黃政宇，周美蓮，周志敏

（1 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082；2 廣東冠生土木工程技術(shù)有限公司，廣東廣州511400）

某些陰、陽(yáng)離子表面活性劑的復(fù)配研究顯示，由于陰、陽(yáng)離子表面活性劑強(qiáng)烈的電性作用，使其混合體系的表面活性比單組分體系有很大提高，且泡沫表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性能［1－2］。Ropers等［3］對(duì)帶異種電荷的聚合物多糖 （果膠）與CTAB復(fù)合體系進(jìn)行了研究，聚合物與表面活性劑發(fā)生強(qiáng)烈吸附，果膠／CTAB泡沫膜的厚度大于純組分CTAB的泡沫膜，從而提高泡沫的穩(wěn)定性能。Monteux等［4］通過(guò)對(duì)帶相反電荷的聚電解質(zhì) ［poly（styrenesulfonate）sodium Salt］與表面活性劑（C12TAB）的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PSS／C12TAB溶液中的PSS與C12TAB的摩爾比為1時(shí)，發(fā)泡能力最大并高于其純組分溶液，并在界面處形成類凝膠吸附層，有助于降低泡沫排液速率和氣泡合并速率，最終提高泡沫穩(wěn)定性能。

泡沫混凝土是通過(guò)機(jī)械方法將發(fā)泡劑水溶液制成泡沫，加入膠凝材料漿體，制成泡沫料漿，然后成型或現(xiàn)澆，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)所形成的微孔輕質(zhì)材料，具有保溫隔熱、隔音防火等優(yōu)良性能；但其缺點(diǎn)是強(qiáng)度較低。因此生產(chǎn)高性能泡沫混凝土，需不斷研制高效發(fā)泡劑。發(fā)泡劑性能的研究涉及許多因素，如溶液的發(fā)泡能力、泡沫穩(wěn)定性及大小分布等，但最重要的性能就是溶液的發(fā)泡能力、泡沫穩(wěn)定性和與水泥漿體的相容性［5］。

本研究擬對(duì)兩種不同類型的表面活性劑 （SDS和CTAB）分別和有機(jī)長(zhǎng)鏈陰離子化合物硬脂酸銨乳液復(fù)配，研究?jī)煞N復(fù)配體系的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性，獲得一種可用于制備泡沫混凝土的發(fā)泡劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑和儀器

主要試劑：CTAB（AR）、SDS（AR），硬脂酸銨乳液（ω＝30%），水泥為金鷹P·O 42.5普通硅酸鹽水泥 （廣東云浮青州水泥有限公司），其物理力學(xué)性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

主要儀器：JE1001多功能電子天平（上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司），PC396天福牌電子秒表（深圳市惠波工貿(mào)有限公司），D60－2F電動(dòng)攪拌機(jī)（杭州儀表電機(jī)有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)泡能力與泡沫穩(wěn)定性測(cè)試方法

采用高速攪拌法測(cè)試發(fā)泡劑的發(fā)泡能力和穩(wěn)定性。將配制好的100 m L發(fā)泡劑水溶液倒入1000 m L的燒杯中，以3600 r／min的攪拌速度攪拌5 min，記錄泡沫體積作為發(fā)泡劑的發(fā)泡能力，然后靜置計(jì)時(shí)，待泡沫液體析出至50 m L所需時(shí)間為發(fā)泡劑的半衰期 （t1／2），t1／2越長(zhǎng)，表明泡沫液的穩(wěn)定性越好［6］。

1.2.2 泡沫混凝土性能測(cè)試

將制備好的泡沫與水泥漿體混合攪拌均勻，采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體混凝土試模，24 h后脫模，然后將試件置于環(huán)境濕度95%、溫度 （20±l）℃的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)定其7天、28天的抗壓強(qiáng)度和干密度。干密度的測(cè)試方法為：將3個(gè)試件放在溫度為 （60±5）℃干燥箱內(nèi)烘干至前后兩次相隔4 h的質(zhì)量差不大于1 g，取出后，試件放入干燥器內(nèi)并在試件冷卻至室溫后稱取試件烘干質(zhì)量，精確至1 g。然后按式 （1）計(jì)算干密度。

式中，ρ0為干密度，kg／m3，精確至0.1 g；m0為試件烘干質(zhì)量，g；V為試件的體積，mm3。試件的干密度值為3塊試件干密度的平均值，精確至1 kg／m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 SDS和CTAB發(fā)泡劑性能對(duì)比

分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的SDS溶液和CTAB溶液各100 m L進(jìn)行攪拌。不同濃度下發(fā)泡劑的發(fā)泡能力和穩(wěn)定性分別如圖1、圖2所示 （實(shí)驗(yàn)溫度為30℃）。

圖1為不同濃度時(shí)的SDS發(fā)泡劑和CTAB發(fā)泡劑發(fā)泡性能對(duì)比。從圖1可看出，隨發(fā)泡劑濃度的增加，泡沫體積也隨之增加。SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)達(dá)到最大發(fā)泡體積940 m L，CTAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)最大發(fā)泡體積為680 m L。發(fā)泡劑濃度繼續(xù)增大時(shí)，泡沫體積略有下降或趨于平緩。

圖2為不同濃度時(shí)的SDS發(fā)泡劑和CTAB發(fā)泡劑泡沫穩(wěn)定性對(duì)比。由圖2可看出，隨發(fā)泡劑濃度的增加，泡沫半衰期迅速增大，到一定濃度后略有降低。當(dāng)SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，半衰期t1／2為380 s；CTAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，半衰期t1／2為300 s。這是因?yàn)楫?dāng)表面活性劑濃度較低時(shí)，表面吸附低。隨著濃度的增加，表面吸附量隨之增加，溶液表面張力進(jìn)一步降低，溶液的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)。但當(dāng)表面吸附達(dá)到飽和后，濃度增加，溶液表面張力不再降低，而濃度的增加又減弱了Marongoni效應(yīng)［7］，使泡沫的穩(wěn)定性降低，溶液發(fā)泡體積下降或趨于穩(wěn)定。

圖1 不同濃度發(fā)泡劑的發(fā)泡能力

圖2 不同濃度下發(fā)泡劑的半衰期

2.2 硬脂酸銨乳液對(duì)SDS和CTAB發(fā)泡劑性能的影響

固定SDS溶液和CTAB溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，與硬脂酸銨乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%、2.1%、2.4%的溶液復(fù)配，測(cè)定復(fù)配溶液的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性（實(shí)驗(yàn)溫度為30℃）。

圖3為硬脂酸銨乳液對(duì)SDS、CTAB發(fā)泡劑發(fā)泡能力的影響。從圖1和圖3對(duì)比可知，硬脂酸銨乳液的加入使SDS發(fā)泡能力大大降低：硬脂酸銨乳液加入前，0.5%的SDS溶液發(fā)泡體積為930 m L，加入后最大發(fā)泡體積只有660 m L。對(duì)CTAB而言，復(fù)配體系的發(fā)泡性能略低于純CTAB發(fā)泡劑：硬脂酸銨乳液加入前，0.5%的CTAB溶液發(fā)泡體積為680 m L，加入后最大發(fā)泡體積640 m L，其整體趨勢(shì)隨硬脂酸銨乳液含量的增加先增大后逐步減小。

圖3 硬脂酸銨乳液對(duì)SDS、CTAB發(fā)泡劑發(fā)泡能力的影響

圖4為硬脂酸銨乳液對(duì)SDS、CTAB發(fā)泡劑半衰期的影響。從泡沫穩(wěn)定性方面來(lái)說(shuō)，硬脂酸銨乳液是一種非常有效的穩(wěn)泡劑。純SDS或CTAB發(fā)泡劑半衰期t1／2為5～6 min，泡沫由于液膜的排液和氣體穿透液膜的擴(kuò)散，使液膜變薄、破裂，小氣泡消失，大氣泡變大，泡沫很快破裂。硬脂酸銨乳液的加入，泡沫半衰期均得到了顯著的提高。兩種體系的泡沫孔徑小且均勻細(xì)膩，根據(jù)Monsalve的理論說(shuō)明，單位時(shí)間內(nèi)泡沫數(shù)的減少與最初氣泡大小分布頻率有關(guān)。氣泡分布越窄，越均勻，泡沫越穩(wěn)定［8］。

對(duì)SDS／硬脂酸銨乳液體系而言，泡沫半衰期隨硬脂酸銨乳液的加入呈現(xiàn)先逐漸增大后略有降低的趨勢(shì)。硬脂酸銨乳液摻量為2.1%時(shí)穩(wěn)泡效果最佳，t1／2長(zhǎng)達(dá)64 min，是純SDS發(fā)泡劑的10倍之多。SDS與硬脂酸銨乳液復(fù)配后，體系溶液黏度增大。首先增加了液膜的表面黏度，液膜排液速率減小，延緩了PLATEAU壓力差和重力引起的液膜內(nèi)液體的遷移，阻止膜的變薄，延緩液膜的破裂。其次液相黏度增大，既增加了液膜的表面強(qiáng)度，又降低了氣體在液膜中的溶解度，從而減少了液膜的透氣性。因此，在硬脂酸銨乳液的作用下，泡沫會(huì)變得非常穩(wěn)定。但若繼續(xù)升高硬脂酸銨乳液濃度，造成體系黏度過(guò)大，使液膜變脆，不利于泡沫的穩(wěn)定。

圖4 硬脂酸銨乳液對(duì)SDS、CTAB發(fā)泡劑半衰期的影響

對(duì)CTAB／硬脂酸銨乳液體系而言，硬脂酸銨乳液的加入，半衰期t1／2急劇增大后逐步減小。硬脂酸銨乳液的最佳穩(wěn)泡濃度為1.2%。除了硬脂酸銨乳液能提高液相黏度，起到延緩析液時(shí)間的作用外；還有一個(gè)不可忽略的因素，即陰陽(yáng)離子間的相互作用。一方面，CTAB與硬脂酸銨乳液表現(xiàn)出強(qiáng)烈的協(xié)同作用，大大降低了溶液的表面張力，增加了泡沫的穩(wěn)定性能。另一方面，CTAB／硬脂酸銨乳液混合液膜由于正、負(fù)電荷間強(qiáng)烈的庫(kù)侖力的吸引，使液膜具有很高的表面強(qiáng)度，增加了泡沫穩(wěn)定性。正、負(fù)電荷之間的作用，還會(huì)導(dǎo)致泡沫性狀發(fā)生很大變化，當(dāng)然也是影響泡沫穩(wěn)定性的一個(gè)重要原因。具體情況如第2.3節(jié)所示。

2.3 復(fù)配體系泡沫性狀變化

泡沫中的氣體具有壓縮性，故溫度、壓力、剪切速率、泡沫穩(wěn)定時(shí)間、泡沫大小與分布、發(fā)泡劑等諸多因素都對(duì)泡沫的流變性能有不同程度的影響。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)CTAB隨硬脂酸銨乳液摻量不同而呈現(xiàn)流體狀、膠狀、膏狀的泡沫；而SDS／硬脂酸銨乳液體系的泡沫流動(dòng)性較低，為膠狀泡沫，且與硬脂酸銨乳液摻量無(wú)關(guān)。固定CTAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、0.5%、0.6%，與硬脂酸銨乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%、2.1%、2.4%的溶液復(fù)配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硬脂酸銨乳液對(duì)CTAB泡沫性狀的影響

表1為硬脂酸銨乳液摻量對(duì)CTAB泡沫性狀的影響。由表1可看出，隨著硬脂酸銨乳液摻量的提高，泡沫性狀依次呈現(xiàn)出流體狀、膠狀、膏狀、膠狀、流體狀。當(dāng)硬脂酸銨乳液與CTAB質(zhì)量比小于2.4或大于3.7時(shí)為流體狀或膠狀，流體狀泡沫由于發(fā)泡體積小，氣泡在液相內(nèi)分布少，體系流動(dòng)性很大。增加硬脂酸銨乳液的摻量，溶液黏度相應(yīng)增加，發(fā)泡體積增大，體系流動(dòng)性下降，此時(shí)泡沫形態(tài)與SDS／硬脂酸銨乳液體系相同。當(dāng)二者質(zhì)量比為2.4～3.7時(shí)，攪拌出來(lái)的泡沫為膏狀固體，且隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，泡沫黏度越來(lái)越大，最后成了黏稠的膏狀泡沫。這是由于體系中兩種物質(zhì)所帶異種電荷所致。硬脂酸銨乳液與CTAB作用后，在攪拌的過(guò)程中，部分乳液破乳，硬脂酸銨乳液與陽(yáng)離子表面活性劑CTAB發(fā)生絮凝，氣泡被絮凝的小顆粒吸附，此時(shí)的泡沫形狀類似于冰激凌結(jié)構(gòu)，疏水的小顆粒使泡沫穩(wěn)定性大大提高［9］。

2.4 泡沫混凝土性能比較

為了檢驗(yàn)上述兩種發(fā)泡劑在泡沫混凝土中的應(yīng)用，分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示的4種發(fā)泡劑溶液，按第1.2.2節(jié)所述方法制成設(shè)計(jì)濕容重為700 kg／m3的泡沫混凝土，其中所用水泥441.1 kg／m3，泡沫600 m L／m3，總水灰比為0.587。

表2 實(shí)驗(yàn)所用發(fā)泡劑

結(jié)果顯示，①純SDS溶液或②純CTAB溶液泡沫制成的試塊分層，說(shuō)明泡沫的液膜韌性差，不夠堅(jiān)固，很容易被擠壓破壞，引起泡沫的迅速破滅，因此穩(wěn)定性差的泡沫在漿體內(nèi)難以存留。而③SDS／硬脂酸銨乳液體系的泡沫拌入水泥漿體后，泡沫迅速消失。其原因可能由于體系中的銨鹽在水泥漿體的堿性環(huán)境作用下，釋放出氨氣，泡沫破滅，所以不能用于泡沫混凝土。④CTAB／硬脂酸銨乳液發(fā)泡劑的試塊泡孔均勻，有獨(dú)立的孔洞結(jié)構(gòu)，得到試件干密度為560 kg／m3，7天強(qiáng)度達(dá)到了2.03 MPa，28天達(dá)到2.85 MPa，達(dá)到了A2.0等級(jí)（JC／T 1062—2007，建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“泡沫混凝土砌塊”）［10］。

3 結(jié) 論

（1）硬脂酸銨乳液是種高效穩(wěn)泡劑，且與SDS、CTAB復(fù)配協(xié)同性好，表現(xiàn)出特有的穩(wěn)泡性能，使SDS的半衰期可延長(zhǎng)至64 min，CTAB可達(dá)至120 min。

（2）表面活性劑溶液中的陰陽(yáng)離子作用可顯著提高泡沫的穩(wěn)定性能，當(dāng)體系發(fā)生絮凝后，生成的疏水小顆粒吸附在氣泡膜上，使泡沫穩(wěn)定性顯著提高。

（3）CTAB／硬脂酸銨乳液體系的泡沫與水泥漿體相容性好，可用于泡沫混凝土的生產(chǎn)，且該發(fā)泡劑成分簡(jiǎn)單，制得的泡沫混凝土強(qiáng)度高。

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