陰、陽離子表面活性劑對泡沫混凝土穩(wěn)定機理的研究進展

趙洪凱，肖文淇

(吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118)

表面活性劑[1-2]是一種化學物質(zhì)，可以積聚在液體表面或兩相之間的界面，其作用是改變界面的表面張力[3]。由于其結構的不同，在石油、采礦、制漿、紡織等行業(yè)中有著廣泛的應用，主要用作洗滌劑、潤濕劑、乳化劑[4]、發(fā)泡劑和分散劑[5]。

目前，非離子[6]、陰離子[7]、陽離子[8]和兩性表面活性劑[9]在世界范圍內(nèi)廣泛使用。羧酸鹽[10]、磺酸鹽[11]、硫酸鹽[12]和磷酸鹽[13]是最重要的陰離子表面活性劑。羧酸基表面活性劑主要用作肥皂，而溶于酸性和堿性介質(zhì)的磺酸基表面活性劑主要用作懸浮液[14]中的洗滌劑、分散劑和絮凝劑。由于表面活性劑結構[15]中存在一個額外的氧原子，硫酸基表面活性劑通常比磺酸基更親水，另一方面，磺酸基比硫酸基具有更強的化學穩(wěn)定性，因此在低pH或高pH條件下更耐水解。磷酸酯類表面活性劑廣泛應用于紡織工業(yè)中對油和蠟的洗滌，即使在強堿性條件下也是優(yōu)良的乳化劑，它們對水中硬度的耐受性較差，不適合采油[16]等應用。

混凝土[17-18]的泡沫穩(wěn)定機理[19]是保證混凝土幾何形狀光滑、硬化階段和硬化過程均勻的重要特征之一。穩(wěn)定的泡沫混凝土生產(chǎn)取決于發(fā)泡劑的種類、發(fā)泡劑的制備方法、起泡材料截面的工藝、混合料的設計計算精度、泡沫混凝土的生產(chǎn)等諸多因素。因此，為了生產(chǎn)出高稠度、高穩(wěn)定性的泡沫混凝土，建議減少發(fā)泡劑的體積。同時，泡沫混凝土的一個重要特性是耐久性，需要達到一定的水平，才能有效地抵御惡劣的環(huán)境，這可以通過選擇合適類型的發(fā)泡劑添加來實現(xiàn)[20-22]。

1 泡沫排水

Oscar等[23]將兩種表面活性劑分別與水泥和MWCNT混合。經(jīng)測得在兩種表面活性劑中，SDS降低水的表面張力比CPC效果好，尤其在10 mmol/L濃度下達到最大效果。它們通過降低水的表面張力和疏水相互作用吸附在MWCNT表面，實現(xiàn)有效的分散[24]。通過靜電作用吸附在水泥顆粒表面，增加顆粒的疏水性，改變顆粒間的吸引力，從而改變了基質(zhì)的流變行為和水化反應[25-26]。Qiao等[27]研制3種不同陰離子基團修飾的gemini表面活性劑，來制備高性能泡沫混凝土。表面活性劑濃度的增加與表面張力成反比，與泡沫高度成正比。其中含有雙子硫酸鹽基溶液的表面張力下降最快，從63 mN/m降到23 mN/m，泡沫高度從50 mm提高到200 mm，由于雙子表面活性劑的兩個離子基團是共價連接的，所以離子基團之間的靜電斥力大大中和，兩個疏水鏈之間的距離顯著縮短，說明雙子硫酸鹽基具有最高的表面活性和起泡性。Chen等[28]首次合成了6種不同疏水鏈和間隔基團的磺酸雙子表面活性劑，測試了水溶液的表面張力和泡沫性能。結果表明，具有12碳疏水鏈和2碳烷基間隔的gemini具有較高的表面活性、發(fā)泡性、泡沫穩(wěn)定性和吸氣性能。其溶液的表面張力下降最快，由原來63 mN/m降到35 mN/m，是因為表面活性劑通過疏水作用的氣液界面聚集和排列的趨勢較強，疏水作用降低了表面張力并提高溶液的表面活性。此外，在所有的geminis中可以誘導出最高的泡沫高度200 mm，說明它具有最高的泡沫性能。Atahan等[29]采用環(huán)境掃描電鏡研究了水泥硬化漿體中夾帶氣隙的表面結構，觀察到無論使用何種表面活性劑，在大多數(shù)夾帶的氣孔周圍都形成了一個明顯的殼層。除了微觀評價外，還對不同摻量的溶液進行了改性泡沫指數(shù)實驗和表面張力測量。與測得的去離子水的表面張力71.7 mN/m相比，SO對表面張力降低至25.2 mN/m。這是由于SO的陰離子極性基團由碳和氧結合而成，鈣離子與陰離子極性基團結合最可能形成CaSO4和CaCO3，CaCO3的溶解度較低，沉淀而不溶于水。當溶液中加入氫氧化鈣或硅酸鹽水泥時，SO溶液的表面張力顯著變化，其值近似等于水的表面張力。Lanzon等[30]測試了SO與水泥基砂漿的相互作用，發(fā)現(xiàn)形成的油酸鈣涂層可以防止水到達樣品表面，SO與礦物質(zhì)在混凝土中形成的鈍化膜可能是SO有效抑制SCP溶液中碳鋼腐蝕的原因之一。以上結果表明，SO是混凝土環(huán)境下鋼筋緩蝕的一種潛在的緩蝕劑。Sindu等[31]通過實驗將碳納米管(CNT)分散在5種不同的表面活性劑溶液中與水泥混合，這些CNT表面活性劑溶液在保持振幅、周期、超聲持續(xù)時間等參數(shù)不變的情況下進行超聲處理。通過UV-Vis吸光度研究和粒徑分析，結果表明，表面活性劑的分散能力依次為SLSD>SDB>GA>CTB>TX。可以看出，SLSD、SDB和GA是較好的分散劑，而CTB和TX是較差的分散劑。

2 液膜破裂

Blandine等[32]專注于表面活性劑和水泥顆粒之間的吸附。實驗測得隨著殘留濃度的增加，接觸角始終保持18°左右，這說明TTAB陽離子表面活性劑的接觸角是恒定的。TTAB在濃度最低時，吸附量也非常低，初始斜率接近于零，這說明吸附分子即使在低濃度下也有團聚的趨勢，而在低濃度下吸附的自由分子數(shù)量也過低。接觸角在低濃度下增大，說明顆粒表面形成了一層表面活性劑，在這個濃度范圍內(nèi)，分子頭通過靜電作用相互吸附。Xu等[33]研究了表面活性劑對水泥漿料中氯離子結合的影響。用平衡法測定了氯離子的結合，采用XRD對試樣進行了結構表征。研究發(fā)現(xiàn)陽離子表面活性劑具有快速吸附速率，陰離子表面活性劑具有緩慢的吸附速率并受動力學控制。但是，非離子表面活性劑幾乎不被吸收。陽離子表面活性劑的吸附能使水泥表面Zeta電位由負向正變化，這種變化有利于負電荷氯離子通過靜電力的物理吸收，導致氯離子結合的增加[34-35]。相反，陰離子表面活性劑的吸附增加了負Zeta電位，這增加了水泥表面和帶負電荷的氯離子之間的排斥，從而減少了氯離子的結合。非離子表面活性劑幾乎不被吸收，對水泥的表面性能幾乎沒有影響[36]。Sun等[37]制備泡沫混凝土干密度為600 kg/m3。實驗結果表明，SS泡沫混凝土的抗壓強度分別比動物膠/血基表面活性劑(AS)和植物表面活性劑(PS)泡沫混凝土高11%和43%，而干縮率分別比AS和PS低13%和21%。通過X-CT和硬化混凝土氣泡分析儀測試泡沫混凝土的孔隙結構，SS泡沫混凝土與其他兩種相比，孔隙分布更窄，連通孔隙更少，這是因為SS發(fā)泡劑中含有納米顆粒，對氣泡表面吸附性強，與表面活性劑發(fā)生協(xié)同作用，可在氣泡邊界處聚集，防止氣泡塌陷，液膜破裂[38]。Zhang等[34]測量了離子和非離子表面活性劑對水泥的吸附量，并將吸附等溫線與接觸角對水泥粉狀顆粒的吸附量進行了比較。對于離子表面活性劑，離子頭在水泥顆粒表面上的吸附導致顆粒表面的疏水化，從而增加了水對所得硬化材料的接觸角，直到當顆粒表面飽和時達到最大值。在較高的濃度下，陰離子表面活性劑可降低水泥顆粒表面的疏水性。這種效果可以通過表面活性劑在晶粒表面上形成團聚來解釋。最近，Petit等[39]采用表面活性劑對水泥自吸，還測量了陰離子表面活性劑在中等濃度下的疏水性，而他們并沒有觀察到陽離子表面活性劑對水泥表面性能的影響。Kulaots等[40]將SDS表面活性劑制備成1%的溶液，與粉煤灰和水泥混合。值得注意的是，泡沫終點處AAS的摩爾吸收比SDS的摩爾吸收大5倍以上。在端點處，SDS和DBS的摩爾占比更接近。這是由于溶液pH的變化，以及原鹽形式的游離酸的形成，導致表面活性劑沉淀，氧化過程也可以導致形成額外的有機酸，防止氣泡破裂。

3 泡沫粗化

Chen等[41]對高鹽、高堿水泥濾液中陽離子低聚表面活性劑的發(fā)泡性能進行了測試，監(jiān)測各樣品的泡沫數(shù)量和平均泡沫面積的變化。在整個孵育時間內(nèi)，隨著表面活性劑低聚程度的增加，泡沫數(shù)量與之成正比，最高值為5 000，而平均泡沫面積與其成反比。正如我們所知道的，氣泡越小，數(shù)量越多，越穩(wěn)定，這主要是因為氣泡越大，抗壓力越差，在初始凝固漿料之前，漿料更容易破碎并通過漿料連接，且可能發(fā)生氣泡粗化反應。Zhong等[42]測定了純表面活性劑(SL)溶液和SL-粘土-水泥體系的表面膨脹模量，表面膨脹粘彈性表示表層抵抗外部擾動、氣泡粗化[43]和破裂[44]的能力。隨著陽離子表面活性劑濃度的增加，兩種體系的膨脹粘彈性先增大后減小。當SL濃度達到1.0%時，膨脹粘彈性達到最高值8 mN/m。而SL-粘土-水泥體系的粘彈性總是高于純表面活性劑體系的粘彈性，主要是因為顆粒吸附層的強度和抗變形性增強。

4 結束語

本文介紹了陰離子和陽離子表面活性劑的種類及其對泡沫混凝土的作用機理，發(fā)現(xiàn)了不同發(fā)泡劑制備的泡沫混凝土的性能差異很大，這與泡沫的穩(wěn)定性有關，泡沫的高穩(wěn)定性和高強度有助于保持水泥漿料中的泡沫結構。目前，混凝土制造對環(huán)境有著嚴重的影響，然而，在未來的幾十年，混凝土產(chǎn)量預計將繼續(xù)呈現(xiàn)增長。因此，高性能、穩(wěn)定的泡沫混凝土的制備對當今建筑行業(yè)有著巨大的影響。