泡沫參數(shù)對泡沫混凝土性能的影響研究

　　【關(guān)鍵詞】本文對泡沫容重、泡沫摻量、泡沫孔徑分布等因素對泡沫混凝土性能的影響進行了研究。結(jié)果表明:泡沫容重對泡沫混凝土的強度等性能有顯著影響。本文認(rèn)為泡沫容重在70-90g/l時最為合適；隨著泡沫摻量的提高，泡沫混凝土的干表觀密度及強度逐步降低；泡沫孔徑分布不均勻，對泡沫混凝土的力學(xué)性能有負(fù)面影響。

　　【摘要】泡沫 泡沫混凝土 泡沫容重

　　1 引言

　　泡沫混凝土是由預(yù)制出的泡沫與水泥（砂）漿均勻混合、硬化而成的一種多孔材料，具有輕質(zhì)、保溫隔熱、低彈性模量、大流動度等特點，在屋面、地暖以及回填工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在影響泡沫混凝土性能的諸多因素中，泡沫自身的性能起著很大的作用，相同的配合比，使用不同的泡沫便會得到性能差別很大的泡沫混凝土材料。本文就泡沫容重、泡沫摻量、泡沫孔徑分布等泡沫參數(shù)對泡沫混凝土性能的影響進行了論述。

　　2  實驗原材料及方法

　　2.1  主要原材料

　　硫鋁酸鹽水泥：北京中巖特種工程材料公司；

　　HJ-1高性能泡沫劑：北京中建國信科技開發(fā)中心出品；

　　專用減水劑：北京中建國信科技開發(fā)中心出品。

　　2.2  試驗方法

　　用SP-Ⅱ新型發(fā)泡機將發(fā)泡液制成泡沫，按一定比例將泡沫與攪拌好的水泥凈漿混合均勻后，注入鋼制試模，24小時拆模后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期，測試方法參照J(rèn)C/T1062-2007泡沫混凝土砌塊標(biāo)準(zhǔn)。

　　3  實驗結(jié)果及分析

　　3.1  泡沫制備及評價參數(shù)

　　目前可以通過兩種方式來制得泡沫。一種是高速攪拌法發(fā)泡，即將發(fā)泡劑溶液倒入高速攪拌機中，然后用攪拌機的葉片高速攪拌發(fā)泡劑溶液制取泡沫。這種方法存在的缺點是泡沫直徑不均一，攪拌機內(nèi)泡沫容重不均一，而且發(fā)泡倍數(shù)低。另一種方法是壓縮空氣法制泡，這種發(fā)泡工藝的壓縮空氣發(fā)泡設(shè)備與高速攪拌機相比較為復(fù)雜，但綜合性能更好。即利用空氣壓縮機將發(fā)泡劑溶液和壓縮空氣在混合室內(nèi)進行混合，然后在壓縮空氣的作用下，穿過一個特制的發(fā)泡管制成泡沫，發(fā)泡管內(nèi)有的采用磁片，有的采用玻璃球，有的采用銅網(wǎng)篩。該方法發(fā)泡效率比較高，制出的泡徑均一，容重均勻，而且可以將泡沫直接吹入攪拌好的水泥漿中，減少了中間環(huán)節(jié)，更好地防止中間環(huán)節(jié)導(dǎo)致的泡沫破滅。

圖1 兩種制泡方式(左圖為高速攪拌發(fā)泡，右圖為壓縮空氣發(fā)泡)

　　泡沫性能的評價參數(shù)，一般包括發(fā)泡倍數(shù)、半消時間、泌水量等，本研究在制備水泥泡沫材料時一般將泡沫容重作為評價泡沫質(zhì)量的主要指標(biāo)，一方面是由于泡沫容重測量更為方便直觀；另一方面泡沫容重幾乎可以直接或間接反映所有泡沫質(zhì)量指標(biāo)：①由泡沫容重、發(fā)泡液的總質(zhì)量可以計算出泡沫體積，進而得出發(fā)泡倍數(shù)；②泡沫容重可以反映泡沫直徑的大小，一般泡沫泡徑大時，制得的泡沫體積必然要大，表現(xiàn)為泡沫容重較小，反之，如果制得的泡沫容重較大，則證明單位體積的含氣量較小，排除含有未成泡的發(fā)泡液之外，一般表現(xiàn)為泡徑的變小。③泡沫容重可以反映泡沫的穩(wěn)定性。制出泡沫后，可以每隔一段時間測試一次泡沫容重的大小，由此可以畫出泡沫容重的經(jīng)時變化曲線，泡沫容重變化較小則可反映出泡沫的泡徑、水分含量變化較小，說明泡沫比較穩(wěn)定；反之，如果泡沫不穩(wěn)定，則一定表現(xiàn)為泡徑變大，水分泌出，這種情況下泡沫容重必然是變小的。為試驗操作方便我們將泡沫容重作為評價泡沫性能的基本指標(biāo)。

　　3.2  泡沫容重對材料性能的影響

　　影響泡沫容重的因素很多。本研究用發(fā)泡機制泡，影響泡沫容重的首要因素就是壓縮空氣的氣壓，氣壓越大則發(fā)泡效率越高，發(fā)泡液變?yōu)榕菽匠浞?，因此泡沫容重就越輕，反之則泡沫中含有未成泡的發(fā)泡液，容重就較大；再者泡沫容重還和發(fā)泡液的濃度有關(guān)，粘度較大的發(fā)泡液生成的泡沫泡壁較厚，容重稍大。但是，相對來說，起主要作用的還是氣壓，濃度所起的作用不如氣壓那么明顯。另外，影響泡沫容重的還有溫度，發(fā)泡液溫度較高時，泡沫泡徑大，容重較輕。最后，泡沫是一種不穩(wěn)定的氣-液兩相體系，當(dāng)泡沫制備完畢后，組成泡膜的發(fā)泡液在重力和表面張力等因素作用下，會向下運動，即所謂的排液現(xiàn)象，泡壁逐漸變薄，因此泡沫容重隨著時間的推移也會逐漸變小。以上所有這些因素都會對泡沫容重產(chǎn)生影響，下面我們由發(fā)泡液溫度這一因素為例來制得不同容重的泡沫，研究不同泡沫容重對泡沫混凝土性能的影響。

表1 發(fā)泡液溫度通過泡沫容重的變化對材料的影響

　　由圖2可知，隨著發(fā)泡液溫度的升高，泡沫容重急劇下降，主要是因為溫度高時，熱空氣的高能狀態(tài)造成泡沫的直徑變大，泡沫體積變大，表現(xiàn)為發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)變大，因此相同體積的情況下，質(zhì)量大幅減少。雖然發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)得到了提高，但是泡沫穩(wěn)定性卻隨溫度升高而下降。高溫時，泡沫的破滅由泡沫柱頂端開始，泡沫體積隨時間增長呈規(guī)律性減小。這是由于在最上面的液膜上側(cè)，總是向上凸的，這種彎曲膜對蒸發(fā)作用很敏感，溫度越高蒸發(fā)越快，膜變薄到一定厚度時就破裂了[1]，因此大多數(shù)泡沫在高溫下是不穩(wěn)定的。

　　如圖3，摻入相同體積的泡沫，泡沫容重越小制得的泡沫材料的干表觀密度越大，這說明容重輕的泡沫，由于泡徑較大，在與相同的水泥漿混合時更容易破裂，造成泡沫體積的損失，使得混入水泥凈漿的有效泡沫體積減少，最后得到的材料變重。

　　泡沫容重對材料抗壓強度的影響較為復(fù)雜，一般在其它條件不變的情況下，水泥泡沫材料的強度隨材料的干表觀密度的減小而降低，由圖4可知，本試驗制得的材料在干表觀密度相差較大的情況下也符合這樣的規(guī)律，由于低容重的泡沫在混入水泥漿時體積損失較大，造成材料干表觀密度增大，強度也較高。然而，水泥泡沫材料的強度還和孔徑大小、分布等有關(guān)。因此，在干表觀密度相差不是很大的情況下，雖然由容重75.9g/l的泡沫制得的水泥泡沫材料的干表觀密度低于由容重54.8g/l的泡沫制得的材料，但是由于高容重的泡沫泡徑較小、泡壁較厚，制得的泡沫材料孔徑小、孔徑分布較均勻，造成稍低容重的水泥泡沫材料強度較高，即在高性能泡沫等因素下，低容重的泡沫混凝土的強度可以大于高容重的泡沫混凝土強度。

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　　其它影響泡沫容重的因素如：發(fā)泡液濃度、時間、壓縮空氣氣壓等對水泥泡沫材料性能的影響規(guī)律與溫度類似，他們均是通過影響泡沫容重、泡徑分布等泡沫性能來影響水泥泡沫材料的性能。

　　值得注意的是，并不是容重越高的泡沫越適合制備水泥泡沫材料，因為當(dāng)泡沫容重大到一定程度時，其表現(xiàn)形式是泡沫中包裹著大量未成泡的發(fā)泡液，比如用攪拌方式制得的泡沫容重有時達(dá)到200g/l，這其中就含有大量的發(fā)泡液，放置一定時間后，在重力作用發(fā)泡液向下運動，不斷泌出，一方面影響泡沫穩(wěn)定性，另一方面由于總水膠比過大，會降低材料強度。比較理想的泡沫應(yīng)該是發(fā)泡液充分生成泡沫，不含自由液體，泡徑均勻、細(xì)小，這樣的泡沫最適合用來制備水泥泡沫材料。

圖5 不同泡沫容重制得的泡沫材料孔徑對比

　　3.3  泡沫摻量對材料性能的影響

　　加入不同數(shù)量的泡沫就可以制得不同容重級別水泥泡沫材料，材料的性能也會隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，下面我們通過固定采用相同的水泥凈漿，然后向其摻入同條件下制得的不同摻量的泡沫，得到的不同容重的材料的基本性能見表2。

表2 泡沫摻量對材料基本性能的影響

　　圖6是泡沫摻量對材料28天抗壓強度的影響，由于泡沫摻量逐漸增加，一方面引入了大量氣孔，另一方面泡沫中含有大量的水份和一定量的表面活性劑，這兩方面因素造成了材料強度的急劇下降。而在圖7干表觀密度與抗壓強度的關(guān)系中，也反映出了這兩方面的影響，所以當(dāng)材料干表觀密度較小時，強度增加相對緩慢，而干表觀密度大到一定值時，強度則急劇增加。

　　泡沫摻量對泡沫料漿的流動性也有很大的影響，由于本研究用發(fā)泡機發(fā)泡，因此泡沫中幾乎不含自由水，泡沫自身毫無流動性。隨著泡沫摻量的增多，泡沫料漿的流動性顯著降低，甚至逐漸失去流動性。一方面是由于摻入大量泡沫后，泡沫料漿的自身質(zhì)量明顯變輕，所受到的重力減小，料漿的流動主要就是在重力的驅(qū)動下完成的；另一方面泡沫混入水泥漿后，自身的結(jié)構(gòu)和粘性起到了阻礙料漿運動的效果[2]；再加上在這一泡沫起主要作用的體系中，泡沫質(zhì)量極輕，可以相互支撐，因此造成泡沫料漿的流動性大幅下降。

　　3.4  泡沫孔徑分布對材料的影響

　　泡沫孔徑分布對泡沫混凝土材料的強度有很大的影響，有文獻對破型后的泡沫混凝土材料進行過研究，通過對材料斷面拍照，分析受壓破型時裂紋的分布情況[3]，發(fā)現(xiàn)材料破壞時裂紋均穿過較大的孔，說明孔徑分布不均嚴(yán)重影響材料的抗壓強度，而局部的大孔則成為材料的最薄弱環(huán)節(jié)，因為材料受壓時應(yīng)力均向大孔處集中，首先在此產(chǎn)生微裂紋，并聯(lián)向其它孔徑較大的部位，隨著裂紋的擴展，最終導(dǎo)致試件破壞。所以，要提高材料的強度，就必須要控制材料泡孔的均勻性和泡孔的的大小，這就要求制備的泡沫的泡徑要微小、均勻、封閉。

　　4  結(jié)語

　　泡沫自身參數(shù)對泡沫混凝土材料的性能影響很大，主要體現(xiàn)在以下幾點：

　　（1）泡沫容重可以用來表征泡沫泡徑大小、發(fā)泡倍數(shù)、泡沫穩(wěn)定性等泡沫自身的性能，其對泡沫混凝土材料性能有很大的影響，通過實驗認(rèn)為泡沫容重在70-90g/l時最為合適；

　?。?）隨著泡沫摻量的提高，泡沫混凝土的干表觀密度及強度逐步降低；

　　（3）泡沫孔徑分布不均勻，對泡沫混凝土的力學(xué)性能有負(fù)面影響，要制備高性能的泡沫混凝土，就需要摻入泡徑均勻、細(xì)小的泡沫。

　　參考文獻

　　[1] 王翠花,潘志華.蛋白質(zhì)類發(fā)泡劑的合成及其泡沫穩(wěn)定性.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報[J].2006,28(4):92～96.

　　[2] E.K.Kunhanandan Nambiar,K..Ramamurthy, M.Asce.Fresh state characteristics of foam concrete.Journal of materials in civil engineering[J].2008,20(2):111～117.

　　[3] D. Meyer, H-K. Man, J.G.M. van Mier,Fracture of Foamed Cementitious Materials: A Combined Experimental and Numerical Stucy, InAbstract book IUTAM Symposium on ‘Mechanical Properties of Cellular Materials’,LMT-Cachan, September 17～21, 2007.

　　【作者簡介】扈士凱，男，（1982-），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：泡沫混凝土材料及發(fā)泡劑、墻體保溫材料、混凝土外加劑、特種工程材料等。