闲用品及箱包内衬材料 ５、ＰＶＣ发泡材料
ＰＶＣ发泡材料是一种比较常见的发泡材料，其工业化生产已趋向成熟，且国内生产厂家较多。
用途：
交通运输业：轮船、飞机、客车、火车车厢、顶蓬、厢体芯层、内部装璜用板。
建筑装璜业：建筑物外墙板、内装饰用板、住宅、办公室、公共场所建筑物隔间、商用装饰架、无尘室用板、吊顶板、家庭厨柜、吊柜和家居。
广告业：网板印刷、电脑刻字、广告标牌、展板、标志用板。
工业应用：化工业防腐工程、热成型件、冷库用板、特殊保冷工程、环保用板。
其它用途：模板、运动器材、养殖用材、海滨防潮设施、耐水用材、美工材料、６、聚苯乙烯（ＰＳ）发泡材料
聚苯乙烯发泡塑料具有优异的性能，其最大的用途就是一次性餐具，其次是墙体保温材料。但由于其污染，对人体有害，各国都在降低ＰＳ一次性餐具的用量。
XPS墙体材料用量很大，性能卓越。①建筑外墙和屋面保温隔热领域对XPS板需求巨大。从2008年~2010年我国每年新建建筑的施工面积约为3．5亿m2，这其中有一半采用保温隔热墙体及屋面保温系统，就约需保温板31万t，由此板市值每年可高达84亿元。②路面和路基等对XPS板的需求将稳步增加。XPS板材作为一种防潮、隔音效果最理想的材料，在处理地铁路基墙面和泊车场路面特别是地下停车场方面，存在着巨大的市场需求。
另外，随着现代化工业的发展，各种各样的冷藏室(库)，隔音室将成为其必备的设施，从而为XPS板提供了更为广阔的市场
发泡混凝土材料的制备及性能研究 篇3
发泡混凝土通常是用机械方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫,再将泡沫加入到硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂组成的浆料中[1]。经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种多孔材料。也可通过原位发泡[2](化学反应生成气体)制备泡沫,例如铝粉在碱性环境中释放氢气,双氧水生成氧气等。由于具备质轻、隔热、耐火、抗冻性好等特点,发泡混凝土及其制品具有广阔的应用前景[3],发泡混凝土砌块、发泡混凝土轻质墙板等已经应用于建筑节能墙体材料中。发泡混凝土制品属于燃烧等级为A级的不燃材料,因此将其作为保温材料领域的应用将越来越广,制品方面的研究也会越来越多。但发泡混凝土作为保温材料生产时,得到的制品普遍强度偏低,吸水率高,影响了其推广应用。另一方面,作为发泡混凝土的主要组成部分,发泡剂的研制和开发对于发泡混凝土的性能和应用具有关键性的作用[4]。由于目前发泡剂的种类多种多样,且检测方法不统一,使得发泡剂的选择与应用存在很大困难。本文采用双氧水(27.5%)与硬脂酸钙,分别作为发泡混凝土的发泡剂和稳定剂,制备了一种发泡混凝土材料。经测试,该材料各项指标均符合GB/T 11970—1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》、JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》、GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》标准规范的要求。同时,通过调整泡沫掺量可以控制发泡混凝土材料的密度等级,并探讨其对干密度、吸水率、力学性能、热工性能等方面的影响,为发泡混凝土的设计与应用提供参考。
1 试验原材料及方法
1.1 原材料及试验仪器
1.1.1 原材料
水泥:42.5级快硬硫铝酸盐水泥;发泡剂:27.5%双氧水;稳定剂:硬脂酸钙;促凝剂:锂盐类促凝早强剂;减水剂:三聚氰胺减水剂。
1.1.2 主要试验仪器
SHT4305-W微机控制电液伺服万能试验机;CD-DR3030导热系数测定仪;数显鼓风恒温干燥箱;恒温水槽。
1.2 试验方法
1.2.1 发泡混凝土的制备
将胶凝材料、泡沫稳定剂、水泥促凝剂、减水剂等混合均匀,加水搅拌120 s至浆体均匀。在浆体中加入双氧水(27.5%),继续搅拌至均匀为止。通过调整发泡混凝土的相对密度等级,控制材料的均匀性与泡沫的致密性。硬化成型的试样在室内自然养护,1 d后脱模,养护至试验龄期。
1.2.2 原材料作用
(1)用粉煤灰取代部分快硬硫铝酸盐水泥,对发泡混凝土的后期强度和耐久性都有所帮助;
(2)硬脂酸钙可以增大浆体的黏度,使泡沫致密、稳定;
(3)锂盐类促凝剂可以使水泥水化诱导期消失[5],水泥加水后直接进入水化加速期,从而与双氧水的发泡时间相一致;
(4)三聚氰胺减水剂可降低水灰比,提高材料强度,降低吸水率[6]。
1.2.3 性能测试方法
试样的绝干密度、吸水率测试参照GB/T 11970—1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》、抗压强度测试参照JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》、导热系数测试参照GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》,试样尺寸为300 mm×300 mm×25 mm。
1.2.4 发泡混凝土性能测试结果
试验取水灰比分别为0.5、0.6,当制备的材料相对密度分别为680 kg/m3、610 kg/m3时,各项性能测试结果见表1。
2 试验结果分析
2.1 泡沫掺量对发泡混凝土绝干密度和吸水率的影响
本文中气泡的产生主要通过双氧水的发泡作用,即2H2O2=2H2O+O2↑。双氧水在碱性介质中易分解,泡沫的掺量可以通过双氧水的用量控制,取双氧水掺量分别为胶凝材料的2%、3.3%、4%、5.3%、6.6%成型,养护。当双氧水掺量较低时,发泡倍数低,发泡混凝土膨胀小,成型相同体积需要的材料更多,绝干密度较大。双氧水掺量较高时,成型过程中混凝土膨胀较大,但是状态不易保持,泡沫最终沉降、破裂。试验结果见图1、图2。
从图1可以看出,当双氧水掺量较低时,发泡倍数低,发泡混凝土膨胀小,成型相同体积需要的材料更多,绝干密度较大。双氧水掺量较高时,成型过程中混凝土膨胀较大,绝干密度小,质轻,但是状态不易保持,泡沫最终沉降、破裂。
从图2可知:(1)随着泡沫含量的增多,吸水率增大。这是因为随着气孔增多,孔隙率变大,同时凝结前发泡混凝土料浆对液膜的包裹层变薄,也就是说,在凝结过程中产生连通孔的几率大大提高,因此吸水率增大。当双氧水掺量超过胶凝材料的4%时,吸水率超过40%;(2)水灰比较大条件下,吸水率较高。因为水灰比增大,由泌水产生的泌水通道使得发泡混凝土内部形成连通孔渗透增多,吸水率升高。
2.2 泡沫掺量对发泡混凝土力学性能的影响
硬化成型的试样在室内自然养护,经1 d后脱模,参照JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》测试2种不同水灰比(0.5、0.6)下试样的3、7、28 d抗压强度。图3为2种不同水灰比(0.5、0.6)时,泡沫掺量对28 d抗压强度的影响。
由图3可知,随着泡沫掺量的增多,试样的抗压强度降低。当水灰比为0.6时,双氧水掺量超过胶凝材料的5%,则28 d抗压强度小于0.4 MPa。此外,水灰比低的,其抗压强度相对较高。这是由于水灰比降低,由水分蒸发导致的连通空隙减少,水泥水化产物的结构更加致密。
2.3 泡沫掺量对发泡混凝土导热系数的影响
对2种不同水灰比试样的导热系数进行测试。导热系数随泡沫掺量的变化见图4。
从图4可见,随泡沫掺量的增多,材料的导热系数降低。这是因为随着泡沫的增多,材料内部的封闭气孔增多,而封闭气孔中含有大量的空气,空气的导热性能差[导热系数0.02W/(m·K)],所以材料的导热系数降低。另一方面,水灰比大的,导热系数相对较低。因为水灰比大时,水泥粒子的分散空间扩大,水泥水化程度增大,导致水泥浆膜增多,界面的增加使得材料中热能穿透阻力增大,导热系数降低。
3 结论
(1)以锂盐类为促凝剂,可以调节双氧水发泡时间与快硬硫铝酸盐水泥凝结时间配合一致,从而有利于材料强度的提高与形貌优化。
(2)泡沫掺量增多,发泡混凝土的干密度降低,吸水率增大,抗压强度降低,导热系数减小。但泡沫掺量过大时,导致坍泡多,状态不稳定。
(3)当双氧水掺量大于胶凝材料的4%时,材料的吸水率大于40%;双氧水含量大于胶凝材料5%时,以水灰比0.6制备的材料28 d抗压强度小于0.4 MPa。
(4)由于界面增加对热能穿透阻力的增大,泡沫掺量相同时,水灰比较大的发泡混凝土,导热系数较低。
参考文献
[1]高倩,王兆利,赵铁军.泡沫混凝土[J].青岛建筑工程学院学报,2002,23(3):113-115.
[2]何继敏.新型聚合物发泡材料及技术[M].北京:化学工业出版社,2008:37-38.
[3]张磊,杨鼎宜.轻质泡沫混凝土的研究及应用现状[J].混凝土,2005(8):44-48.
[4]高波,王群力,周孝德.混凝土发泡剂及泡沫稳定性的研究[J].粉煤灰综合利用,2004(1):25-28.
[5]韩建国,阎培渝.锂化合物对硫铝酸盐水泥水化历程的影响[J].硅酸盐学报,2010,38(4):608-614.
发泡混凝土 篇4
1 试验原材料和方法
1.1 原材料
1) 胶凝材料:P.O42.5普通硅酸盐水泥 (西藏高争建材股份有限公司产) ;一级粉煤灰 (德令哈市广远再生资源利用有限公司产) ;石粉 (西藏林芝多多石料有限公司产) ;2) 发泡剂:30%浓度的H2O2 (郑州惠泽生化科技有限公司产) ;3) 其他组分:UNF-1萘系高效减水剂 (西藏五色石建材有限公司产) ;复合稳泡剂;高锰酸钾 (商丘市光源消毒产品有限公司产) 。
1.2 泡沫混凝土制备工艺
1) 按设计的配合比称取胶凝材料、稳泡剂、高锰酸钾, 量取水、H2O2溶液、减水剂。2) 制备砂浆。将称取的稳泡剂和高锰酸钾溶于量取的水溶液中, 用玻璃棒搅拌均匀。用砂浆搅拌机先将干料搅拌60 ss, , 再再将将制制备备好好的的稳稳泡泡剂剂和和高高锰锰酸酸钾钾的的水水溶溶液液倒倒入入搅搅拌均匀的干料中, 先低速搅拌60 s, 再高速搅拌30 s。3) 制备泡沫混凝土。将量取的H2O2溶液加入到制备好的水泥砂浆中, 低速搅拌20 s, 使发泡剂均匀的分散在水泥砂浆中, 立刻浇筑于100 mm×100 mm×100 mm模具中, 并记录浆体发泡高度和发泡时间。养护环境湿度100%、温度25℃, 成型后带模养护24 h, 到达预定养护龄期3 d前取出试件置入120℃烘箱连续烘干3 d后立即测定密度[3]。绝干密度测试方法按JC/T 1026—2007泡沫混凝土砌块进行。
2 双氧水制取氧气的产率计算
2.1 试验原理与方法
双氧水是过氧化氢气体的H2O2水溶液, 无色透明液体, 可以与众多物质发生氧化还原反应放出气体。试验中利用了双氧水作为还原剂, 与高锰酸钾溶液反应放出氧气, 同时反应生成物之一二氧化锰作为催化剂, 还可以促使双氧水分解, 反应过程如式 (1) 和式 (2) 所示[4]。
氧气的产量直接通过方程计算不可行, 特采用排水法收集氧气的方法来计算双氧水制取氧气的产率, 试验简图如图1所示。
2.2 试验结果
试验结果如表1所示。
2.3 双氧水的产率计算
标准的大气压:P1=1.01×105Pa。
西藏林芝地区的大气压:P1=7.01×104Pa。
1 mol气体在标准状况下的体积:V1=22.4 L。
根据气压换算方程:P1×V1=P2×V2。
林芝地区1 mol O2的体积V2:
根据表1的试验结果可以计算出1 mol双氧水与高锰酸钾反应制取氧气体积V3:
双氧水的产率α:
3 高锰酸钾对发泡时间的影响
当泡沫混凝土中发泡剂的掺量不变时, 高锰酸钾是影响泡沫混凝土发泡速率的主要因素。图2是高锰酸钾的不同掺量对泡沫混凝土发泡高度和时间的影响曲线。从图中可以看出, 在发泡初期, 发泡速率较快, 在发泡后期, 发泡速率较慢;随着反应时间的增加, 发泡速率越来越慢。主要原因有两个:1) 双氧水在加入水泥砂浆后, 最开始进行的是双氧水与高锰酸钾的反应 (即第一阶段的反应) , 高锰酸钾比双氧水的氧化性更强, 双氧水只能作为还原剂, 因此第一阶段的反应比较剧烈;当高锰酸钾反应完全后, 双氧水开始与二氧化锰反应 (即第二阶段的反应) , 在第二阶段中双氧水既是氧化剂又是还原剂, 反应的程度没有第一阶段的剧烈, 致使反应速率减缓, 使泡沫混凝土的发泡速率降低。2) 随着反应的进行双氧水的浓度逐渐减少, 使反应的速率降低。随着高锰酸钾掺量的减少, 泡沫混凝土的发泡时间在逐渐增加。原因分析:在双氧水总的掺入量不变的条件下, 随着高锰酸钾掺量的减少, 反应进程中进行第一阶段反应的时间变短, 第一阶段反应所消耗的双氧水就减少, 使更多的双氧水留在第二阶段反应, 因而进行第二阶段反应的时间将变长, 使混凝土的发泡时间增加。当高锰酸钾掺量为3.0%时, 发泡时间在2 min左右, 泡沫混凝土的发泡时间太短暂, 不利于装模。因为在装模时对泡沫混凝土的扰动较大, 使泡沫混凝土的气孔遭受破坏, 又因反应停止使气孔无法恢复。当高锰酸钾掺量为1.0%时, 泡沫混凝土的发泡高度有所降低, 不宜采用。当高锰酸钾的掺量为1.2%时, 发泡时间为9 min左右, 发泡高度为15 cm左右, 因此高锰酸钾掺量选为1.2%较为合适。
4 稳泡剂对发泡高度的影响
图3是稳泡剂对泡沫混凝土发泡高度的影响。从图3可以分析出, 当不掺稳泡剂的时候, 发泡高度较掺加稳泡剂组的高。这是由于净水泥砂浆的粘滞性较掺入稳泡剂的水泥砂浆的粘滞性小, 发泡时克服的粘滞力较小, 因而会产生较大的发泡高度, 但是在发泡后期存在塌模现象, 对泡沫混凝土的稳定性不利。稳泡剂掺量从0.01%~0.15%变化时, 发泡高度随稳泡剂的增加而呈现减小的趋势, 从试块的横、纵断截面可以看出, 随着稳泡剂掺量的增加, 泡沫混凝土中形成的气孔直径和不均匀性呈现增大的趋势。这是由于随着稳泡剂掺量的增加, 水泥砂浆的粘性增大, 产生气泡液膜的强度和弹性增大, 气泡内的氧气必然增加, 增加的氧气将产生更大的表面张力, 增大的表面张力使气泡变得更大, 从而使气泡呈现增大的趋势。
5 引气剂对设计干密度的影响
图4是掺入不同浓度的双氧水对泡沫混凝土干密度的影响曲线。从图中可以看出随着双氧水掺入量的增加, 泡沫混凝土的干密度呈现出先减小, 后又小幅度增加的现象;双氧水是影响泡沫混凝土干密度的主要因素。原因是随着双氧水掺入量的增加, 产生氧气的体积不断增大, 从而使水泥砂浆中滞留的氧气增加, 导致泡沫混凝土的孔隙率增大, 使泡沫混凝土的干密度降低;后又小幅度增加的原因是在双氧水掺入量过大, 泡沫混凝土在后期发泡的情况下, 会存在塌模的情况, 使泡沫混凝土的气孔遭到破坏, 泡沫混凝土的体积变小, 从而导致泡沫混凝土的干密度增大, 但这种增加的幅度是有限的。
图4中, 富余系数为K>1, 主要考虑双氧水制取的氧气不能全部被包裹到水泥浆体中而形成损失, 具体的关系请看本文6.2部分。
6 泡沫混凝土配合比
6.1 配合比设计的基本原则
本配合比设计是在李应权等[5]通过确定泡沫混凝土的干密度, 达到控制泡沫混凝土强度为目的的基础上, 用水泥—粉煤灰—石粉—泡沫—水为原料体系制备干密度在800 kg/m3以上的化学发泡泡沫混凝土, 基本原则如下:
1) 按泡沫混凝土干密度要求, 确定水泥、粉煤灰、石粉用量;2) 通过水泥、粉煤灰、石粉用量, 确定泡沫混凝土用水量;3) 按照胶凝材料、用水量, 确定水泥净浆体积;4) 通过水泥净浆体积, 确定泡沫空隙的体积;5) 按泡沫空隙的体积, 确定所需的氧气体积;6) 根据氧气的体积和西藏林芝地区双氧水制取氧气的产率, 确定双氧水的用量;7) 计算添加剂的量。
6.2 试配干密度在800 kg/m3以上的泡沫混凝土
在粉煤灰占干粉料总量的25%, 石粉占干料总量的10%情况下, 生产1 m3的干密度为800 kg/m3泡沫混凝土的配比计算如下:
普通水泥、粉煤灰、石粉总质量:
粉煤灰质量:
石粉的质量:
普通水泥质量:
用水量:
净浆体积:
泡沫体积 (图4采用内插法可计算出ρ干=800 kg/m3对应的富余系数K在12.5~13.2之间, 初选K=12.5) :
根据双氧水与高锰酸钾反应制取氧气的产率为55.7%, 可计算出在西藏林芝地区1 m L双氧水可以产生165 m L左右的氧气, 则双氧水的体积:
高锰酸钾用量:
稳泡剂用量:
减水剂用量:
按照此种设计原则, 可以计算出其他不同干密度的配合比, 结果见表2。
7 结语
1) 在西藏高寒地区用双氧水与高锰酸钾反应制取氧气的产率为55.7%。
2) 在发泡剂双氧水的掺量一定时, 发泡时间随着高锰酸钾的掺量减少而增加, 当高锰酸钾的掺量在3.0%~1.2%之间时对泡沫混凝土的最终发泡高度几乎没有影响。
3) 随着稳泡剂的掺量增加泡沫混凝土的最终发泡高度呈下降趋势。
4) 随着双氧水掺入量的增加, 泡沫混凝土的干密度呈现出先减小, 后又小幅度增加的现象。双氧水是影响泡沫混凝土干密度的主要因素。
5) 西藏林芝地区用化学方法制备泡沫混凝土的最佳富余系数应选择在12.5~13.2之间。
摘要：为了在西藏高寒地区制备轻质高强的泡沫混凝土, 探究了泡沫混凝土配合比设计和其中各掺量的定量控制, 结果表明在该地区双氧水制备氧气的产率为55.7%;高锰酸钾的最适掺量为1.2%;随着稳泡剂掺量的增加最终发泡高度呈下降趋势;随着双氧水的加入量的增加泡沫混凝土的干密度呈先下降后小幅度上升的趋势;以双氧水作为发泡剂制备泡沫混凝土的富余系数最适参数应在12.513.2之间。
关键词：泡沫混凝土,配合比设计,双氧水,高锰酸钾,稳泡剂
参考文献
[1]闫振甲.泡沫混凝土发展状况与发展趋势[J].混凝土世界, 2009 (5) :48-55.
[2]郑健.泡沫混凝土的研究及常见问题分析与对策[J].山西建筑, 2008, 34 (32) :166-167.
[3]潘志华, 程麟, 李东旭.新型高性能泡沫混凝土制备技术研究[J].新型建筑材料, 2002 (5) :1-5.
[4]徐文, 钱冠龙, 化子龙.用化学方法制备泡沫混凝土的实验研究[J].混凝土与水泥制品, 2011 (12) :1-4.
混凝土蛋白质发泡剂的改性研究 篇5
泡沫混凝土是利用机械方式将发泡剂水溶液制成泡沫,再将泡沫混入到各种水泥混合料中,经均匀搅拌、浇筑成型后,养护而成的含有大量封闭气孔的轻质混凝土及其构件,其材料具有轻质高强、节能利废、保温隔热等优良性能。泡沫混凝土的质量好坏与发泡剂性能密不可分,良好的发泡剂是制备优质泡沫混凝土的核心要素。
混凝土发泡剂多为表面活性剂。参照国际上表面活性剂的分类法对发泡剂进行分类,可分为阴离子型发泡剂、阳离子型发泡剂、两性发泡剂和非离子型发泡剂等。目前,已有一些起泡性能超强的发泡剂的研究报道[1~3],但其中使用的稳泡剂还比较局限,效果也不甚理想。基于此,我们采用几种新型的稳泡剂,将其对基础的蛋白质发泡剂性能的影响进行了研究,同时对泡沫的稳定机理进行了初步探讨。
1 实验
1.1 主要实验试剂、仪器
发泡剂母液:即本试验所用的基础发泡剂,由实验室自制合成,属蛋白质类发泡剂。
茶皂素:工业级,新沂市某公司产。
十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(LAS)、明胶、蔗糖:分析纯,均为天津某化学试剂公司产。
主要仪器:Nicolet 6700型傅立叶变换红外光谱仪、SB-2000水浴锅、JJ-1电动搅拌器等。
1.2 发泡剂的主要性质及试验测试方法
泡沫是气体作为不连续相分散于液体中的多相分散体系,处于亚稳定状态,最终会破裂。目前普遍认为泡沫衰变的机理有两个:一是液膜的排液,它是气泡相互挤压和重力作用的结果[4]。另一是气体透过液膜的扩散。由于气泡的大小总是不均匀的,根据Laplace方程,泡沫中小气泡内的气体压力高于大气泡。在这一压力差作用下,小气泡中气体会透过液膜扩散到大气泡中,导致小气泡变小,以致消失,而大气泡变大,最终破裂。
泡沫稳定性和发泡性是泡沫在实际应用中最重要的两个性质,而好的发泡性又是研究稳定性的前提。在实际应用中常通过发泡剂复配而改善其发泡稳定性能。本试验以一些表面活性剂和高分子有机物作为改性剂对发泡液进行复配,旨在维持其发泡性能基础上增加泡沫稳定性,即进一步降低溶液的表面张力,提高泡沫薄膜质量,减小泡沫的透气性,从而加强泡沫的稳定性。另外,通过增大其液相粘度减缓排液速率,降低其流动性,使得泡沫破裂速率降低,泡沫稳定性得到提高。
迄今普遍采用的泡沫剂成泡方法有搅拌法和气流法,本实验采用机械搅拌法对发泡剂的泡沫半衰期、起泡高度(起泡体积)以及稳定时间等性能进行测试。将以一定比例混合而成的发泡剂水溶液100mL倒入1000mL带有刻度的烧杯中,在转速为3600r/min的搅拌作用下发泡3min,记下泡沫体积或高度后静置计时,当泡沫体积还剩下100mL时,可认为此时泡沫已基本消完,则搅拌结束至此的时间即为发泡剂稳定时间。此法操作方便,重现性较好,对光的遮蔽效果也很好,能够较准确地反映发泡剂的发泡能力及稳定性能。
1.3 试验用蛋白质发泡剂的基本性能
实验中所用蛋白质发泡剂,属两性发泡剂,其红外光谱如图1所示。对其基本性能包括密度、pH值、半衰期、发泡高度、稳定时间进行了测试,测试结果见表1。
图1中,2960cm-1处表示出CH3的伸缩振动,1655cm-1处表示出C=O的伸缩振动,1557cm-1处则表示N-H的弯曲振动,由此可推断此发泡液为含有表面活性的蛋白质类发泡剂。而在935cm-1处则表示为O-H非平面摇摆振动吸收,是羧基振动吸收的特征峰,所以基本可以断定发泡液中含有羧基结构。
2 试验结果与讨论
2.1 不同表面活性剂对发泡剂的影响
表面活性剂可与蛋白质溶液以不同的方式相互作用,在宏观性质上表现为增溶及使溶液的表面张力、粘度及电导率发生变化。试验中,分别加入十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(LAS)、明胶。其发泡体积随时间变化的试验结果示于图2。
由图2可以看出,在加入离子型表面活性剂SDS和LAS后,在发泡性能上都有明显增强作用,但其泡沫稳定性则明显下降。原因可能是表面活性剂与蛋白质混合体系中,更多的蛋白质分子以复合物的形式进入水相,降低了溶液的表面张力,使其发泡能力增强;同时则又可能使混合体系产生富集行为[5],从而降低泡沫稳定性。而明胶作为一种最常见的两性表面活性剂,发泡后其泡沫塌陷严重,消泡很快,显然不利于泡沫的稳定。这可能是明胶分子与发泡液通过静电和疏水作用发生缔合反应,进而影响了其泡沫性能。
2.2 茶皂素对蛋白质发泡剂的影响
茶皂素是一种优良的天然非离子型表面活性剂,具有很好的起泡性、湿润性和分散性,能有效地降低水的表面张力,且对蛋白质溶液的疏水性有明显的增强作用。研究发现蛋白质的分子量和疏水性同样对发泡具有很重要的作用,其持泡特性随蛋白质分子量和疏水性的增大而提高。试验测定了掺入不同量茶皂素后的发泡特性,结果见图3及表2。
由图3和表2可知,茶皂素添加后,发泡液粘度明显增大,随着茶皂素掺量的增多,发泡剂的发泡体积和稳定时间呈现先增大后减小的变化规律。其中,掺量为0.3g/L(即0.03%)时发泡剂效果最佳:发泡体积为740mL,泡沫稳定时间是28h。作为非离子型表面活性剂,茶皂素含有大量具有表面活性的基团,这些基团有可能以置换的形式同发泡液中的蛋白质结合[6],使得蛋白质分子量增大的同时,也进一步增强了其疏水性,使蛋白质在气—液界面上更容易展开,疏水残基更加暴露,促使泡沫的形成和稳定。这是开始时发泡体积增大的主要原因;但茶皂素掺量过多时,会使蛋白质分子量过大,泡沫液膜质量增大,重力排液速度加快,坍塌严重,从而导致其稳定性大大降低。
2.3 蔗糖对蛋白质发泡剂的影响
蔗糖属于多羟基化合物,能够溶于多种溶剂,本试验将0.1~0.3g蔗糖分别溶于100mL发泡液中,发泡后观察其发泡高度及泡沫稳定时间,试验结果见图4及表3。
由图4及表3可知,蔗糖的加入可以使发泡液的泡沫体积略有提升,在稳定时间上也有一定的改善。蔗糖完全溶解后,溶液流动性明显变小,粘性增大。由于此蛋白质类发泡剂最初由碱水解而得,发泡液中含有大量金属离子,而当蔗糖与盐类共存时,会使其溶液粘度增大,从而增加了泡沫液膜的表面粘弹度,这在一定程度上也加强了Marangoni效应[7],即液膜自我修复能力加强,泡沫更加稳定。
另外,蔗糖的结构本身也可以形成促使泡沫稳定的氢键,还可能与发泡剂中的蛋白质以共价键的形式结合成糖蛋白,使其液膜粘度加大,这些都有利于泡沫的稳定。
3 结论
(1)掺入十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(LAS)使发泡剂发泡性能得到很好改善,但泡沫稳定性较差。
(2)掺入不同掺量的茶皂素均可不同程度地降低泡沫流体的流动度,对发泡体积及泡沫稳定性会产生很大的影响。其中,茶皂素掺量为0.3g/L的效果最佳。茶皂素可对发泡剂起到有利的改性作用。
(3)少量蔗糖的加入可使发泡液的泡沫体积略有增加,其对稳定时间也有一定的改善。
摘要：简单介绍了发泡剂的发泡特性及泡沫稳定机理,并介绍了本文采用的基础蛋白质发泡剂的主要性质。在此基础上,选取了改善蛋白质发泡剂泡沫稳定性的几种化学物质。实验结果表明,茶皂素和蔗糖对发泡剂的发泡过程和泡沫稳定性均有不同程度的改善作用。其中茶皂素改善作用较明显,当其在发泡液中掺量为0.3g/L时,100mL发泡液的发泡体积为740mL,泡沫稳定时间在28h以上。
关键词：混凝土发泡剂,蛋白质,泡沫稳定性,茶皂素,蔗糖
参考文献
[1]寿延.鸡蛋黄水泥发泡剂及其轻质发泡水泥混凝土[P].CN Pat,101058490A,2007.
[2]陈伟章,徐国财,章建忠,等.复合表面活性剂溶液体系的超起泡性能研究[J].精细与专用化学品,2007(3):21-26.
[3]Oyasato Yumiko,Toshida Kentaro.Foam and method for producing the same[P].JP Pat,2006096942A,2006.
[4]M.Evren Ozbayoglu,Ergun Kuru,A comparative study of hudraulic models for foam drilling[C].SPE65487,2000.
[5]魏小芳,常志东,刘会洲.阴离子表面活性剂/蛋白质混合体系泡沫富集行为[J].化工学报,2005(51):295-298.
[6]吴丹,徐桂英.光谱法研究蛋白质与表面活性剂的相互作用[J].物理化学学报,2006(2):254-260.
发泡混凝土 篇6
目前对混凝土发泡膨胀及氨味问题成因的研究, 大多是宏观上的定性的研究, 较少涉及微观上定量的研究, 本文通过测定发泡膨胀及氨味问题混凝土 (问题混凝土) 所用胶凝材料、外加剂以及对比粉煤灰加水成型制备水泥砂浆的竖向膨胀率, 并对各种粉煤灰和矿粉进行XRD物相分析, 旨在探明造成混凝土发泡膨胀的成因, 为混凝土企业更加合理有据的分析查找混凝土产生发泡膨胀和氨味问题的成因提供技术参考。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
(1) 水泥:江西赣州万年青水泥有限公司生产的P﹒O42.5级普通硅酸盐水泥。 (2) 矿粉:新余中治环保资源开发有限公司S95级粒化高炉矿渣粉, 密度2.86g/cm3, 比表面积420m2/kg, 28d活性指数97%, 流动度比100%。 (3) 粉煤灰:该问题混凝土所用粉煤灰 (FA) 及2个不同混凝土公司的粉煤灰 (分别为FA1, FA2均符合Ⅱ类粉煤灰相关技术指标) 。 (4) 减水剂:江西迪特科技有限公司生产的聚羧酸高效减水剂, 含固量10%, 减水率20%。 (5) 水:饮用自来水。
1.2 试验方法
(1) 胶凝材料与水拌合试验。胶凝材料拌合试验中, 胶凝材料总量为450g, 水胶比为0.5, 胶砂比为1∶3, 粉煤灰及矿粉的掺量为胶凝材料的20%, 外加剂掺量为胶凝材料的1.2%。原材料具体组合方式、拌合水的温度、粉煤灰、矿粉及外加剂的掺量见表1, 观察各组合试验的试验现象。
(2) 水泥砂浆的竖向膨胀率。试验成型的水泥砂浆其水胶比为0.5, 胶砂比为1∶3, 搅拌的程序是先慢搅15s, 后快速搅拌15s, 搅拌完成后立即装入100mm×100mm×100mm的试模, 振捣整平, 搅拌和成型的总时间控制在2min以内, 按标准GB50119-2013中测竖向膨胀率的装置测定从入模成型后开始计时 (初始) , 成型5min时, 上述水泥砂浆试块的竖向膨胀率。具体方法如图1所示。
2 试验结果及分析
2.1 胶凝材料与水拌合试验
取发泡膨胀及氨味问题混凝土所用胶凝材料、外加剂及对比粉煤灰进行以下组合试验, 并用千分表测定每组水泥砂浆的竖向膨胀率, 试验结果如表2所示。
从表2可知, 在6组试验中, 除试验组2的水泥砂浆有发泡膨胀、氨味及大量热量释放的现象外, 且其竖向膨胀率可达1.01%, 而其他试验组的水泥砂浆均无此试验现象及可测的竖向膨胀率。以上试验结果和现象表明, 问题混凝土拌合所用粉煤灰是导致混凝土发泡膨胀和产生氨味问题的原因。
2.2 粉煤灰 (FA) 的化学成分分析及相关技术指标测试结果
粉煤灰 (FA) 的化学成分分析及相关技术指标检测结果分别见表3和表4。
由表3的分析结果, 可得Si O2、Fe2O3和Al2O3含量分别为41.38%、4.06%和15.41%, 其中铝硅氧化物总量为56.79%, 而正常的粉煤灰中铝硅玻璃体的总含量一般在70%左右[5], 因此该粉煤灰 (FA) 中Si O2和Al2O3总含量偏低。
根据表4的检测结果, 粉煤灰 (FA) 的烧失量为8.20%, 对比GB/T1596-2005中的有关规定可知, 该粉煤灰烧失量不合格。
2.3 粉煤灰 (FA) 的光学显微及XRD物相分析
(1) 粉煤灰 (FA) 的光学显微分析。将粉煤灰 (FA) 过45μm筛, 取筛上粉体置于光学显微镜下, 放大160倍, 观察粉煤灰的颗粒形貌, 其颗粒形貌如图2所示。
从图2可得, 该粉煤灰 (FA) 球形状玻璃体较少, 所掺杂质较多。
(2) 粉煤灰 (FA) 的XRD物相分析。取几种粉煤灰与矿粉进行XRD物相分析, 其XRD图谱如图3所示。
从图3可得, 矿粉基本由非晶态物质构成, 粉煤灰 (FA) 和其他对比粉煤灰 (FA1、FA2) 中的物质主要为氧化硅和氧化铝, 然而粉煤灰 (FA) 还含有游离氧化钙 (f-Ca O) 、硫酸钙 (Ca SO4) 、含结晶水的氧化铝, 硝酸铵 (NH4NO3) , 而其他对比粉煤灰 (FA1、FA2) 中均没有硝酸铵 (NH4NO3) 等物质。
2.4 混凝土发泡膨胀剂氨味问题成因的讨论分析
通过相关的试验验证和技术指标检测、化学分析、光学显微及XRD物相分析, 可确定掺入粉煤灰 (FA) 导致了混凝土发泡膨胀, 其产生的气体为氨气, 其化学反应为, NH4++OH-=NH3 (气体) +H2O。此外, 虽XRD图谱中未能发现单质Al, 这可能是由于该物质含量较少, XRD图谱中该物质的衍射峰不明显, 根据粉煤灰 (FA) 掺入后水泥砂浆冒泡反应剧烈且放热, 推断粉煤灰 (FA) 可能含有铝粉, 其化学反应为, 2A1+2H2O+2OH-=2Al O2-+3H2 (气体) 。
3 结论
(1) 粉煤灰 (FA) 的烧失量不合格, 铝硅氧化物含量偏低, 玻璃体含量较少, 掺入杂质较多, 该粉煤灰 (FA) 为不合格粉煤灰。
(2) 混凝土所用粉煤灰 (FA) 是导致混凝土发泡膨胀及氨味问题的原因, 该粉煤灰中的硝酸铵和混凝土中的碱性物质发生化学反应是导致混凝土发泡膨胀及氨味问题的主要原因。
摘要：本文对某混凝土公司生产的发泡膨胀、氨味问题混凝土所用胶凝材料和外加剂以及来源于2个不同混凝土公司的正常粉煤灰, 分别进行了水泥砂浆的竖向膨胀率试验, 通过化学分析、光学显微分析及X射线衍射分析 (XRD) , 研究了粉煤灰的化学组成、颗粒形貌和矿物相组成, 阐明了混凝土发泡膨胀及氨味问题的成因。结果表明, 混凝土所用粉煤灰是导致混凝土发泡膨胀及氨味问题的成因, 该粉煤灰中的铵盐和混凝土中的碱性物质发生化学反应是导致混凝土发泡膨胀及氨味问题的主要原因。
关键词：混凝土,发泡膨胀,粉煤灰,氨味
参考文献
[1]王海龙.混凝土质量问题的综合分析及对策[J].工程与建设, 2006 (20) :72-73.
[2]黄洪财.粉煤灰氨味问题成因的调查研究[J].新型建筑材料, 2013∶23-25.
[3]戴会生, 谷卫东, 朱战岭.粉煤灰致使混凝土发泡的质量问题分析及预防[J].中国包装科技博览:混凝土技术, 2011 (01) :6-10.
[4]罗斌.新拌混凝土的氨味分析及对强度的影响[J].湖南交通科技, 2015 (41) :34-36.
发泡混凝土 篇7
作为节能与结构一体化结构体系的主要墙体砌筑材料,近年来自保温混凝土砌块发展很快［1］,研制和推广应用自保温砌块将会大大推进我国建筑节能工作的进程,具有显著的社会效益和经济效益。 水泥基发泡混凝土保温砌块是以水泥为主要胶凝材料,通过化学发泡工艺制成的保温型墙体砌筑材料, 具有轻质、保温隔热性能好、比强度高等特点,同时还具有防火性能好、可大量利用固体废弃物等优点。 因此,是一种具有良好推广应用前景的节能型墙体砌筑材料,应大力开发和推广应用［2］。
建筑物拆除和新建建筑产生的建筑废弃物,其组分非常复杂,组成变化较大,国内在实施建筑废弃物资源化再生利用时,通常采取选择性回收技术。 废混凝土、废砖等无机硬质组分,通过加工可再生成为生产发泡混凝土砌块的主要原料。试验研究表明,利用建筑废弃物再生原料生产发泡混凝土砌块, 通过配合比优化设计和添加活性混合材,可有效控制发泡混凝土质量的稳定性,在技术上是可行的。 本文主要介绍利用建筑废弃物再生原料生产的发泡混凝土砌块的性能及生产技术。
1生产用原材料
1. 1建筑废弃物再生原料
在建筑工地或建筑垃圾处理过程中产生的粒径< 5 mm的微小粉末被称作粉状建筑废弃物微粉［3］。在建筑垃圾的清运和堆放以及对砖石和混凝土块的破碎等过程中产生的粉状建筑废弃物,形成的粉尘和灰砂等会造成严重的环境污染和资源浪费,对其进行改性和综合利用具有现实意义。研究表明,当建筑废弃物再生原料粒径> 5 mm时,若用于生产发泡混凝土砌块,发泡高度达60 cm时,再生原料易下沉,分布不均。因此,本研究所用再生原料分别由废混凝土和废砖使用颚式破碎机破碎而成, 最大粒度控制在5 mm以内。
1. 2水泥
硅酸盐系列水泥来源广泛,而且质量稳定、经济、耐久性好,因而被发泡混凝土砌块行业广泛使用。本研究选用唐山冀东水泥股份有限公司生产的P·O 42. 5R普通硅酸盐水泥,作为生产发泡混凝土砌块的主要胶凝材料。
1. 3活性混合材
外掺料品种通常有粉煤灰、硅灰、磨细矿渣、短切纤维、重钙、高岭土等。粉煤灰、硅灰、磨细矿渣等活性掺合料均具有较高的活性,有助于提高发泡混凝土的物理力学性能,改善其耐久性。我国对粉煤灰的综合利用给予了高度重视,并制定了优惠政策, 因此,在生产发泡混凝土时掺加粉煤灰,可显著降低成本。此外,粉煤灰应用于发泡混凝土中可以在物理、化学两方面对发泡混凝土性能进行改善。粉煤灰的物理作用是指粉煤灰的微集料效应及形态效应,即将粉煤灰掺入到发泡混凝土中可以增强浆体的流动性,同时还可以增加发泡混凝土的密实性,改善发泡混凝土的性能。而粉煤灰的化学作用是指粉煤灰的火山灰效应,即粉煤灰加入到发泡混凝土中后,可以把对发泡混凝土不利的Ca( OH)2转变为对发泡混凝土有利的C - S - H组分［3］。粉煤灰在我国量大面广,对水泥基制品后期强度的增长贡献率大,故现阶段采用的外掺料主要是粉煤灰。
本研究选用的粉煤灰为北京石景山发电厂的 Ⅲ级干排粉煤灰。
1. 4改性剂
发泡混凝土中含有大量封闭的气泡,在赋予其良好的物理力学性能和热工性能的同时,也给生产和使用带来了困难,某些缺陷甚至会影响其应用。 因此,必须采取一定的措施,来提高浆体结构的稳定性,加速结构的形成过程和强度发展,降低硬化体的吸水性和收缩性,这些需要通过掺加改性剂来实现。 改善发泡混凝土性能所采用的改性剂主要有: 早强剂、速凝剂、防水稳泡剂、纤维等。
本研究选用的早强剂由中国建筑材料科学研究总院研制,型号为AC014; 防水稳泡剂由中国建筑材料科学研究总院研制,型号为WPF012的褐色液体; 速凝剂为浓度为50% 的无铁硫酸铝溶液; 减水剂为高效聚羧酸减水剂,白色粉末,型号为101A; 纤维为北京中纺纤建科技有限公司生产的长度5 mm的PP纤维或河北宏科伟利海泡石厂生产的水镁石纤维。
1. 5发泡剂
发泡剂一般采用过氧化氢( H2O2) ,其水溶液俗称双氧水,在常温下可以发生分解反应生成氧气和水( 缓慢分解) ,加热或者加入催化剂后能加快反应速度。通过改变发泡剂的添加量,可制成不同浆体密度和干表观密度的发泡混凝土,发泡混凝土的强度也将因发泡剂掺加量的不同而发生显著变化。确定最佳发泡剂掺量是制备高性能发泡混凝土的必要条件。
本研究选用的发泡剂为市售浓度为27. 5% 的双氧水。
2利用再生原料生产发泡混凝土砌块
2. 1生产工艺流程
利用建筑废弃物再生原料生产发泡混凝土砌块的工艺流程为: 发泡混凝土料浆制备→浇注入模→ 化学发泡→预养护→脱模→养护窑养护→切割→堆场养护→干燥→检验→包装→成品。
由于在浇注成型和制品加工部分存在两种生产方式,因此发泡混凝土砌块的生产工艺可分为模制成型和坯体切割成型两种方式。即采用“一模一块”或“大模切割”方式生产,通过控制关键工序和技术参数来保证产品质量和成品率。图1为利用建筑废弃物再生原料生产的发泡混凝土砌块。
2. 2生产配合比
在大量试验室试验研究的基础上,确定采用废混凝土、废砖两种有代表性的建筑废弃物再生原料制备B07级( 640 ~ 730 kg /m3) 和B08级( 740 ~ 830 kg / m3) 两个密度等级的发泡混凝土砌块。发泡混凝土砌块的生产配合比见表1。
3再生原料发泡混凝土砌块的性能
按表1的配合比,在生产线实际生产再生原料发泡混凝土砌块,按随机抽样的规定,对再生原料发泡混凝土密实砌块进行性能检验,主要测试项目包括再生原料发泡混凝土砌块的干表观密度、抗压强度、导热系数、软化系数、碳化系数、干燥收缩值和抗冻性。1干表观密度、抗压强度、抗冻性检测: 试件尺寸100 mm × 100 mm × 100 mm,依据JC/T 1062— 2007《泡沫混凝土砌块》的规定进行。2软化系数检测: 试件尺寸为100 mm × 100 mm × 100 mm,按JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》的规定进行。3干燥收缩 值检测: 试件尺寸 为40 mm × 40 mm × 160 mm,按JC / T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》的规定进行。4导热系数检测: 试件尺寸为300 mm × 300 mm × 30 mm,按GB 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》 的规定进行。砌块性能测试结果见表2。
用表1的4个配合比生产的再生原料发泡混凝土砌块,再生原料利用率均达到40% 以上,且B07级、B08级再生原料发泡混凝土砌块强度等级可分别达到JC /T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》中规定的A3. 5级、A5. 0级,其导热系数、抗冻性、收缩值、 软化系数和碳化系数,均能满足JC /T 1062—2007 《泡沫混凝土砌块》的规定。
4结论
4. 1利用建筑废弃物中的废混凝土和废砖等主要无机硬质组分,通过资源化再生加工成为废混凝土再生原料、废砖再生原料,可以生产符合行业标准的发泡混凝土砌块。从发展循环经济和可持续发展的角度而言,具有显著的社会效益和环境效益。
发泡混凝土 篇8
关键词：蛋白质型发泡剂,泡沫稳定性,复配改性,孔结构
0前言
泡沫混凝土因其具有轻质、保温、隔热、隔音、抗震性能好等诸多优点, 在发展新型节能墙体和屋面的保温、隔热技术与材料中, 占有重要的地位。其性能受诸多因素的影响, 其中发泡剂的性能好坏会直接影响新拌浆体的流动性和稳定性, 最终决定样品塌陷与否、密度、强度和气孔结构等[1]。
发泡剂的种类主要有松香型、合成类表面活性剂、蛋白质型及复合型发泡剂等[2]。近年来, 蛋白质型发泡剂制备以及复配改性方面的研究越来越受到国内外学者的关注。Yumiko[3]利用海藻酸盐提取物和变性蛋白质为原料制得发泡剂, 泡沫长时间内保持尺寸均匀细小, 稳定性良好。MaldonadoValderramaj[4]提出蛋白质和表面活性剂复配时, 二者在泡沫界面上的运动和排列方式可以影响泡沫稳定性。国内有以动物蹄角[5]、活性污泥[6]、啤酒酵母[7]等为原料, 并与部分表面活性剂、有机大分子和无机电解质进行复配, 对发泡剂的泡沫稳定性均起到了一定的改善效果。
本试验以鸡毛作为蛋白质源, 通过碱水解的方法制备蛋白质型发泡剂, 研究多个因素对发泡剂泡沫性能的影响, 确立最佳的制备工艺。并对该发泡剂进行二元复配改性, 进一步改善发泡剂泡沫性能。最后使用4种不同类型发泡剂制备泡沫混凝土, 研究其对泡沫混凝土强度以及孔结构的影响。
1 原料与试验方法
1.1 原材料
水泥:采用中国水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥。
发泡剂原料:预先对鸡毛进行清洗, 去除杂质, 气味散尽后放入烘箱中, 在60℃下烘干24h。然后剪去鸡毛竿, 取毛绒, 并保证毛绒长度在0.5cm以下, 将处理好的鸡毛绒装入封闭袋中备用。
减水剂:聚羧酸类高效减水剂, 由江苏某公司提供。
发泡剂:松香型发泡剂 (FA-R) (按照文献[8]制备) , 改性松香型发泡剂 (FA-RM) (按照文献[9]制备) , 一种市售发泡剂 (FA-S) 。
化学试剂:Ca (OH) 2、NaHSO3、正丁醇、羧甲基纤维素钠 (CMC) 均为市售分析纯。
1.2 试验方法
1.2.1 泡沫性能衡量指标
泡沫性能包括两方面, 即发泡能力和泡沫稳定性。试验中采用发泡倍数作为评价发泡剂发泡能力的指标。发泡倍数M[10]可以用下式计算:
式中, M—发泡倍数;V—泡沫体积 (本文中为圆柱体塑料桶的容积, 9.69L) ;m—泡沫与塑料桶的初始总质量;m0—塑料桶的质量;ρ—发泡液的密度 (文中约为1×103kg/m3) 。
泡沫稳定性是指泡沫能够长时间存在而不破灭的性能, 即泡沫的持久性。试验中以1h泌水率, 即1h内泡沫泌出液体的质量占起始泡沫总质量的比率来反映泡沫排液状况, 1h泌水率越低, 泡沫排液越缓慢, 泡沫稳定性越好。可以用下式计算:
式中, η—1h泌水率;m—泡沫与塑料桶的初始总质量;m0—塑料桶的质量;m1—1h后, 泌水后剩余泡沫和塑料桶的总质量。
1.2.2 泡沫性能测试方法
试验采用以空气压缩法[8]制备泡沫, 按照上述两式进行发泡倍数和泡沫稳定性的测试。将水和发泡剂按照一定质量比混合, 总质量为1kg, 进行发泡。再将制备好的泡沫收集至圆柱体塑料桶中, 喷满刮平, 称量总重质量记为m。1h后, 打开桶底部的塞子, 将泌出的液体排出, 再称量桶和剩余泡沫的总质量记为m1。代入上述两式中计算发泡倍数和1h泌水率。
1.2.3 泡沫混凝土性能测试
试验中, 泡沫混凝土试块的规格为100mm×100mm×100mm, 养护室温度为 (20±1) ℃, 相对湿度不低于90%, 养护箱温度为 (35±5) ℃, 成型后带模养护24h (养护箱养护) , 然后脱模养护至试验龄期后, 分别测定其干密度、抗压强度。
(1) 干密度测定
按照GB/T 5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》, 取100mm×100mm×100mm、养护龄期为28d的立方体试样, 置入电热鼓风干燥箱内, 缓慢升温至 (110±5) ℃, 烘干至恒定质量, 然后移至干燥器中冷却至室温。恒定质量的判据为恒温3h、两次称量试件质量的变化率小于0.2%。称量试件自然状态下的质量M0, 保留5位有效数字。
按照以下公式计算样品的干密度:
式中, ρ—试样干密度kg/m3;M0—试样在 (110±5) ℃下的恒定质量, kg;V—试样体积, m3。
(2) 抗压强度测定
按照GB/T 5486—2008, 取100mm×100mm×100mm的立方体试块, 置于标准养护箱内养护至规定龄期。先测定试样尺寸, 精确至1mm, 并计算试样的受压面积, 再采用液压式万能试验机以 (10±1) mm/min的速度连续而均匀地对试样进行加荷, 直至破坏, 记录破坏荷载P1, 精确至10N。
按式 (4) 计算样品的抗压强度, 精确至0.01MPa。
式中, σ—试样的抗压强度, MPa;P1—试样的破坏载荷, N;S—试样的受压面积, mm2。
(3) 孔结构测定
泡沫混凝土中引入了大量的气泡, 其孔径大部分为2mm以下, 通过使用数码显微镜观察泡沫混凝土材料气孔形状、孔分布的均匀性、孔壁完整性和孔径大小。
2 试验结果与分析
2.1 蛋白质型发泡剂制备工艺
发泡剂制备工艺流程如下图所示:
2.1.1 预处理过程对角蛋白水解效率的影响
本试验首先采用NaHSO3对原料进行预处理, 用于预先部分打开鸡毛角蛋白中间起交联作用的二硫键, 有利于提高鸡毛在之后水解反应中的水解效率, 其作用方式如下:
式中, M1—经预处理后, 进行水解反应时的原料质量, g;M2—水解反应后剩余的残渣质量, g。
图1为不进行NaHSO3预处理, 水解时间对鸡毛水解效率的影响。随着时间的推移, 碱水解反应不断进行, 水解效率慢慢增加。但是当水解时间为12h时, 水解效率才达到81.55%。长时间的反应不仅使得工作效率降低, 同时试验的能耗增加, 成本提高, 因此, 为解决这些问题并且最大限度地利用原料, 需要对原料进行预处理以提高其水解效率。
水解时间/h
图2为固定预处理阶段与水解反应阶段的其它影响因素, 预处理剂NaHSO3用量对原料水解效率的影响。NaHSO3用量为0时, 鸡毛的水解效率只有41.24%, 不仅使发泡剂母液可溶性蛋白浓度降低造成性能受到影响, 同时也会引起资源浪费。随着NaHSO3用量的增加, 鸡毛的水解效率先升后降, 用量为4g时, 水解率最高为100%, 即全部水解。由于NaHSO3量的增加, 角蛋白中二硫键被打开的越多, 后期水解反应就越容易;但掺加NaHSO3过多时, 鸡毛中残留的NaHSO3增多, 在水解反应阶段, 碱溶液会与残留NaHSO3反应, 使碱量减少, 导致水解效率下降, 因此, 预处理阶段NaHSO3用量定为4g。
2.1.2 水解时间对发泡剂泡沫性能的影响
固定预处理阶段工艺参数:温度60℃、预处理时间4h、NaHSO3用量4g;固定水解阶段工艺参数:温度100℃、Ca (OH) 2用量10g, 调节水解时间分别为1.0h、1.5h、2.0h、2.5h、3.0h, 制备蛋白质型发泡剂母液。并对每组发泡剂母液按照质量分数20%、30%、40%进行稀释, 同时进行发泡试验, 测试泡沫性能, 结果见图3、图4。
图3为三种稀释浓度发泡液的发泡倍数随水解时间变化的曲线。发泡倍数随水解时间的增大而增大, 后期变化较为缓慢, 其中30%稀释浓度下水解时间为3h时出现下降。由于角蛋白的水解反应随时间的变化有两个过程:前期以角蛋白水解为主, 肽链和氨基酸量不断增加;后期角蛋白量随着反应不断减少, 水解反应开始减缓, 同时碱性物质会使氨基酸脱氨基而分解, 这样溶液的表面活性会受到一定程度的影响, 导致后期发泡倍数增长缓慢甚至下降。
图4为三种稀释浓度发泡液的1h泌水率随水解时间变化的曲线。由图4可知, 其随着水解时间的变化逐渐减小, 后期逐渐变缓, 40%稀释浓度下, 后期1h泌水率在水解温度2h时最低, 之后缓慢增加, 由于后期氨基酸结构遭到破坏, 使得发泡剂母液中表面活性成分降低, 形成泡沫时因液膜上吸附量较少, 稳定性降低, 表现为1h泌水率缓慢增加。
最后比较三种稀释浓度下发泡液的泡沫性能, 40%稀释浓度下的泡沫性能均优于其他两种浓度。主要是浓度的增加使溶液中表面活性成分增加, 泡沫上液膜的吸附量增加, 有利于提高泡沫性能。综上所述, 最终选择水解时间2h, 对发泡剂进行泡沫性能检测时, 将其稀释为40%浓度较为适宜。
2.1.3 Ca (OH) 2用量对发泡剂泡沫性能的影响
固定预处理阶段工艺参数:温度60℃、预处理时间4h、NaHSO3用量4g;固定水解阶段工艺参数:水解温度100℃、水解时间2h, 调节Ca (OH) 2用量分别为4g、6g、8g、10g、12g, 制备发泡剂母液, 并将各组分母液按照40%浓度稀释, 进行发泡试验, 泡沫性能变化见图5。
由图5可以看出, 发泡倍数随着Ca (OH) 2用量增加而增加, 在用量为8g以上时, 发泡倍数稳定在24左右。而1h泌水率先迅速下降, 8g之后下降变缓, 用量为10g时, 1h泌水率显示最低为41.53%。碱量太低, 角蛋白水解不足, 泡沫性能较差, 碱量过高, 结构被破坏, 表面活性成分减少, 泡沫性能也受到一定影响。最终确定Ca (OH) 2用量为1h泌水率最低时对应的10g。
2.1.4 水解温度对发泡剂泡沫性能的影响
固定预处理阶段工艺参数:温度60℃、预处理时间4h、NaHSO3用量4g;固定水解阶段工艺参数:水解时间2h、Ca (OH) 2量10g, 调节水解温度分别为80℃、90℃、100℃、110℃、120℃, 制备发泡剂母液, 并将各组分母液按照40%浓度稀释, 进行发泡试验, 泡沫性能变化见图6。
由图6可以看出, 水解温度对发泡剂发泡倍数的影响较大, 水解温度为80℃时, 发泡倍数仅为14.53;在100℃时, 达到最大23.99, 之后又迅速下降。1h泌水率同样变化较为明显, 110℃时最低, 为38.89%。温度对水解过程比较敏感, 温度过低反应速率慢。同时发现即使经过预处理后, 80℃下有部分鸡毛没有水解, 因此水解产物中, 表面活性物质较少。温度过高时, 泡沫性能降低和水解时间过长、氢氧化钙用量过量的原理一致, 都是肽链或者氨基酸结构被破坏使然。因此, 理想的水解温度为110℃。
采用NaHSO3对鸡毛进行预处理能有效提高碱水解阶段的水解效率。最佳预处理工艺为:鸡毛55g、1kg水、NaHSO34g、预处理温度60℃、预处理时间4h。采用Ca (OH) 2水解法制备蛋白质型发泡剂, 最佳工艺参数为:Ca (OH) 210g、水解温度110℃、水解时间2h, 预处理后鸡毛50g, 水1kg。此时制备的发泡剂母液稀释成40%溶液后, 发泡倍数为21.43, 1h泌水率为38.8%。
2.2 蛋白质型发泡剂改性研究
试验证明, 不同表面活性剂复配体系表现出比单一表面活性剂更为优越的性能[11]。合理进行复配, 会对泡沫性能起到协同增效的作用。本文采用正丁醇和粘性物质羧甲基纤维素钠 (CMC) 与上述蛋白质型发泡剂进行复配改性, 以提高发泡剂的泡沫性能。
将发泡剂母液稀释为40%的浓度, 以此为基液掺加一定量的正丁醇。由图7可以看出, 正丁醇能有效地改善发泡剂的泡沫性能。发泡倍数随正丁醇质量分数的增加而显著提升, 并在0.1%之后增速变缓逐渐趋于平衡, 达到28左右。对于1h泌水率, 该曲线呈现先降后升的趋势, 在正丁醇质量分数为0.2%时, 达到最低, 为21.08%。
采用CMC对上述发泡体系进行二元复配改性, 采用CMC掺量为0.01%~0.05%, 加入40%蛋白质型发泡剂+0.20%正丁醇中, 分别进行发泡试验, 结果见图8。
由图8可知, CMC的掺加提高了发泡体系的粘度, 使得发泡倍数随着CMC质量分数的增加而不断降低, 0.05%时降为18.62。发泡倍数小意味着相同体积的泡沫需要更多的发泡剂, 为了保证发泡剂使用的经济性, 发泡倍数不应小于20。对于1h泌水率, 在CMC质量分数为0.03%时达到最小值11.59%, 因为CMC的增加能提高溶液粘度, 泡沫排液速率减慢, 同时增加液膜的粘弹性, 减小泡沫透气性, 抑制液膜变薄, 提高泡沫稳定性[12]。当CMC继续增加时, 体系粘度过大, 表面活性成分吸附到泡沫表面的速率减慢, 使液膜上表面活性剂分子数减少, 吸附量降低, 泡沫液膜强度降低, 稳定性下降。最终确定改性组合为:40%蛋白质型发泡剂+0.2%正丁醇+0.03%CMC。经过改性后的蛋白质型发泡剂本文称为FA-PM发泡剂 (代号FA-PM) 。
2.3 不同发泡剂对泡沫混凝土性能的影响
不同类型发泡剂因其组成、表面活性成分分子结构的不同造成其泡沫性能、与水泥浆体适应性存在很大差异, 不但影响泡沫混凝土浆体的流动性和稳定性, 而且影响硬化体的密度和强度。为此选用四种类型的发泡剂:FA-R发泡剂 (代号FA-R) 、改性FA-R发泡剂 (代号FA-RM) 、改性蛋白质型发泡剂 (代号FA-PM) 、一种市售发泡剂 (代号FA-S) 研究其对泡沫混凝土性能的影响。本文以300kg/m3干密度泡沫混凝土试块为对象。
2.3.1 不同类型发泡剂对泡沫混凝土抗压强度的影响
由表1和图9可知, 随着龄期的增加, 泡沫混凝土抗压强度不断增加。相对于FA-R发泡剂, 改性后的发泡剂FA-RM泡沫稳定性大幅提高, 其制备的泡沫混凝土试块3d、7d、28d抗压强度分别提高了0.07MPa、0.08MPa、0.15MPa。而FA-RM与FA-PM发泡剂泡沫稳定性接近, 1h泌水率仅相差4.46%, 两者制备的泡沫混凝土抗压强度也相差不大。FA-S发泡剂泡沫稳定性最低, 其泡沫混凝土样品的抗压强度也最低, 28d仅为0.52MPa。
四种发泡剂制备的泡沫混凝土强度存在很大的差异, 主要是因为几种发泡剂泡沫稳定性不同, 引起样品内孔径、孔分布均匀性的不同, 从而对强度产生影响。
2.3.2 不同类型发泡剂对泡沫混凝土孔结构的影响
对四种发泡剂制备的泡沫混凝土断面孔结构进行分析, 探讨相互之间的差异及其与泡沫混凝土力学性能的相关性。
图10为四种发泡剂制备的泡沫混凝土孔结构的图像。发现四张图片中气孔在大小、分布、形状上均有一定差异。
图10 (a) 和图10 (b) 分别是FA-R和FA-RM发泡剂制备的泡沫混凝土孔结构, 改性前孔径大部分在0.5mm左右, 但存在少数大孔, 孔径有2mm, 在泡沫混凝土中为有害孔。气孔大小不一会引起受力不均, 应力会集中到有害孔处容易破裂, 导致样品强度受到影响。改性后气孔均匀性有很大改善, 没有尺寸较大的有害孔。由于改性后发泡剂泡沫稳定性大幅提高, 保证泡沫在料浆凝结过程中不出现较多的破坏或者合并, 气孔大小较为均匀。图10 (c) 是FA-PM发泡剂对应的试块孔结构, 由图可见孔结构更加均匀、规整且大部分都接近球形;而图10 (b) 气孔存在少量的变形, 但是差异不是很大。从物理力学原理可知, 物体的形状越圆滑, 受力就越均匀, 抗压能力就越大。若气孔变形较大, 其抗压性就降低, 整个泡沫混凝土的抗压强度也随之降低。图10 (d) 是一种市售发泡剂FA-S制备的试块孔结构, 该图中气孔大小和分布很不均匀, 大约一半左右都在1mm以上, 有害孔较多。当泡沫混凝土受压时, 压应力最容易向大孔集中, 导致大孔破裂。一个个破裂的大孔贯穿, 就会形成裂缝。因此, 图10 (d) 中气孔大小的不均匀性造成其强度很低。同时, 图10 (d) 中连通孔很多, 这对泡沫混凝土是致命的, 可使空气透过, 形成空气的流动进而带走热量, 降低保温性和隔热性, 因此, 实际生产中要尽量避免图10 (d) 中出现的连通孔和气孔大小不均匀的现象发生。
由图10发现, 不同类型发泡剂的泡沫稳定性相差较大, 泡沫稳定性越好, 即1h泌水率越低, 泡沫混凝土孔结构更加均匀、规整, 有害孔越低, 强度越高;泡沫稳定性越差, 气孔越大、均匀性越差甚至会出现连通孔现象, 不利于泡沫混凝土保温隔热。
3 结论
(1) 采用NaHSO3对鸡毛进行预处理能有效提高水解反应时的效率。预处理工艺为:NaHSO34g、预处理温度60℃、预处理时间4h, 水解效率为100%;采用Ca (OH) 2水解法制备蛋白质型发泡剂的工艺参数为:Ca (OH) 210g、水解温度110℃、水解时间2h, 将发泡剂母液稀释成40%溶液后, 发泡倍数为21.43, 1h泌水率为38.8%。
(2) 采用正丁醇与CMC进行二元复配改性可有效改善蛋白质型发泡剂的泡沫性能, 正丁醇与CMC掺量分别为0.2%、0.03%时, 泡沫稳定性最好, 1h泌水率由38.89%%降至11.59%。
(3) 四种发泡剂制备的泡沫混凝土, FA-PM对应的抗压强度最高, 28d达到0.85MPa;FA-R发泡剂经过改性后, 泡沫稳定性增强, 28d抗压强度较改性前提高了0.15MPa;FA-S泡沫稳定性最低, 其泡沫混凝土强度也最低, 28d仅为0.52MPa。
(4) 发泡剂对泡沫混凝土的性能影响较大, 泡沫稳定性越好, 泡沫混凝土孔结构更加均匀、规整、有害孔越低、强度越高;泡沫稳定性越差, 气孔越大、均匀性越差, 甚至会出现连通孔的现象, 不利于泡沫混凝土保温隔热。
参考文献
[1]李文博.泡沫混凝土发泡剂性能及其泡沫稳定改性研究[D].大连:大连理工大学, 2009.
[2]M R Jones, A McCarthy.Preliminary views on the potential of foamed concrete as a structural material[J].Magazine of Concrete Research, 2005, 57 (1) :21-31.
[3]Oyasato Yumiko, Toshida kentaro.Foam and method for producing the same[P].JP2006096942A, 2006-04-13.
[4]Maldonado-valderram A J, Langevin D, Martin-Molina A, et al.Surface properties and foam stability of protein/surfactant mixtures.Theory and experiment[J].Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111 (6) :2715-2723.
[5]马志珺, 李小云, 马学雷, 等.蛋白质型混凝土发泡剂的研究[J].建筑科学, 2009, 25 (5) :73-76.
[6]郑洁.污泥蛋白发泡剂的制备与泡沫性能研究[D].天津:天津大学, 2010.
[7]刘佳奇, 霍冀川, 雷永林, 等.一种新型蛋白质混凝土发泡剂的研制及性能研究[J].现代化工, 2010, 30 (3) :54-56.
[8]王翠花.泡沫混凝土制备技术研究[D].南京:南京工业大学, 2006.
[9]史星祥, 潘志华.泡沫混凝土发泡剂的稳定性[J].精细化工, 2012, 29 (5) :94-98.
[10]闫振甲.泡沫混凝土实用生产技术[M].北京:化学工业出版社, 2006:48.
[11]Schmitt, Silva, Bovay.Effect of Time on the Interfacial and Foaming Properties ofβ-Lactoglobulin/Acacia Gum Electrostatic Complexes and Coacervates at pH 4.2[J].Langmuir, 2005 (21) :7786-7795.