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(diǎn)、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(qiáng)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(diǎn)的材料。我國的專家、學(xué)者對泡沫混凝土進(jìn)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(kuò)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(qiáng)的性能特點(diǎn)，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(bǔ)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(hù)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(diǎn)，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(yàn)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(yán)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(xì)孔分布得愈均勻、尺寸愈小，則泡沫混凝土強(qiáng)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◤?qiáng)度和其他物理性能的多孔材料[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(shí)，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(qiáng)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(dá)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(jì)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(xì)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(jī)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(qiáng)，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(diǎn)[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(biāo)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(qiáng)度不高。日本、意大利進(jìn)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?yàn)橐耗ぶ械囊后w受重力作用或膜中各點(diǎn)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(qiáng)、微膨脹、低干縮等特點(diǎn)，用于泡沫混凝土能使其迅速凝結(jié)，降低泡沫破裂機(jī)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(qiáng)等缺點(diǎn)，為彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)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(qiáng)、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(qiáng)度；添加有機(jī)聚合物，可提高強(qiáng)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(qiáng)強(qiáng)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(shí)、預(yù)養(yǎng)護(hù)、脫模、養(yǎng)護(hù)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(shí)驗(yàn)表明，隨著水化時間的延長，泡沫混凝土強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度偏低：泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度嚴(yán)重偏低，既不利于其工程應(yīng)用，而且給制品的運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)度的大幅度降低。由于泡沫混凝土中的孔隙率一般高達(dá)50-70%，因此，泡沫混凝土的強(qiáng)度大大低于普通混凝土的強(qiáng)度。與普通混凝土一樣，泡沫混凝土的強(qiáng)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(hù)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(qiáng)度。

　　1）配合比的影響。如單獨(dú)使用水泥制備泡沫混凝土，則隨所用水泥強(qiáng)度等級的提高，泡沫混凝土的強(qiáng)度越大。但實(shí)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(qiáng)度降低，但對后期強(qiáng)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(qiáng)度的損失。當(dāng)使用沙子作為細(xì)集料時，一般也不會引起泡沫混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度的降低。但是，大量的實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)水灰比在一定范圍內(nèi)增加時，強(qiáng)度不僅不會降低，反而有提高的趨勢。這是因?yàn)榕菽炷恋闹苽溆幸粋€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(qiáng)度的泡沫混凝土。

　　3)養(yǎng)護(hù)條件的影響。養(yǎng)護(hù)條件對泡沫混凝土的強(qiáng)度及強(qiáng)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(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)，防止水分蒸發(fā)過快而導(dǎo)致的強(qiáng)度降低和開裂等，當(dāng)養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度有一定的負(fù)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(qiáng)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(qiáng)度降低，可減小降低的幅度，但是也會使最終強(qiáng)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(qiáng)度的技術(shù)途徑主要有一下幾點(diǎn)：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(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)。

　　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(hù)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(qiáng)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(bǔ)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(xì)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(qiáng)度的降低。

　　3)水灰比和養(yǎng)護(hù)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(dá)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(hù)時，這種情況尤為嚴(yán)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(hù)，加強(qiáng)保水措施。

　　3. 結(jié)語

　　我國正在大力推進(jìn)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(hù)、外加劑等主要環(huán)節(jié)層層把關(guān)，建立嚴(yán)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。

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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）