题目：Superior performance foamed concrete fabricated with amphiphilic and hydrophilic particles stabilized ultra-stable foam（用两亲性和亲水性颗粒稳定的超稳定泡沫制备的高性能泡沫混凝土）

关键词：多壁核壳结构；超稳定泡沫；泡沫混凝土；力学强度；隔热

在建筑行业中，具有足够强度、卓越隔热性能和节能特性的材料供不应求。泡沫混凝土以其成本效益高、超轻成分和显著的隔热特性，显示出在提高能效应用方面的巨大潜力。然而，由于泡沫稳定性不足，目前泡沫混凝土的强度和隔热性能未能满足工程需求，从而阻碍了其广泛应用。为应对此挑战，通过耦合表面活性剂、Janus-ZrO2纳米颗粒和亲水性均匀SiO2的协同效应，成功合成了一种具有多壁核壳结构的超稳定泡沫，通过修改气液界面来实现这一目标。利用这一创新方法，我们在泡沫混凝土的制备中引入含有5wt% Janus-ZrO2纳米颗粒的超稳定泡沫，最终密度为500 kg/m³。值得注意的是，这种泡沫混凝土表现出卓越的机械性能（抗压强度为5.1 MPa）和出色的隔热性能（导热系数为0.091 W/(m·K)）。这些改进可以归因于泡沫混凝土中孔隙结构的优化和闭孔比例的增加，这都得益于超稳定泡沫的使用。引入这种独特的超稳定泡沫有望扩大泡沫混凝土在建筑领域的应用。

截至目前，全球的能源资源已经被大量消耗，而建筑能耗约占总能耗的30-40% 。建筑施工也贡献了总碳排放量的30%。鉴于这一现实，建筑节能和可持续性建设引起了学术界和工业界研究人员的极大关注，旨在减缓全球变暖排放。因此，聚氨酯泡沫、真空绝热板和气凝胶等轻质保温材料由于其节能潜力而在建筑中得到了应用。然而，它们的广泛使用受到机械性能低、成本高和制备方法复杂的限制。因此，迫切需要具有低成本生产、低导热性和足够强度的低碳建筑材料。

泡沫混凝土是一种多孔轻质材料，因其可用性、经济性、耐用性和低导热性而被认为是有前途的节能建筑材料。泡沫混凝土的性能与其由泡沫产生的多孔微结构密切相关，因此泡沫质量是一个关键因素。纳米颗粒已被认为是泡沫的有效稳定剂。它们在气-水界面的吸附在抑制气泡的粗化和合并中起着至关重要的作用，形成了致密的保护层。此外，某些纳米颗粒可以集中在普拉特边界，阻碍物理排水并有助于泡沫的有效稳定。近年来，SiO2、TiO2、Al2O3 、ZrO2 和 CaCO3等纳米颗粒已广泛用于增强泡沫性能。纳米颗粒的泡沫稳定性的主要原因是它们可以被气液界面吸附，而当它们从界面分离时，它们对泡沫的保护作用也会丧失。使颗粒脱离界面的能量被定义为解吸能。均匀纳米颗粒的解吸能约为几千KBT，不能为泡沫提供足够的保护 。因此，所产生的泡沫结构仍然脆弱且易于破裂，这导致泡沫稳定性差，在泡沫混凝土中表现不佳。为应对这一挑战，当前的研究强调了通过改性纳米颗粒以实现更好的泡沫稳定化效果。这一趋势反映了提高泡沫混凝土整体性能的持续努力。

Janus颗粒由于其各向异性的多功能性，在单个颗粒内表现出独特的双表面或化学性质。值得注意的是，两亲性的Janus颗粒相比于其均匀的对应物，在气液界面处表现出三倍的解吸能。这种较高的解吸能确保了Janus颗粒不会轻易从水-空气界面上脱落，从而提高了泡沫的稳定性。近年来，两亲性Janus颗粒的独特特性，包括其不对称结构、组成和表面物理化学性质，已经引起了广泛关注。这些颗粒在表面活性剂、传感器、催化剂 、稳定剂和生物医学应用等领域具有重要应用价值。尽管Janus颗粒应用的广泛探索，但在文献中关于它们在泡沫稳定化中的作用及其在泡沫混凝土中的应用仍存在显著空白。此外，仅依赖于Janus颗粒会导致形成致密的保护层，泡沫稳定性不足。

为了应对纳米颗粒仅形成单层保护的问题，研究人员探索了各种策略。Llamas等通过同时将纳米SiO2和纳米TiO2引入泡沫，发现这些颗粒之间存在协同效应，显著增强了泡沫稳定性。尽管这一进展，但该方法仍在液-气界面上吸附单一纳米颗粒，形成单层保护屏障。Sheng等提出了引入少量亲水成分的创新解决方案。此举促进了疏水颗粒和亲水成分在液-气界面上的同时吸附。协同组装形成了Janus双层，展示了有效稳定泡沫气泡的协同机制。这些见解为多层保护层泡沫的研究和开发提供了宝贵的启示。

基于以往研究，我们首次提出了一种合成具有多壁核壳结构的超稳定泡沫的新方法。这一创新方法通过协同引入表面活性剂、Janus-ZrO2颗粒和亲水性均匀SiO2纳米颗粒，修改气液界面。两亲性Janus-ZrO2颗粒通过浸渍法和选择性表面改性相结合合成，发挥了关键作用。所产生的超稳定泡沫表现出显著的低沉降距离、低出血率和出色的发泡性能。利用这种超稳定泡沫，我们成功制备了具有优异不透水性、机械强度和隔热性能的泡沫混凝土。本研究的成果不仅提出了通过纳米颗粒改性增强泡沫稳定性的新视角，还拓宽了超稳定泡沫的潜在应用，为高性能泡沫混凝土的发展奠定了基础。

Fig. 1. Schematic illustration of the fabrication of Janus-ZrO2 nanoparticle.

Fig. 2. House model test setup: (a) optical photo and (b) numerical construction of the incubator model box.

Fig. 3. (a) XRD, (b) FT-IR, and (c) TG curves of pure ZrO2, OA-ZrO2, and Janus-ZrO2 particles. (d) Crystal structure of monoclinic ZrO2.

Fig. 4. (a) TEM image, (b) schematic diagram, and (c) the corresponding EDS mapping images of the Janus-ZrO2 particles.

Fig. 5. (a) The schematic representation of various surface views of Janus-ZrO2 particles and (b) the fluorescence image of Janus-ZrO2 particles.

Fig. 6. (a) Experimental schematic diagram and (b) contact angles of ZrO2, OA-ZrO2 and Janus-ZrO2 particles.

Fig. 7. Dispersion behavior of (a) pure ZrO2, (b) OA-ZrO2 and (c) Janus-ZrO2 particles in kerosene-water mixture. (d) A schematic representation of Janus-ZrO2 particles dispersion

Fig. 8. Foam and foaming agent properties: (a) Sedimentation distance, (b) drainage, (c) density and foaming multiple and (d) the surface tension and liquid density of different foaming agents.

Fig. 9. Microstructures of the foams (t = 0): (a) M0, (b) MZ-5, (c) MOZ-5, (d) MJZ-1, (e) MJZ-3,

Fig. 10. Schematic diagram of the foam stabilization mechanisms of Janus-ZrO2 particles: (a) Without ZrO2, (b) Janus-ZrO2 particles at a low concentration, (c) Janus-ZrO2 particles at a high concentration and (d) local amplification diagram.

Fig. 11. (a) Schematic diagram, (b) statistical of result, and (c) optical photos of the stability test of foamed concrete samples.

Fig. 12. Water absorption results of foamed concrete specimens with the various foaming agents.

Fig. 13. Images of foamed concrete pores after binarization: (a) FC0, (b) FCZ-5, (c) FCOZ-5, (d) FCJZ-1, (e) FCJZ-3, and (f) FCJZ-5.

Fig. 14. Pore size characteristics of different samples: (a) macroscopic pore size cumulative distribution and (b) percentage of different pore sizes.

Fig. 15. Pore characteristics of different samples: (a) cumulative pore volume against pore diameter and (b) differential intrusion volume against pore diameter (dV/dlogD).

Fig. 16. (a) Compressive strength, (b) flexural strength, and (c) comparison of the compressive strength of foamed concrete prepared with 5 wt% Janus-ZrO2 particles modified foaming agent and previous studies.

Fig. 17. SEM images of the foamed concrete specimens: (a) FC0 and (b) FCJZ-5.

Fig. 18. XRD patterns of foamed concrete specimens with various foaming agents.

Fig. 19. (a) The thermal conductivity of foamed concrete prepared with different foaming agents and (b) comparison of the thermal conductivity of foamed concrete prepared with 5 wt% Janus-ZrO2 particles modified foaming agent and previous studies.

Fig. 20. Temperature distribution of (a) the center YZ plane, (b) the top xy plane inside the box, (c) inner wall, (d) outer wall and (e) outer surface of the box. (f) Comparison of numerical simulation and experimental inner and outer wall center point temperature.

Fig. 21. Infrared images of foamed concretes prepared with the various foaming agents: (a) FC0, (b) FCZ-5, (c) FCOZ-5, (d) FCJZ-1, (e) FCJZ-3, and (f) FCJZ-5.

Fig. 22. Fire resistance test of the FCJZ-5 foamed concrete.

Fig. 23. The fabrication and mechanism of the super-stable foam.

1、OA与ZrO2表面之间形成稳定的化学键，增强了Janus颗粒的疏水性。具有两亲性特性的Janus-ZrO2颗粒显示出82.83°的接触角，从而在煤油-水界面上实现稳定分散。

2、Janus-ZrO2颗粒的最佳浓度为5wt%，此时泡沫最稳定且发泡倍数最高。Janus-ZrO2颗粒、HPMC、SiO2和SDS之间的相互作用导致在气液界面上形成多层固体纳米颗粒保护层。此外，Janus-ZrO2颗粒和SiO2集中在普拉特边界，防止泡沫排水。这些因素共同促进了超稳定泡沫的形成。

3、对比分析表明，采用含有5wt% Janus-ZrO2颗粒的发泡剂制备的泡沫混凝土性能优于其他泡沫混凝土。与对照样品相比，吸水率和导热率分别降低了51.9%和22.9%，而抗压强度和抗弯强度分别提高了59.4%和62.5%。此外，所得到的泡沫混凝土表现出优异的均匀性、防火性和致密的微观结构。其主要原因在于超稳定泡沫能够优化孔隙分布，产生均匀且小尺寸的闭合孔，从而提高了泡沫混凝土的整体性能。

引自：Qi X ,Bao Y ,Wang W , et al.Superior performance foamed concrete fabricated with amphiphilic and hydrophilic particles stabilized ultra-stable foam[J].Cement and Concrete Composites,2024,152105613.