泡沫混凝土及其應(yīng)用進(jìn)展★

揣 丹 劉開平

(長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710061)

0 引言

泡沫混凝土是將泡沫劑制成的泡沫加入到含硅鈣質(zhì)材料、水及外加劑組成的料漿中，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而形成的含大量封閉氣孔的輕質(zhì)建筑材料。我國泡沫混凝土發(fā)展的第1個(gè)高潮期為20世紀(jì)50年代初期，由前蘇聯(lián)把泡沫混凝土的理念和技術(shù)傳到中國;第2個(gè)高潮期是在21世紀(jì)之后，由于泡沫混凝土適應(yīng)了建筑節(jié)能的需求，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，到2010年年產(chǎn)量已超過700萬m3，而且其現(xiàn)澆保溫層面積超過1億m2。除保溫的功能外，泡沫混凝土的其他優(yōu)良性能也逐漸被認(rèn)識(shí)，譬如吸能、吸收電磁波、隔聲、吸聲、抗震、抗爆、耐火、抗沖擊防護(hù)、漂浮承載、保水、抗?jié)B抗潮、透水過濾、綠化等等。這些功能的發(fā)現(xiàn)，使它倍受各行業(yè)的關(guān)注。從未來建筑節(jié)能保溫趨勢(shì)來看，泡沫混凝土極有可能成為用量最大的建筑保溫材料之一。

1 泡沫混凝土與普通混凝土及有機(jī)泡沫保溫材料的性能比較

泡沫混凝土相較于普通混凝土而言，結(jié)構(gòu)及組成上的最大不同點(diǎn)是:泡沫混凝土內(nèi)部含有大量封閉氣孔，且成分中沒有使用砂等粗集料，這就決定了泡沫混凝土與普通混凝土性能上的不同。泡沫混凝土性能上的突出優(yōu)勢(shì)是可以作為建筑保溫材料，導(dǎo)熱系數(shù)低，且密度小。

目前外墻保溫材料主要是以聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫為主的有機(jī)泡沫保溫材料，其具有易燃性，且轟然性強(qiáng)，火勢(shì)兇猛，產(chǎn)生煙毒。煙毒是造成人員死亡的重要因素。相較于有機(jī)保溫材料——聚苯乙烯泡沫板，泡沫混凝土的突出優(yōu)勢(shì)為強(qiáng)度高，耐久性好，可與建筑物同壽命，且綠色環(huán)保、施工工藝簡單。從目前的發(fā)展趨勢(shì)來看，泡沫混凝土可作為有機(jī)泡沫保溫材料的取代品。表1為泡沫混凝土與普通混凝土及傳統(tǒng)保溫材料聚苯乙烯泡沫板的性能對(duì)比情況［2，3］。

2 泡沫混凝土與加氣混凝土的性能比較

泡沫混凝土與加氣混凝土均為優(yōu)質(zhì)的新型墻體保溫材料，二者的共同點(diǎn)是內(nèi)部都具有大量細(xì)小、封閉并且分布均勻的氣孔。泡沫混凝土相較于加氣混凝土的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在工藝方面，泡沫混凝土不用經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護(hù)，節(jié)約成本，而且可以現(xiàn)場澆筑。除此之外，其還具有強(qiáng)度離散性小、殘余強(qiáng)度高、隔音效果好等優(yōu)良特點(diǎn)。

表2為泡沫混凝土與加氣混凝土性能指標(biāo)的對(duì)比情況。

3 泡沫混凝土的應(yīng)用進(jìn)展

在國外，美國、英國、加拿大等歐美國家以及日本等亞洲國家已用泡沫混凝土修建運(yùn)動(dòng)場和田徑跑道，修筑擋土墻，制作屋面坡板、復(fù)合墻板，除此之外，還用于混凝土填層、管線回填等方面。在國內(nèi)，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展及國家節(jié)能減排政策的進(jìn)一步深化，泡沫混凝土的研究與應(yīng)用得到空前的發(fā)展機(jī)遇。近些年，我國泡沫混凝土的最新應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

表1 泡沫混凝土與普通混凝土及聚苯乙烯泡沫板的性能比較

表2 泡沫混凝土與加氣混凝土的性能比較［4］

3.1 泡沫混凝土制品

泡沫混凝土已應(yīng)用于屋面、墻體等保溫節(jié)能材料，其中泡沫混凝土砌塊應(yīng)用量較大。近些年，泡沫混凝土砌塊的實(shí)用新型層出不窮。于占泉［5］研制的一種空氣泡沫混凝土夾心雙孔砌塊，外壁及內(nèi)壁圍成兩個(gè)大小相等分布均勻的夾心腔，該腔內(nèi)添加無機(jī)保溫輕質(zhì)材料構(gòu)成芯層。

該砌塊產(chǎn)品性能指標(biāo)見表3。

這種空氣泡沫混凝土夾心雙孔砌塊的優(yōu)點(diǎn)在于可自行保溫，降低保溫造價(jià)，導(dǎo)熱系數(shù)低，保溫性優(yōu)異，且強(qiáng)度高，抗彎性能好，耐火，質(zhì)輕，節(jié)約工時(shí)，吸水率低，抗凍性好，抗菌抗腐蝕性好。

表3 空氣泡沫混凝土夾心雙孔砌塊性能指標(biāo)

3.2 泡沫混凝土填充回填材料

泡沫混凝土作為回填材料具有施工簡便、充實(shí)度高、速度快、綜合成本高等優(yōu)點(diǎn)，且能避免造成塌方等危害。近些年科研人員在充填材料和工藝方面做了很多努力，膠結(jié)填充已開始從低密度轉(zhuǎn)向高密度，繼而產(chǎn)生了膏體充填和似膏體充填等先進(jìn)工藝，但都或多或少存在一些問題，尾砂泡沫混凝土就是在這種情況下研發(fā)出的一種新型充填材料。

劉文波等［6］研制的尾砂泡沫混凝土，由于具有一定的柔性、可壓縮性大，具有一定的強(qiáng)度，可以在地下礦山工程中應(yīng)用。作為可縮性支護(hù)的墊層，保持支架承載均勻，減輕和緩和支架受力，并能有效釋放圍巖的初始彈性變形。除此之外，由此制成的泡沫混凝土砌塊，可用于巷道砌筑、承重墻體和通風(fēng)密閉墻、罐形墩柱等，均有良好的效果。

3.3 泡沫混凝土吸能材料

泡沫混凝土因其內(nèi)部多孔而形成無數(shù)的自由面，能量經(jīng)過這些自由面的反射，折射，疊加，不斷地衰減，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)免遭破壞，在民用和軍事上都有廣闊的應(yīng)用前景。隨著科技的發(fā)展，地下防護(hù)工程以及民防掩蔽工程，經(jīng)常會(huì)遭到各種爆炸沖擊的破壞。以往地下防護(hù)工程抗爆結(jié)構(gòu)主要以混凝土材料構(gòu)筑，增加結(jié)構(gòu)層的厚度成為提高防護(hù)能力的首選措施，但新興的復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)可以大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗爆能力。張景飛等［7］設(shè)計(jì)了混凝土—泡沫混凝土—混凝土三層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，通過對(duì)沖擊波穿過泡沫混凝土層后應(yīng)變、應(yīng)力的研究得出泡沫混凝土密度越低，吸能作用越明顯。

3.4 泡沫混凝土吸波材料

通信基站和電纜、高壓輸電線和輸電站及廣播電視發(fā)射臺(tái)等通信設(shè)備和電氣設(shè)備的電磁輻射會(huì)產(chǎn)生不同程度的電磁污染，可能會(huì)很大程度上影響到周圍居民的身體健康。水泥基復(fù)合吸波材料的應(yīng)用是解決民用建筑電磁輻射危害問題的有效途徑之一，其中低成本和功能多樣化則是建筑吸波材料應(yīng)用的關(guān)鍵之所在。賈興文等［8］利用導(dǎo)電石墨作吸波劑，將石墨摻加到泡沫混凝土中，石墨的逾滲閾值為水泥質(zhì)量的15%。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)泡劑用量增加，石墨泡沫混凝土反射率逐漸降低。厚度為30 mm時(shí)，泡沫混凝土吸波性能最佳。當(dāng)石墨摻量和發(fā)泡劑用量分別為水泥質(zhì)量的15%和2.5%時(shí)，反射率降低至 －15.64 dB，其中小于 －10.0 dB 的帶寬可達(dá) 3.0 GHz，并可以用泵送工藝施工，便于在建筑工程中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)建筑電磁輻射防護(hù)和建筑節(jié)能的目標(biāo)。

3.5 泡沫混凝土防火材料

近些年，由易燃可燃建筑外保溫材料而引發(fā)的火災(zāi)數(shù)量越來越多，且愈發(fā)嚴(yán)重，給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成很大的損失。根據(jù)消防局的不完全統(tǒng)計(jì)，2007年～2010年，造成嚴(yán)重后果的外保溫材料火災(zāi)就高達(dá)1 359起。

外墻保溫材料火災(zāi)具有引燃性強(qiáng)、易燃、快速立體火災(zāi)、控制難度大、火災(zāi)多集中在施工階段、投入使用建筑的危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)。作為保溫材料的泡沫混凝土的不燃性和低導(dǎo)熱系數(shù)，使其具有很好的防火性。A級(jí)防火泡沫混凝土保溫板已得到批量生產(chǎn)，該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為性能可靠，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)過程無需蒸養(yǎng)、蒸壓、高溫熔融等高耗能環(huán)節(jié)。用其取代有機(jī)外墻保溫材料——聚苯泡沫板，經(jīng)久耐用，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，施工性好，安全環(huán)保，可用作外墻保溫層、防火隔離帶等［9］。

張丕華［10］研制的建筑保溫防火板，包括中空板材和內(nèi)部填充無機(jī)泡沫混凝土芯材，在中空板材的外側(cè)表面上設(shè)有一裝飾層，在裝飾層上貼裝一層鋁膜，整個(gè)防火板具有較高的阻燃性能和耐熱性能，在建筑物外墻上提高了建筑物的防火等級(jí)。付秀新等［11］利用泡沫混凝土制作了防火型保險(xiǎn)柜，試件的干密度越低，內(nèi)部溫度越低，表明耐火隔熱性能越好，為泡沫混凝土的應(yīng)用開辟了新途徑。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，我國的泡沫混凝土研究和生產(chǎn)還存在不少問題亟待解決，如泡沫混凝土制品的整體技術(shù)水平還不高，廠家規(guī)模較小，在一定程度上阻礙了泡沫混凝土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;發(fā)泡劑雖種類繁多，但質(zhì)量良莠不齊，性能欠佳;大型生產(chǎn)設(shè)備缺乏，不易于大規(guī)模生產(chǎn);泡沫混凝土制品的收縮值較大，易導(dǎo)致構(gòu)筑體在使用過程中開裂;由于泡沫混凝土的多孔性，尤其當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)連通孔時(shí)，吸水率較高［12］等等。為進(jìn)一步在我國推廣泡沫混凝土的應(yīng)用，該領(lǐng)域的科研人員還需不斷地努力研制高效發(fā)泡劑及穩(wěn)泡劑，優(yōu)化工藝流程及設(shè)備，添加適當(dāng)外加劑，控制水灰比，摻加高分子聚合物等以優(yōu)化泡沫混凝土性能，提高泡沫混凝土的強(qiáng)度，降低泡沫混凝土的密度、收縮率及吸水率等。作為一種綠色環(huán)保的建筑節(jié)能保溫材料，泡沫混凝土已經(jīng)越來越多地應(yīng)用在建筑工程中。

今后幾年，將是泡沫混凝土飛速發(fā)展的時(shí)期。積極探索更好的技術(shù)，突破發(fā)展瓶頸，將會(huì)促使泡沫混凝土工業(yè)更加健康地向前發(fā)展。

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［5］于占泉.空氣泡沫混凝土夾心雙孔砌塊［P］.2011-08-17.

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［7］張景飛，馮明德，陳金剛.泡沫混凝土抗爆性能的試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2010(10):10-12.

［8］賈興文，張亞杰.石墨泡沫混凝土的吸波性能研究［J］.功能材料，2012，17(43):2397-2400.

［9］李應(yīng)權(quán)，徐洛屹.A級(jí)防火泡沫混凝土保溫板［J］.新型建筑材料，2012(2):69-71.

［10］張丕華.建筑防火保溫板［P］.2011-08-17.

［11］付秀新，潘志華，王冬冬.泡沫混凝土用作防火型保險(xiǎn)柜壁隔熱填充材料［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，31(3):106-110.

［12］劉小艷，王新瑞.泡沫混凝土的研究進(jìn)展及應(yīng)用［J］.混凝土，2012(6):34-36.