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Como material de construcción poroso y ligero, Hormigón espumado Se utiliza ampliamente en el campo de la conservación de energía en edificios gracias a su excelente aislamiento térmico, buen comportamiento sísmico y baja densidad. Como material clave para la preparación de hormigón celular, el rendimiento del agente espumante afecta directamente la estructura porosa y el rendimiento final del hormigón celular. Con la creciente demanda de materiales de construcción ecológicos y la mejora de los requisitos de protección ambiental en la industria de la construcción, el desarrollo de agentes espumantes para hormigón de alto rendimiento y respetuosos con el medio ambiente se ha convertido en un foco de investigación.
Actualmente, los agentes espumantes para hormigón disponibles en el mercado se dividen principalmente en tres tipos: proteína animal, proteína vegetal y sintéticos. Existen diferencias significativas en el origen de las materias primas, el proceso de producción, las características de rendimiento y los efectos de aplicación de los distintos tipos de agentes espumantes. Este artículo tiene como objetivo analizar sistemáticamente el proceso de preparación, el mecanismo de acción y las características de rendimiento de diferentes tipos de agentes espumantes para hormigón, y proporcionar una base teórica y una referencia técnica para la selección de agentes espumantes adecuados en aplicaciones de ingeniería mediante estudios comparativos.
Clasificación y características básicas de los agentes espumantes del hormigón
Los agentes espumantes para hormigón se dividen en tres categorías según la fuente de las materias primas y su composición química: agentes espumantes proteicos (incluyendo proteínas animales y vegetales), agentes espumantes tensioactivos sintéticos y agentes espumantes compuestos. Los agentes espumantes proteicos se derivan principalmente del hidrolizado de proteínas animales y vegetales y presentan buena biodegradabilidad y son respetuosos con el medio ambiente. Los agentes espumantes sintéticos son tensioactivos preparados mediante síntesis química y se caracterizan por su alta capacidad espumante y un rendimiento estable. Los agentes espumantes compuestos se componen de diferentes tipos de agentes espumantes mediante métodos físicos o químicos, con el objetivo de combinar las ventajas de cada componente.
El mecanismo de acción de los agentes espumantes en el hormigón incluye principalmente tres aspectos: reducción de la tensión superficial, formación de una película de adsorción direccional y aumento de la viscosidad de la fase líquida. Los agentes espumantes de alta calidad deben presentar las siguientes características: alta capacidad de formación de espuma, buena estabilidad de la espuma, alta compatibilidad con el cemento, bajo impacto en la resistencia del hormigón, protección ambiental y ausencia de toxicidad. Estas características afectan directamente la porosidad, la distribución del tamaño de poro, las propiedades mecánicas y la durabilidad del hormigón celular. Por lo tanto, la elección del agente espumante adecuado es crucial para la preparación de hormigón celular de alto rendimiento.
Análisis de las características de los agentes espumantes de proteínas animales
Los agentes espumantes de proteína animal se elaboran generalmente a partir de pezuñas, pelo, sangre, etc., mediante procesos como hidrólisis, desengrasado y concentración. Su proceso de producción incluye principalmente el pretratamiento de la materia prima, la hidrólisis alcalina, el ajuste del pH, la concentración y el secado. Los principales ingredientes activos de este tipo de agente espumante son cadenas polipeptídicas y aminoácidos de peso molecular moderado. Son ricos en grupos activos como grupos carboxilo y amino, y pueden formar una película de adsorción resistente en la interfaz gas-líquido.
Las ventajas de los agentes espumantes de proteína animal se reflejan principalmente en su excelente estabilidad, buena compatibilidad con la pasta de cemento y mínimo deterioro de la resistencia del hormigón. Dado que los grupos activos de su estructura molecular pueden interactuar con los productos de hidratación del cemento, la resistencia de la pared de espuma formada es relativamente alta. Sin embargo, este tipo de agente espumante también presenta desventajas obvias: baja resistencia térmica y fácil descomposición a altas temperaturas; escasez de materias primas; grandes fluctuaciones de rendimiento entre lotes de producto; algunos productos presentan olor, etc.
En cuanto a su efecto de aplicación, el hormigón celular preparado con agentes espumantes de proteína animal suele presentar una distribución del tamaño de poro más uniforme, una porosidad más cerrada y buenas propiedades mecánicas. Estudios han demostrado que, con un múltiplo de espumación de 20 a 30 veces, la resistencia a la compresión a los 28 días del hormigón celular preparado con agentes espumantes de proteína animal puede alcanzar de 3 a 5 MPa, y la conductividad térmica se sitúa entre 0.08 y 0.12 W/(m·K), mostrando un excelente rendimiento integral.
Análisis de las características del agente espumante de proteínas vegetales.
El agente espumante de proteína vegetal se compone principalmente de proteínas vegetales como la proteína de soja, la proteína de semilla de algodón, la proteína de colza, etc., y se prepara mediante extracción, modificación y otros procesos. En comparación con los agentes espumantes de proteína animal, el proceso de producción de los agentes espumantes de proteína vegetal es más respetuoso con el medio ambiente, y la fuente de materias primas es más amplia y sostenible. El proceso típico de preparación incluye la extracción de proteínas, la hidrólisis enzimática o química, el tratamiento de modificación y otros pasos, entre los cuales el tratamiento de modificación es clave para mejorar el rendimiento de la espuma.
La estructura molecular de los agentes espumantes de proteína vegetal se caracteriza por contener más residuos de aminoácidos hidrófilos y una amplia distribución de pesos moleculares. Su actividad superficial puede mejorarse mediante tratamientos de modificación adecuados, como la acilación y la fosforilación. Las ventajas de este tipo de agente espumante son que las materias primas son renovables, respetuosas con el medio ambiente y no tóxicas, su precio es relativamente bajo y el producto es inodoro. Sin embargo, sus desventajas también son evidentes: el rendimiento de la espuma de la proteína vegetal natural no suele ser tan bueno como el de la proteína animal; se ve muy afectado por la variedad y el origen de las materias primas; y algunos productos presentan una estabilidad de espuma insuficiente.
En aplicaciones prácticas, el tamaño de poro del hormigón celular preparado con agentes espumantes de proteína vegetal es relativamente grande, pero optimizando la proporción de mezcla y los parámetros del proceso, se pueden obtener productos con un rendimiento satisfactorio. Estudios han demostrado que los agentes espumantes de proteína vegetal, mediante procesos de modificación especiales, pueden controlar la densidad seca del hormigón celular en un rango de 300 a 800 kg/m³, la resistencia a la compresión alcanza 1.5-4.0 MPa y la conductividad térmica es de 0.10-0.16 W/(m·K), lo que cumple con los requisitos de la mayoría de las aplicaciones de aislamiento de edificios.
Análisis característico de otros tipos de agentes espumantes de hormigón
Los agentes espumantes tensioactivos sintéticos constituyen otra categoría importante de agentes espumantes para hormigón, que incluye principalmente tensioactivos aniónicos (como el dodecilsulfato de sodio), no iónicos (como el éter polioxietilénico de alcoholes grasos) y zwitteriónicos. Este tipo de agente espumante se prepara mediante síntesis química y se caracteriza por una estructura molecular clara, alta pureza y un rendimiento estable. Su principal ventaja es su alta capacidad de formación de espuma, su rápida velocidad de formación, su buena consistencia y su compatibilidad con la estacionalidad y la regionalidad de las materias primas. Sin embargo, los agentes espumantes sintéticos suelen presentar baja biodegradabilidad, algunos productos pueden contaminar el medio ambiente y su compatibilidad con la pasta de cemento no es tan buena como la de los agentes espumantes proteicos.
Los agentes espumantes compuestos se desarrollan para superar las deficiencias de los agentes espumantes monocomponentes. Se elaboran combinando diferentes tipos de agentes espumantes en una proporción específica o añadiendo aditivos como estabilizadores y potenciadores de espuma. El concepto de diseño de este tipo de agente espumante consiste en combinar las ventajas de cada componente para lograr un rendimiento complementario. Por ejemplo, la combinación de agentes espumantes de proteína animal con surfactantes sintéticos no solo mantiene una buena estabilidad de la espuma, sino que también mejora su eficiencia; la adición de estabilizadores de espuma polimérica a los agentes espumantes de proteína vegetal puede mejorar su capacidad de estabilización de la espuma. El rendimiento de los agentes espumantes compuestos suele ser superior al de los de componentes individuales, pero su coste es relativamente alto y el diseño de la fórmula es más complejo.
Además, existen algunos tipos especiales de agentes espumantes, como los de microesferas poliméricas y los químicos, entre otros. Los de microesferas poliméricas introducen burbujas al añadir microesferas huecas de polímero previamente preparadas al hormigón. Este método permite controlar con precisión la porosidad y la distribución del tamaño de los poros, pero su coste es elevado. Los agentes químicos espumantes forman poros mediante reacciones químicas en el hormigón para producir gases (generalmente hidrógeno o nitrógeno). Este método es complejo y difícil de controlar, y rara vez se utiliza en el hormigón.
Comparación del rendimiento y selección de aplicaciones de varios agentes espumantes
En cuanto al rendimiento de la formación de espuma, los agentes espumantes sintéticos suelen tener el múltiplo de espumación más alto, que puede alcanzar de 30 a 50 veces; los agentes espumantes de proteína animal ocupan el segundo lugar, con unas 20 a 30 veces; los agentes espumantes de proteína vegetal presentan una menor, generalmente de 15 a 25 veces. Sin embargo, en cuanto a la estabilidad de la espuma, los agentes espumantes de proteína animal ofrecen el mejor rendimiento, con una vida media de más de 4 horas; los agentes espumantes de proteína vegetal, de unas 2 a 3 horas, y los agentes espumantes sintéticos suelen tener una vida media inferior a 1 hora, por lo que requieren la adición de estabilizadores de espuma para mejorarla.
En cuanto al impacto en el rendimiento del hormigón, los agentes espumantes proteicos tienen un menor impacto negativo en su resistencia gracias a su capacidad para interactuar con los productos de hidratación del cemento; en particular, el hormigón espumado preparado con agentes espumantes proteicos animales presenta la mayor resistencia. Si bien los agentes espumantes sintéticos tienen un buen efecto espumante inicial, la falta de dicha interacción suele provocar una reducción significativa de la resistencia del hormigón. En cuanto a la durabilidad, los agentes espumantes proteicos también presentan ventajas, y el hormigón espumado preparado con ellos suele presentar una mejor resistencia al ciclo de congelación-descongelación y mejor rendimiento en la retracción por secado.
Desde una perspectiva ambiental, los agentes espumantes de proteína vegetal son los más respetuosos con el medio ambiente, gracias a sus materias primas renovables, su bajo consumo energético y sus productos completamente biodegradables. Los agentes espumantes de proteína animal ocupan el segundo lugar, aunque sus materias primas provienen de subproductos animales, pero en general son relativamente respetuosos con el medio ambiente. Los agentes espumantes sintéticos son los menos respetuosos con el medio ambiente, y algunos productos incluso pueden causar problemas hormonales ambientales. En términos económicos, los agentes espumantes de proteína vegetal tienen el menor coste, seguidos de los de proteína animal, y los agentes espumantes sintéticos y compuestos tienen un coste más elevado.
Al seleccionar un agente espumante para un proyecto real, se deben considerar exhaustivamente los siguientes factores: los indicadores de rendimiento del hormigón requeridos por el proyecto (como densidad, resistencia, conductividad térmica, etc.), las condiciones de construcción (como temperatura, método de mezcla, etc.), el presupuesto y los requisitos de protección ambiental. En general, los agentes espumantes de proteína animal son adecuados para hormigón celular estructural con requisitos de alta resistencia; los agentes espumantes de proteína vegetal pueden considerarse para fines de aislamiento térmico ordinario; cuando se requiere una formación de espuma rápida y a gran escala, se pueden seleccionar agentes espumantes sintéticos; y cuando existen requisitos especiales de rendimiento, se pueden seleccionar agentes espumantes compuestos.
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