泡沫混凝土的研究及常見問題分析與對策

　　【關(guān)鍵詞】本文介紹了泡沫混凝土的研究現(xiàn)狀，包括泡沫混凝土的性能優(yōu)點、發(fā)泡劑的研究與應(yīng)用、生產(chǎn)工藝，指出了我國目前泡沫混凝土生產(chǎn)和使用過程中存在的問題，分析問題原因和施工操作上的影響因素，提出制備優(yōu)質(zhì)泡沫混凝土的可能途徑。

　　【摘要】泡沫混凝土；強度；收縮

　　0  引言

　　近年來，隨著我國墻體材料的改革與建筑節(jié)能政策的推行，節(jié)能型材料的開發(fā)和應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注，泡沫混凝土是一種具有節(jié)能、利廢、保溫、輕質(zhì)、隔熱等性能特點的材料。我國的專家、學(xué)者對泡沫混凝土進行了深入的研究和開發(fā)，其種類和應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴大。

　　目前我國南方地區(qū)利用泡沫混凝土砌塊隔熱、輕質(zhì)高強的性能特點，將其作為框架結(jié)構(gòu)的填充墻，北方地區(qū)則主要用于墻體保溫和管道保溫等。此外，現(xiàn)澆泡沫混凝土用于屋面保溫層施工、地基補償?shù)葢?yīng)用也在不斷發(fā)展[1]。

　　泡沫混凝土通常是將發(fā)泡劑溶液以物理攪拌的方法制成泡沫，將泡沫加入到鈣、硅制材料、水、外加劑等組成的料漿當(dāng)中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、養(yǎng)護而成的一種內(nèi)部含有大量封閉氣孔的混凝土[2]，這種混凝土由于輕質(zhì)多孔，具有良好的物理性能。

　　由于泡沫混凝土在性能上的優(yōu)點，其應(yīng)用廣泛，國際上有許多既擁有完善的配套設(shè)備，又擁有完整的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的專門承攬泡沫混凝土施工工程的大公司。相比之下，國內(nèi)的公司還并不成熟，嚴重影響了泡沫混凝土質(zhì)量及應(yīng)用。

　　1. 泡沫混凝土的研究現(xiàn)狀

　　泡沫混凝土是多孔混凝土的一種。將發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫加入到含硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、水及各種外加劑等組成的料漿中攪拌，硬質(zhì)顆粒粘附到泡沫外殼，使其變成互相隔開的單個氣泡，混合料中的細孔分布得愈均勻、尺寸愈小，則泡沫混凝土強度愈高。在常溫下多孔混合料稠化凝結(jié)形成坯體，或在蒸壓、蒸養(yǎng)下硅質(zhì)、鈣質(zhì)材料產(chǎn)生水熱反應(yīng)，形成膠凝物質(zhì)，逐漸變?yōu)榫哂幸欢◤姸群推渌锢硇阅艿亩嗫撞牧蟍2]。

　　1.1 泡沫混凝土的特性

　　泡沫混凝土是一種輕質(zhì)、保溫、隔熱耐火、隔音的混凝土材料，料漿可以自流平、自密實，施工和易性好，便于泵送及整平，與所有其它建材幾乎都有較好的相容性，且強度可調(diào)整[3]。顯著性能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　1） 輕質(zhì)。泡沫混凝土的密度小，密度等級一般為300~1800kg/m3，常用泡沫混凝土的密度等級為300~1200kg/m3，近年來，密度為160 kg/m3 的超輕泡沫混凝土也在建筑工程中獲得了應(yīng)用。由于泡沫混凝土的密度小， 在建筑物的內(nèi)外墻體、層面、樓面、立柱等建筑結(jié)構(gòu)中采用該種材料，一般可使建筑物自重降低25%左右，有些可達結(jié)構(gòu)物總重的30%~40%。因此，在建筑工程中采用泡沫混凝土具有顯著的經(jīng)濟效益。

　　2）保溫隔熱性能好。由于泡沫混凝土中含有大量封閉的細小孔隙，因此具有良好的熱工性能，即良好的保溫隔熱性能，這是普通混凝土所不具備的。通常密度等級在300~1200kg/m3范圍的泡沫混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)在0.08~0.30w/ (m·K)之間。采用泡沫混凝土作為建筑物墻體及屋面材料，具有良好的節(jié)能效果。

　　3） 隔音性能好。泡沫混凝土屬多孔材料，因此它也是一種良好的隔音材料，在建筑物的樓層和高速公路的隔音板、地下建筑物的頂層等可采用該材料作為隔音層。

　　4）防火性能好。泡沫混凝土是無機材料，不會燃燒，從而具有良好的耐火性，在建筑物上使用，可提高建筑物的防火性能。

　　5）其他性能。泡沫混凝土還具有施工過程中可泵性好，防水能力強，沖擊能量吸收性能好，可大量利用工業(yè)廢渣，價格低廉等優(yōu)點[4]。

　　1.2 發(fā)泡劑的研究與應(yīng)用

　　泡沫劑質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到泡沫混凝土的之類。發(fā)泡劑生成泡沫的質(zhì)量以堅韌性、發(fā)泡倍數(shù)、泌水量等指標來衡量。泡沫的堅韌性就是泡沫在空氣中在規(guī)定時間內(nèi)不破壞的特質(zhì)，常以泡沫柱在單位時間內(nèi)的沉陷距離來確定；發(fā)泡倍數(shù)是泡沫體積大于發(fā)泡劑溶液體積的倍數(shù)；泌水量是指泡沫破壞后所產(chǎn)生發(fā)泡劑溶液的體積[5]。

　　泡沫劑多為陰離子表面活性劑。目前，國內(nèi)泡沫劑的品種主要有: 松香膠泡沫劑、廢動物毛泡沫劑、樹脂皂類泡沫劑、水解血膠泡沫劑、石油硫酸鋁泡沫劑等。泡沫劑總體上說不夠理想，如質(zhì)量偏低、功能偏少，盡管有些發(fā)泡倍數(shù)夠大，但穩(wěn)定性差、制品強度不高。日本、意大利進口的泡沫劑多為蛋白質(zhì)類，質(zhì)量好。我國也有以動物蛋白質(zhì)為主要原料的泡沫劑，其發(fā)泡倍數(shù)及穩(wěn)定性較好，但因原料來源有限，生產(chǎn)成本高，因此開發(fā)與應(yīng)用受到制約。表1[2]比較了幾種發(fā)泡劑的性能。

表1 常見發(fā)泡劑的性能

　　泡沫本身不穩(wěn)定，會很快發(fā)生衰變。泡沫破壞主要是因為液膜中的液體受重力作用或膜中各點的壓力不同，不斷排液使得膜壁變薄而破裂。穩(wěn)泡劑的作用是增大液膜粘度，阻礙液體的流動。穩(wěn)泡劑一般為膠類物質(zhì)，常用的穩(wěn)泡劑是高分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、皂角甙、淀粉、阿拉伯膠、瓊膠及合成高分子物質(zhì)等[3]。

　　1.3 膠凝材料

　　泡沫混凝土是一種大水灰比的流態(tài)混凝土，普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥、火山灰質(zhì)復(fù)合膠凝材料等均可作為泡沫混凝土的膠凝材料，但是采用普通硅酸鹽水泥時，干縮較大，而因其他兩種水泥具有早強、微膨脹、低干縮等特點，用于泡沫混凝土能使其迅速凝結(jié)，降低泡沫破裂機會，提高泡沫混凝土性能。?；鹕交屹|(zhì)膠凝材料也具有高水化、低干縮等特性，適合用于配置泡沫混凝土。

　　1.4 外加劑

　　泡沫混凝土具有干縮大、吸濕性強等缺點，為彌補這些缺點應(yīng)對其添加復(fù)合外加劑。復(fù)合外加劑應(yīng)與膠凝材料相匹配，具有早強、減水、促凝等功能，如摻加膨脹劑，可減少收縮裂縫；摻加纖維材料，可提高抗拉強度；添加有機聚合物，可提高強度和降低吸水性；摻加適量的骨料可減小收縮；摻加粉煤灰和一些激發(fā)劑可加強強度發(fā)展。

　　1.5生產(chǎn)工藝

　　泡沫混凝土生產(chǎn)流程基本上是先將水泥、摻合料、集料、復(fù)合外加劑和水分別計量、攪拌混合，加入制得的泡沫溶液內(nèi)繼續(xù)攪拌均勻，再注模、低幅震動密實、預(yù)養(yǎng)護、脫模、養(yǎng)護得到成品[7]。

　　當(dāng)采用普通硅酸鹽水泥時，攪拌時間的長短對泡沫混凝土的影響很大。實驗表明，隨著水化時間的延長，泡沫混凝土強度呈上升趨勢，密度呈下降趨勢，軟化系數(shù)呈上升趨勢，氣孔變化率不大[8]。

　　2. 泡沫混凝土存在的問題及改善途徑

　　泡沫混凝土的性能受許多因素的影響，而且在我國迄今為止還沒有建立完善的泡沫混凝土施工規(guī)范，因此，造成實際施工中，由于用料、施工方法和管理等方面的因素，使配制的泡沫混凝土往往不盡人意，尤其是在使用性能上表現(xiàn)出一些不足：

　　1）強度偏低：泡沫混凝土的抗壓強度嚴重偏低，既不利于其工程應(yīng)用，而且給制品的運輸增加了難度；

　　2）開裂：硬化泡沫混凝土表面開裂，導(dǎo)致吸收大量外來水分。

　　2.1影響泡沫混凝土強度的因素

　　泡沫混凝土中氣孔的引入一方面是賦予其輕質(zhì)、隔音、保溫、高流動性等性能，但從結(jié)構(gòu)和力學(xué)的角度看，同時也引入了大量的缺陷，從而導(dǎo)致硬化泡沫混凝土強度的大幅度降低。由于泡沫混凝土中的孔隙率一般高達50-70%，因此，泡沫混凝土的強度大大低于普通混凝土的強度。與普通混凝土一樣，泡沫混凝土的強度并不是一個固定的數(shù)值，不同的膠凝材料種類、水泥用量、混凝土配合比、水灰比、泡沫用量、發(fā)泡劑、養(yǎng)護制度以及其它外加劑的采用與否等都影響泡沫混凝土的強度。

　　1）配合比的影響。如單獨使用水泥制備泡沫混凝土，則隨所用水泥強度等級的提高，泡沫混凝土的強度越大。但實際施工中往往要同時加入摻合料，如粉煤灰、硅灰、礦渣，和沙子?；旌喜牡募尤霑?dǎo)致泡沫混凝土的早期強度降低，但對后期強度影響不大，若同時引入激發(fā)劑，則也可在一定程度上緩解早期強度的損失。當(dāng)使用沙子作為細集料時，一般也不會引起泡沫混凝土的強度降低，反而對體積穩(wěn)定性及減小收縮十分有利。

　　2）水灰比的影響。如果僅從泡沫混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化分析，水灰比的提高必然會導(dǎo)致強度的降低。但是，大量的實驗證明，當(dāng)水灰比在一定范圍內(nèi)增加時，強度不僅不會降低，反而有提高的趨勢。這是因為泡沫混凝土的制備有一個泡沫的混合的過程，若需泡沫均與的分布于體系內(nèi)，就需要料漿具有良好的流動性，而較高的水灰比正是保證良好流動性的必要條件。但在低水灰比的條件下，采取適當(dāng)?shù)拇胧┮部梢员ＷC水泥漿具有良好的流動性，從而制得高強度的泡沫混凝土。

　　3)養(yǎng)護條件的影響。養(yǎng)護條件對泡沫混凝土的強度及強度發(fā)展均有重大影響。泡沫混凝土成型水灰比較大，故應(yīng)加強早期養(yǎng)護，防止水分蒸發(fā)過快而導(dǎo)致的強度降低和開裂等，當(dāng)養(yǎng)護溫度提高時，水泥的水化速度加快，泡沫混凝土早期發(fā)展迅速，但對后期強度有一定的負面影響。

　　4)外加劑的影響。泡沫混凝土中所涉及的外加劑主要有發(fā)泡劑、減水劑和摻合料的激發(fā)劑。發(fā)泡劑如上文所述對泡沫混凝土的影響較大，需選用對體系副作用小，發(fā)泡能力大，泡沫強度高的發(fā)泡劑；激發(fā)劑主要針對摻合料的加入會導(dǎo)致泡沫混凝土的早期強度降低，可減小降低的幅度，但是也會使最終強度有所降低；減水劑主要使得體系在較低水灰比之下也可將泡沫與料漿混合均勻。

　　由以上分析可以看出，提高泡沫混凝土強度的技術(shù)途徑主要有一下幾點：選擇適當(dāng)?shù)呐浜媳炔⒋_保低水灰比；采用優(yōu)質(zhì)發(fā)泡劑和高效減水劑制備泡沫混凝土；加強早期養(yǎng)護。

　　2.2影響泡沫混凝土收縮開裂的因素

　　泡沫混凝土當(dāng)早期養(yǎng)護不當(dāng)、保水措施不夠時，會因其內(nèi)部水分蒸發(fā)過快而導(dǎo)致體積收縮，從而引起表面開裂，開裂后的泡沫混凝土易吸水。吸水后的泡沫混凝土的強度及保溫隔熱性能明顯降低。

　　1)水泥用量和種類的影響。普通硅酸鹽水泥在水化硬化過程中固相體積是增加的，而水泥加水體系是收縮的。其次，水泥水化過程中還伴隨放熱，引起初始體積膨脹而冷卻時又收縮，導(dǎo)致表觀收縮量增大。另外，水泥水化過程中還存在自收縮現(xiàn)象。所以，一般情況下如果其它條件基本相同，水泥用量增加，泡沫混凝土的收縮也會相應(yīng)增大。并不是所有的水泥水化時都是收縮的，如膨脹水泥，其水化后體積不但不收縮，反倒有所增加，可以在一定程度上彌補體系的體積收縮。但是膨脹水泥也會影響泡沫混凝土的其他一些性能。

　　2)集料的影響。摻加體積不變的集料可有效的減少混凝土的收縮，但是在泡沫混凝土中只能摻加細集料。不過由于集料是惰性物質(zhì)，過多的摻入會導(dǎo)致混凝土強度的降低。

　　3)水灰比和養(yǎng)護條件的影響。如上文所述水分的蒸發(fā)對泡沫混凝土的開裂有著直接的影響。泡沫混凝土的水灰比往往高達0.7甚至0.8，多余的水分當(dāng)遇高溫或干燥環(huán)境時就會蒸發(fā)逸出，從而使得泡沫混凝土收縮開裂。尤其在成型的早期，當(dāng)缺乏有效養(yǎng)護時，這種情況尤為嚴重。由此可見，低水灰比是保證泡沫混凝土不開裂的一個關(guān)鍵因素。

　　由以上分析可見，防止泡沫混凝土收縮開裂從而引發(fā)大的吸水性的主要技術(shù)措施有：選用適當(dāng)?shù)乃嗥贩N及用量；成型時采用低水灰比；優(yōu)化養(yǎng)護，加強保水措施。

　　3. 結(jié)語

　　我國正在大力推進符合生態(tài)節(jié)能、資源利用的建筑材料的研究和開發(fā)，泡沫混凝土由于其良好的性能使得其應(yīng)用前景廣泛。目前我國在泡沫混凝土的制備和施工過程中存在一定的問題，但是只要對用料、配合比、水灰比、早期養(yǎng)護、外加劑等主要環(huán)節(jié)層層把關(guān)，建立嚴格的施工程序，制定合理的質(zhì)量控制方案，即可制備出高質(zhì)量的泡沫混凝土。

　　參考文獻

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　　【作者簡介】段策，女，工學(xué)碩士，就職于建筑材料工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究中心,主要研究方向：水泥基材料、泡沫混凝土、干混砂漿等，擬任中國混凝土與水泥制品協(xié)會泡沫混凝土分會副秘書長。

作者:段策¹  李應(yīng)權(quán)¹  扈士凱¹  羅寧²（1建筑材料工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究中心，2北京中建國信科技開發(fā)中心）