用于发泡混凝土制品的发泡剂

用于发泡混凝土制品的发泡剂

摘 要

节能

环保已经成为当今的热门话题，特别是建筑节能在当今社会备受关注。泡沫混凝

土在建筑节能方面起到了重要的作用，然而决定泡沫混凝土的性能的好坏在于发泡剂的性

能。为了便于对此课题进行研究，本文主要对泡沫混凝土发泡剂的研究和应用现状，着重对

表面活性剂类发泡剂和蛋白质类发泡剂的研究进展进行了总结。并对发泡剂的发展趋势进行

了展望。

关键词：泡沫混凝土；发泡剂；表面活性剂；蛋白质

Abstract

Blowing agents for foam concrete products

XIE Zi-hua

Energy saving and environmental protection has become a hot topic, especially in

building in today's concrete play an importance part in energy saving of building,

but the performance of foam concrete is decided by the performance of foam concrete foaming

order to facilitate research on this subject, study and application of foam concrete

foaming agent are summarized in this paper,especially the study of surface foaming agent and

protein foaming agent .And the development trend of blowing agent were discussed.

Key words:

foam concrete; blowing agents; surfactants; protein

1. 前言

泡沫混凝土又称发泡混凝土，是通过化学或物理的方式将空气等气体引入混凝土浆体

中，经过成型、养护形成含有大量孔洞并具有一定强度的混凝土制品，具有轻质、保温隔热、

隔音、不易燃等性能，是一种节能环保建筑材料。早在上世纪30年代，瑞士人就率先开发

了泡沫混凝土技术。此后逐渐在世界各国得到进一步研究开发，20世纪50年代开始在前苏

联、美国等国家的建筑工程应用，我国直到20世纪90年代才开始引进、应用此项技术。随

着对能源问题、特别是建筑节能的关注，泡沫混凝土在国内的研究开发日益深入，各类泡沫

混凝土制品产量快速增长。有数据表明，仅泡沫混凝土保温板一项的产量，在2011年3月

~12月的10个月内就由10万m上升到250万m，扩大了25倍。随着泡沫混凝土的不断发

展，其生产的关键技术—发泡剂的研制也成为行业的研究重点。发泡剂又称起泡剂，可以

[i]

33

在一定条件下经过化学、物理变化产生泡沫以形成闭孔或联孔结构。混凝土制备过程中加入

适量发泡剂，会在混凝土内部产生微小密闭的均匀气泡，有效地改善混凝土的物理力学性能，

提高混凝土的流动度、耐久性、节约水泥、降低密度，从而起到节约能耗、改善环境的目的，

本文主要综述各类发泡剂的性能特点及泡沫混凝土研究与应用的最新进展。

[ii]

2. 混凝土的发泡特性

发泡剂会在混凝土中最终形成大量的开口孔或闭口孔，孔的结构会对混凝土质量产生很

大影响。发泡剂是决定泡沫混凝土抗压强度以及隔热、隔声、是否开裂等性能的关键因素。

研究表明，孔径越小，孔形越圆，孔分散的越均匀，泡沫混凝土的性能越好；此外，泡沫膜

弹性对泡沫膜排水性能影响也很大，高弹性泡沫膜可以降低外力对液膜中液相的作用，从而

降低液膜排液速率，增加泡沫稳定性翻。混凝土发泡剂是影响泡沫混凝土性能的重要因

[iii]

素，是制备高性能混凝土材料的重要组成部分，不同性质的泡沫直接决定着泡沫混凝土的具

体使用范围。根据实际需要，可通过调整水泥、发泡剂用量来调整产品密度。低密度泡沫混

凝土产品用作各种建筑物的墙体材料，可以大大减轻建筑物的自重，从而降低建筑物的结构

与基础费用，取得显著的经济效益。

3. 混凝土的种类

应用于泡沫混凝土中的发泡剂发泡剂在建材领域上的应用开展较早。早在上世纪 30

年代，美国在偶然机会发现抗冻性较好的混凝土材料之后，对混凝土发泡剂的研究迅速开展

起来。能够产生泡沫的物质很多，但并不是只要能产生泡沫的物质就可以用作混凝土发泡

[iv]

剂。发泡剂应该具有足够的稳定性，保证在泡沫与砂浆混合是不破裂，并对胶凝材料的凝结

和硬化过程无不利的影响。混凝土发泡剂以很少的掺量加入混凝土中，有效地改善混凝土的

物理力学性能，提高混凝土的流动度、耐久性、节约水泥、降低容重，从而起到节约能耗，

改善环境的目的。从化学成分上看，混凝土发泡剂主要是由表面活性剂和蛋白质两大类物质

组成。这类物质除能在极少量情况下就能降低溶液表面张力外，还可以通过不同方式促进泡

沫的稳定，进而提高了泡沫混凝土的性能。

4. 国内外混凝土发泡剂的发展

4.1. 表面活性剂类发泡剂

表面活性剂具有良好的表面活性，是制备发泡剂的优良试剂。作为两亲性物质，表面活

性剂的物理、化学性质均取决于其分子结构。同浓度条件下，极性基团的亲水作用越强，表

面活性剂在水中溶解度越大，起泡性能就越好；但由于泡沫表面膜层含水较多，导致排液速

度快，泡沫稳定性较差。此外，由于表面活性剂在混凝土中的性质与其在水溶液中的性质经

常会相差很大，因此表面活性剂与水泥颗粒的相容性是决定泡沫混凝土性能的重要因素。

近年来，通过不断的努力，表面活性剂类发泡剂的到了很好的发展。杨振通过对阴、

阳离子表面活性剂复配研究表明：复配体系具有强烈电性作用。混合体系的表面活性较单组

份体系有很大提高，反驳了阴、阳离子表面活性剂复配后失活的观点。陈伟章在复配

[vi]

[v]

m(SDS)∶m (BS-12)=1∶3~1∶6 时，混合体系具有超起泡能力，出现优异的增效协同性能。

Ouyang以聚乙二醇和十二烷基硫酸钠重量配比为 1∶1 合成水泥发泡剂。试验表明：此

[vii]

合成发泡剂与改性后的木质素磺酸盐高效减水剂作为复合外加剂使用时对水泥砂浆的流动

度、水泥的水化过程以及硬化后水泥强度都产生了积极的影响。其中发泡剂在 4×10-5(质

量分数)掺量时水泥浆体流动度达到最高；而在0~2．4×10-5(质量分数)掺量时，水泥砂浆

的抗压强度逐渐增强，随着发泡剂浓度进一步增加，抗压强度略有下降后最终保持不变。而

在十二烷基硫酸钠水溶液中加入十二醇后，溶液黏度有很明显的上升趋势，可以很好地减慢

泡沫内部的排液速度，从而在很大程度上增加了泡沫稳定性。丁起以十二烷基硫酸钠和

[viii]

皂素溶液为主要原料制备复配发泡剂，加入适量的明胶溶液并采用非离子表面活性剂十二烷

基聚氧乙烯醚进行改性，制备了SDS高效混凝土发泡剂，并对发泡剂的性能进行了分析研究。

结果表明，SDS 高效发泡剂的稳定性较好，黏度高，泡沫泌水速度降低。将研制的 SDS 高

效发泡剂应用于泡沫混凝土砌块的生产，取得了较好的效果。林雪志等先采用间歇法在一

[ix]

定温度、压力下，使用lewis酸为催化剂，合成了葡萄糖聚氧乙烯醚。并将此糖基聚氧乙烯

醚表面活性剂应用到复合型泡沫混凝土发泡剂中，采用罗氏－迈尔斯（ross－Miles）法测

试其泡沫性能，通过罗氏泡沫仪的起泡高度和消泡半衰期，来研究发泡剂泡沫稳定性。实验

结果表明，最佳复配条件为：以0．7%的十二烷基苯磺酸钠（LAS），添加0．014%的聚丙烯

酸树脂340作为基础起泡剂溶液，再加入0．014%的分子量为849的糖基聚氧乙烯醚表面活

性剂，其起泡高度最高可达到167．5mm，且稳定性好，泡沫半衰期可达到56分钟。雷团结

等通过对比取材方便、价格低廉的不同阴离子表面活性剂的泡沫性能，优选泡沫稳定性较

好的 α-烯烃磺酸钠（AOS）作为起泡组分，加入适量的有机硅稳泡剂（ZT-1）和增稠类物

质羧甲基纤维素（CMC）进行改性，制备了新型泡沫混凝土发泡剂，并对泡沫性能进行了分

析研究。结果表明，该新型泡沫混凝土发泡剂所制备的泡沫表面细腻有光泽、稳定性较好，

发泡倍数 37．5 倍，1 h 沉降距1．8 mm，1 h 泌水量 26．1 ml、48 h 后泡沫仍保持 50%

以上高度。将该发泡剂应用于制备较低密度泡沫混凝土，产品表现出了较好的力学性能和热

工性能。

4.2. 蛋白质类发泡剂

蛋白质类发泡剂的发泡原理是蛋白质的降解。蛋白质大分子中肽键的断裂，会生成易溶

解的蛋白质小分子，随着溶液中蛋白质小分子的增加，疏水基团逐渐增多，使得表面张力降

低，形成界面。此外，由于分子中特殊基团间会形成氢键，强烈的氢键作用可以保证溶液形

成强度较高的泡沫液膜，从而使发泡剂生成稳定的泡沫 。蛋白质类发泡剂总体上可分为动

物蛋白发泡剂和植物蛋白发泡剂。动物蛋白发泡剂具有发泡倍数高、强度高、稳定性好、造

价低廉等特点，在日本、美国等工业化国家已经广泛使用。

Yumiko 等利用藻酸盐提取物和变性蛋白质为原料制得发泡剂。经研究发现，泡沫在

[xi]

[x]

长时间内保持尺寸大小不变，具有良好的稳定性，为今后微观角度的泡沫稳定机理研究打下

了坚实基础。寿延用鸡蛋黄为主原料，复配稳泡剂，研制了高效的混凝土发泡剂，克服

[xii]

[xiii]

了传统的蛋白类发泡剂原材料不足的缺陷。尹冰等以氢氧化钠、盐酸和人发为主要原料

制备 XK型动物蛋白混凝土发泡剂，以十二烷基苯磺酸钠（LAS）、十二烷基硫酸钠（SDS）

和明胶3种稳泡剂对合成发泡剂进行复配改性，并对复配发泡剂的稳泡性能进行了分析研

究。结果表明，这3种稳泡剂能不同程度提高合成发泡剂的泡沫稳定性，其中以 LAS与明

胶复配的改性作用最好。马志珺等以牛蹄角为原料，添加一定量的Ca(OH)2和NaHSO3在

[xiv]

适宜的温度和时间条件下，合成出性能优良的蛋白质型混凝土发泡剂。以此发泡剂为母液，

稀释到一定浓度，添加表面活性物质进行复配研究，考察其对发泡剂母液的发泡和稳泡性能

的改性效果。实验结果表明，对原有蛋白质发泡剂生产工艺的改进相对提高了其发泡稳泡性

能，进行复配后效果尤其显著，泡沫性能得到大幅度提高。添加的几种物质对发泡剂的泡沫

性能均有不同程度的改善作用，其中十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和明胶的改善作用

最明显。适宜的复配方案：发泡剂母液用量为50mL，浓度为20%，明胶：0105g，十二烷基

硫酸钠：0145g，十二烷基苯磺酸钠：011g。以此方法制得的发泡剂性能为：起泡比4418，

沉降距4mm，泌液量214mL。刘佳奇等以啤酒废酵母为原材料，制备一种新型的蛋白质混

[xv]

凝土发泡剂并通过正交实验对水解条件进行优化。研究了发泡剂以及不同添加剂对其发泡性

能和泡沫稳定性的影响，结果表明表面张力是发泡剂发泡性能提升的重要因素，但对泡沫稳

定性没有决定性影响；适当增加溶液黏度可延长其泡沫稳定时间，其中添加卡拉胶011% /100

mL发泡液时，发泡体积为725 mL，其泡沫稳定时间也超过了25 h。王程等以啤酒酵母

[xvi]

菌体为原料，利用超声波法提取酵母细胞内蛋白质，选择干热法、热碱法和酶法对酵母蛋白

进行改性处理，通过比较改性前后酵母蛋白的泡沫性能可知：3种方法均对酵母蛋白泡沫性

能有一定的改善作用，其中浓度为 1．5% Ca(OH)2水解后得到发泡母液的泡沫性能最佳，

泡沫体积达到 1109．1 mL，稳泡时间达 10．1h。采用响应面实验法中的 Box-Behnken 设

计对影响热碱法改性蛋白发泡体积的3个主要因素[反应温度、反应时间、Ca(OH)2浓度进

行优化，结果表明：当水解温度 77．88 ℃、水解时间 2．39 h、Ca(OH)2浓度 1．34%时

泡沫体积达最大，最大预测值 1135．1 mL，实际测得平均发泡体积为 1127．2 mL，与模型

理论预测值相比相对误差在0．72%，所以采用响应面实验法优化得到的参数准确可靠，具

有实用价值。

4.3. 蛋白质一表面活性剂复合型发泡剂

蛋白质与表面活性剂复合型发泡剂是通过改变溶液的界面张力而进一步增强其表面活

性的，混合体系中界面吸附机理主要是置换和增溶。最近，日本采用蛋白质物添加适量

[xvii]

的阳离子表面活性剂配成的混合发泡剂，采用现场浇注成型的工艺，研制成功现浇泡沫混凝

土新工艺。Maldonado-Valderrama研究了蛋白质-表面活性剂复合体系发泡剂对泡沫

[xviii][xix]

稳定性的影响，研究结果表明：蛋白质和表面活性剂界面上的运动和排列方式可以影响泡沫

稳定性。如果膜上吸附的活性剂分子多，则膜较致密、弹性强，泡沫内气体难以通过液膜向

外扩散，泡沫则能在较长时间内稳定存在。

5. 结语

进入21世纪，混凝土技术要求越来越高，必将促使混凝土发泡剂有新的更大的拓展空

间。泡沫混凝土发泡剂的性能是决定泡沫混凝土强度、隔热、隔声、是否开裂的关键因素。

为了进一步推广泡沫混凝土在建筑保温领域的应用，需要不断地研发高效发泡剂及复合添加

剂，重点解决与水泥及混凝土混合材的相容性问题，优化原材料配合比、工艺流程和设备，

进一步研究泡沫混凝土的各种性能及其影响因素。国际上普遍使用蛋白质类发泡剂，主要特

点是发泡速度快，泡沫细小，泡沫尺寸均匀，泡沫稳定性好持续时间长，是泡沫混凝土生产

的首选发泡剂。我国也对蛋白质发泡剂进行了研究，但在发泡剂的发泡能力、泡沫稳定性等

方面，与国际上成熟的蛋白质发泡剂相比差距较大，有待于进一步改善和提高。

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