化學發(fā)泡泡沫混凝土生產缺陷及控制方法研究

吳世興

(福建建工集團總公司 福建福州 350001)

近年來，建筑工程的節(jié)能和防火越來越受到關注。各省市地區(qū)相繼出臺強制性標準規(guī)范要求建筑節(jié)能設計達到65%，因而對建筑工程的保溫提出了更高的要求。同時，2015年 5月 1日開始實施的GB50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》提出建筑內、外保溫系統(tǒng)，宜采用A級燃燒性能的保溫材料，不宜采用B2級保溫材料，嚴禁采用B3級保溫材料。因此聚苯板、擠塑板、聚氨酯硬泡等有機保溫材料已不適合用在建筑保溫系統(tǒng)中，無機保溫材料是發(fā)展的必然趨勢。泡沫混凝土作為一種兼具保溫和防火功能的無機保溫建筑材料，是唯一可以對建筑的墻體、墻面、屋面和地面進行全方位保溫隔熱處理的材料。

1 泡沫混凝土的化學發(fā)泡工藝

泡沫混凝土是在膠凝材料、骨料、外加劑和水等制成的料漿中通過物理或化學的方式引入氣泡，經混合攪拌、澆筑成型、養(yǎng)護而成的輕質多孔混凝土。工廠預制的泡沫混凝土板材主要以水泥為膠凝材料，以雙氧水為發(fā)泡劑，采用化學發(fā)泡，干密度一般在300kg/m3以下，導熱系數(shù)小于0.08W/(m·K)，主要用作墻體和屋面的保溫材料。

化學發(fā)泡法主要是通過雙氧水分解產生氧氣引入氣泡，分解方程式如下:

雙氧水分解率會隨溫度升高逐漸增大，且受料漿堿度影響大，在pH值為9左右時達到最大值。水泥水化使料漿呈堿性，同時釋放出熱量，而且水泥成分中含有Fe3+，因而水泥漿料能促進雙氧水的分解，達到發(fā)泡效果。

化學發(fā)泡泡沫混凝土的生產工藝較為簡單，生產周期短。首先將水泥、外加劑等干料加入攪拌機內進行混合均勻，而后加入一定量和一定溫度的水進行攪拌制成漿料，攪拌時間約為3min;隨后在攪拌的同時，快速均勻加入一定量的雙氧水，混合攪拌約10～15s;最后將攪拌均勻的料漿倒入模具內發(fā)泡，達到一定強度后即可拆模養(yǎng)護，養(yǎng)護到一定強度后即可切割包裝?；瘜W發(fā)泡法是通過化學反應引入氣泡，因而氣泡泡壁薄，穩(wěn)定性差，氣泡泡徑影響因素較多，難以控制。相對于物理發(fā)泡，化學發(fā)泡對于低密度泡沫混凝土的強度、吸水率等性能更為優(yōu)異[1-4]。

2 化學發(fā)泡泡沫混凝土生產常見缺陷及控制方法

2.1 塌模現(xiàn)象

泡沫混凝土的塌?，F(xiàn)象是指泡沫混凝土漿料注模成型后由于結構強度不足以支撐整體結構而引起坍塌的現(xiàn)象。在漿料發(fā)泡完成后，泡沫混凝土早期結構是靠泡孔中的氣壓起支撐作用。隨著時間推移，泡孔中氣壓會逐步減弱，此時泡孔壁需具備一定強度來維持整體發(fā)泡結構，若在這特定時間內，孔壁的強度增長太慢，低于孔中壓強的減少值，或受到外力的干擾，整個結構就會造成沉降或塌模。因此，解決塌?，F(xiàn)象的關鍵在于料漿中雙氧水的發(fā)泡速率與水泥的凝結硬化速率達到趨于平衡。所謂雙氧水發(fā)泡速率是指從雙氧水均勻分散在料漿中分解發(fā)泡開始，到獨立氣泡形成的速率;料漿水泥凝結硬化速率是指從水泥水化開始，到料漿失去可塑性，最終形成具有一定強度的水泥石的速率。若兩者速率不一致，雙氧水發(fā)泡速率過快或過慢，就易出現(xiàn)塌?，F(xiàn)象[5-8]。塌模現(xiàn)象將直接導致整塊板材的損壞，屬于泡沫混凝土生產過程比較嚴重的問題，是在生產前必須要被解決的關鍵問題。塌?，F(xiàn)象可能出現(xiàn)在澆筑早期、澆筑中期和澆筑后期，不同階段出現(xiàn)塌模的原因和解決方法有所不同。本文將分塌模出現(xiàn)的時間(早期塌模、中期塌模、后期塌模)來詳細分析塌模的原因以及相對應的解決方法。

早期塌模一般發(fā)生在料漿澆筑后2到3分鐘內，此時整個泡沫混凝土結構迅速崩塌發(fā)生過程比較迅速。出現(xiàn)早期塌模時，現(xiàn)象主要表現(xiàn)為泡沫混凝土的發(fā)泡速率很快，泡孔偏大，且漿料偏稀。早期塌模的主要原因是泡沫混凝土漿料稠度過低，氣孔長大過程中受到的剪切壓力過小，以致料漿發(fā)泡速率遠遠大于水泥凝結硬化速率，氣孔偏大，氣壓小，無法支撐泡孔結構，如(圖1)所示。增加漿料稠度，降低漿料發(fā)泡速率是解決早期塌?，F(xiàn)象的主要方法。在生產過程中，一般通過降低水灰比、增加穩(wěn)泡劑用量等方法提高漿料稠度;在漿料稠度適宜的情況下，通過降低漿料堿性和溫度，減少雙氧水用量來降低發(fā)泡速率。

中期塌模一般發(fā)生在料漿澆筑后2min到料漿發(fā)泡過程基本結束過程。中期塌?，F(xiàn)象主要表現(xiàn)為料漿澆筑后出現(xiàn)嚴重躥泡，躥泡數(shù)量多且較為集中、氣泡尺寸大。這種躥泡現(xiàn)象會引起大量氣泡的合并、破裂，降低了整個泡孔結構的支撐強度，過一段時間后會出現(xiàn)局部塌陷，最終引起整體塌模，如(圖2)所示。躥泡現(xiàn)象主要是由于料漿發(fā)泡速率與凝結硬化速率引起的。當雙氧水發(fā)泡過快、發(fā)泡不均勻、發(fā)泡量過大或料漿稠化速率偏低時，料漿發(fā)泡過程中氣孔就容易合并，最終沖出料漿表面，出現(xiàn)嚴重躥泡;而當料漿稠化速率過快時，料漿發(fā)泡初期就會受到較大的阻力，發(fā)泡速率慢，但隨著發(fā)氣量的增大，結構內部氣壓不斷增大，最終可能沖出料漿表面，出現(xiàn)輕微躥泡。嚴重躥泡容易引起中期塌模，而輕微躥泡一般不會對制品產生顯著危害。在生產過程中，對于嚴重躥泡現(xiàn)象，我們可以通過降低用水溫度和增加料漿稠度來降低雙氧水的發(fā)泡速率，同時延長雙氧水倒入料漿后的攪拌時間，使雙氧水分散均勻。輕微躥泡現(xiàn)象雖一般不會引起塌模，但會影響板材的外觀質量，生產上主要通過適當降低用水溫度和增加用水量來解決。

后期塌模一般發(fā)生在澆筑完1個半小時到2個小時之間，分為局部塌模(圖3)和整體塌模(圖4)?？傮w來說，后期塌模主要是由于料漿凝結硬化時間偏慢，無法在泡孔失去支撐強度前完成終凝，導致后期整個泡沫混凝土結構的支撐強度不足。局部塌模是由于泡沫混凝土結構后期局部的塌模而引起整體塌模，主要是由于澆筑不均勻導致泡沫混凝土結構不均勻，料漿凝結硬化速率慢的部位出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。整體塌模是由于配方和工藝參數(shù)不合理引起泡沫混凝土漿料凝結硬化速率慢于發(fā)泡速率，引起整體結構的下沉。生產過程中，我們一般通過提高漿料溫度、降低水灰比、促凝劑用量來提高料漿凝結硬化速率節(jié)。另外，通過增加穩(wěn)泡劑用量來減小孔徑，增加泡孔強度，延長泡孔強度支撐整個結構的時間;提高漿料攪拌和澆筑的均勻性減少局部塌模現(xiàn)象。

圖1 早期塌模的形貌

圖2 中期塌模的形貌

圖3 后期整體塌模的形貌

圖4 后期局部塌模的形貌

另外，夏天生產時，當水泥水化熱過高，會導致氣孔的熱破裂，氣體外泄，引起沉降塌陷，如(圖5、6)所示。此時，通過降低水溫、摻一定量的粉煤灰、換用低水化熱的水泥等措施來降低水泥水化熱，從而解決沉降塌陷問題。另外生產操作不當也可能引起塌模。

2.2 開裂現(xiàn)象

圖5 氣孔熱破裂的形貌

圖6 沉降塌陷的形貌

開裂是混凝土常見缺陷，主要是由于溫度和濕度變化引起。在泡沫混凝土生產過程中，由于濕度變化引起的干縮裂縫是較為常見的裂縫，將會在切割過程中產生大量次品。由于在低濕度的環(huán)境中，飽和水泥漿體中水化硅酸鈣(C-S-H)中水分易蒸發(fā)，水分在混凝土的遷移，會在漿體中形成一系列的復雜的凹月面，形成毛細孔壓力。具體說來，隨著水分的遷移，固體顆粒逐漸靠近，毛細孔逐漸變細，毛細孔壓力也隨之增大，從而加快混凝土內部水分向外遷移。在大風、干燥、高溫天氣或漿料早強過快時，泡沫混凝土面層水分揮發(fā)快且揮發(fā)量大，凝結硬化速率會大于結構內部料漿的凝結硬化速率，導致泡沫混凝土由外至內出現(xiàn)一層硬化梯度，引起結構變形不一致，發(fā)生干燥收縮。泡沫混凝土的干燥收縮表現(xiàn)為在表面層以下三分之一的部位出現(xiàn)了一條水平貫穿性裂紋如(圖7)，此外，當階段性水化熱釋放過大或水灰比過大會造成收縮性裂紋，表現(xiàn)為橫向的多條裂縫如(圖8)，剛成型時沒有裂紋，經過幾天表面和內心出現(xiàn)龜裂，這是水泥失水過快，造成的收縮開裂，建議陰干，做好養(yǎng)護和澆水，特別是在氣溫高的夏天，不宜將大塊放在室外曝曬[9-11]。對于開裂問題，我們一般通過降低漿料水化熱來減少溫度裂縫，并通過覆蓋薄膜的方式，避免水分蒸發(fā)過快來減少干縮裂縫的出現(xiàn)。

2.3 孔結構不良好

圖7 干燥收縮裂縫的形貌

圖8 塑性收縮裂紋的形貌

泡沫混凝土板材理想的孔結構應該是氣孔尺寸均勻且不宜過大，形狀接近球狀，孔壁強度高。泡沫混凝土孔結構不良好直接影響到產品的外觀和保溫性能。在實際生產中，由于水泥結團、攪拌不充分、漿料太稠等原因，)泡沫混凝土板材內部會出現(xiàn)水泥團粒，切割后就會出現(xiàn)大的孔洞;泡沫混凝土在澆筑過程中，由于水料比過大，料漿流動度過大，在發(fā)氣過程中，料漿極限剪切應力小導致氣泡小范圍內合并，面層會蠶豆大小的氣泡;另外，若雙氧水加入后漿料攪拌不均勻，將會導致孔徑分布不均勻[12-15]。

2.4 發(fā)泡高度不夠

發(fā)泡高度不夠是指料漿澆筑后，發(fā)起的高度未能達到規(guī)定的尺寸，以致切割后板材尺寸不符合要求。料漿發(fā)泡高度不夠的主要原因有:① 雙氧水濃度太低或加入量太少，發(fā)氣量不足從而影響了料漿的發(fā)起效果;②料漿溫度過低，導致雙氧水分解反應緩慢，釋放出的氣體大大較少;③料漿太稠，增大了發(fā)泡過程受到的阻力。要使板材的高度符合要求，我們可以針對上述原因來采取對策。

3 總結

化學發(fā)泡法泡沫混凝土板材的生產受原材料、工藝等多方面因素的影響，發(fā)泡過程迅速，生產不易控制。塌模、開裂等問題在泡沫混凝土板材過程中較為常見也是必須解決的問題。

1)要解決塌模問題，調節(jié)雙氧水發(fā)泡速率和漿料稠化速率是關鍵。需根據(jù)出現(xiàn)塌模的時間，來確定是加快還是減慢漿料稠化速率;

2)要解決開裂問題，保水保濕是關鍵，特別是在干燥通風環(huán)境下。一般可通過及早覆蓋薄膜來減少開裂現(xiàn)象;

3)為了得到良好孔結構的泡沫混凝土，漿料需要攪拌均勻，不能出現(xiàn)粉料結團或雙氧水攪拌不均勻的情況;

4)泡沫混凝土的高度可通過多種方式調節(jié)，要根據(jù)實際情況采取適當方式。

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