輕質(zhì)泡沫混凝土材料性能研究

俞佳美 邵夢婷 王震 周永進(jìn) 朱稼峰

摘? ?要：輕質(zhì)混凝土材料為特殊混凝土的一種，具有比一般混凝土較低的單位重，透過摻入大量氣泡或輕質(zhì)粒料與水泥漿均勻混合而成，硬固后混凝土空隙體積占總體積25%～75%，輕質(zhì)混凝土大致區(qū)分為三類，分別是無細(xì)料混凝土、輕質(zhì)粒料混凝土和發(fā)泡混凝土，以輕質(zhì)粒料混凝土、輸氣或發(fā)泡混凝土及空心混凝土最為常見。利用輕質(zhì)粒料取代天然砂石降低混凝土單位重稱為輕質(zhì)粒料混凝土，將空氣引入水泥漿體降低其單位重的混凝土稱為輸氣混凝土，透過大量輸氣混凝土的研究、制造和應(yīng)用成果，才能確立泡沫混凝土的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：輕質(zhì)? 泡沫? 混凝土? 材料

中圖分類號：TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（a）-0048-02

1? 引言

發(fā)泡混凝土的相關(guān)研究最早出現(xiàn)在公元1923年，當(dāng)時(shí)主要用于輕量、半結(jié)構(gòu)材料。發(fā)泡混凝土亦可被稱為“發(fā)泡水泥” 或可稱為“泡沫混凝土”，其為輕質(zhì)混凝土中的一項(xiàng)特殊材料，對于發(fā)泡混凝土的定義，發(fā)泡混凝土指利用物理方法產(chǎn)生泡沫，將泡沫添加到水泥漿或水泥砂漿中，經(jīng)拌合均勻后澆注硬化，一種內(nèi)部含有大量獨(dú)立封閉且均勻分布?xì)饪椎亩嗫撞牧稀?/p>

2? 發(fā)泡機(jī)制

欲制造穩(wěn)定的發(fā)泡混凝土取決于許多因素，如：發(fā)泡劑的種類、泡沫的制程、空隙分布的均勻性、材料的選擇和配比設(shè)計(jì)等，而后仍需透過反復(fù)試驗(yàn)確立其工程性能。一般輕質(zhì)建筑材料常見的制造方式有下列3種。

2.1 機(jī)械發(fā)泡

將空氣藉由高速攪拌的方式夾帶入水泥漿體或他種混合物中，使用的輸氣材料如： 發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫、輸氣劑或預(yù)先拌合的穩(wěn)定含氣漿體等。

機(jī)械式方法中最常見的即為添加發(fā)泡劑，發(fā)泡劑屬于界面活性劑（Surfactants）的一種，表面具有較高活性以降低液體的表面張力，使水膜不易破裂，并且在攪拌過程中空氣容易混入液體中，讓液膜表面的雙電子層包圍空氣形成氣泡，再由多個(gè)獨(dú)立氣泡組成泡沫。界面活性劑根據(jù)其水溶液的親水性原子團(tuán)的特性，大致可分陽離子型、陰離子型、兩性離子型及非離子型等四種。發(fā)泡劑依類型及成分的不同，其發(fā)泡能力與泡沫穩(wěn)定性也有所差別，依實(shí)物應(yīng)用分類可分為松濃度的發(fā)泡劑水溶液中均勻分散，增加液體與氣體間的接觸面積形成泡沫。

發(fā)泡劑的發(fā)泡機(jī)制可分為預(yù)發(fā)泡方式和混合發(fā)泡方式。將欲被發(fā)泡的基底結(jié)構(gòu)材料，如水泥漿體，與已制造出的穩(wěn)定泡沫均勻混合，稱為預(yù)發(fā)泡方式;混合發(fā)泡方式則是以界面活性劑與水泥漿體混合，在拌合的過程中產(chǎn)生氣泡，從而在混凝土中形成蜂窩狀的多孔隙結(jié)構(gòu)。界面活性劑產(chǎn)生的泡沫結(jié)構(gòu)必須是穩(wěn)定、牢固的氣泡以抵抗從水泥漿體包裹的壓力，至初凝后，泡沫會在混凝土中形成龐大的空隙骨架[1]。影響發(fā)泡穩(wěn)定性的因素，可歸納為：

（1）水泥漿體黏稠度： 影響泡沫成形表面。

（2）界面分離壓力： 存在于吸附離子、非離子界面活性劑和聚合物的相鄰界面。

（3）發(fā)泡劑濃度。

2.2 化學(xué)發(fā)泡

主要取決于外加劑的種類及其產(chǎn)生的化學(xué)作用，或是與原先存在于水泥漿中的特定化合物產(chǎn)生反應(yīng)，形成氣泡空隙均勻分布于漿體中。

使用的廣泛材料如： 鋁粉、過氧化氫（俗稱雙氧水）、次氯酸鈣（漂白粉的主要成分）或高錳酸鉀。化學(xué)發(fā)泡成型的關(guān)鍵在于發(fā)泡劑的發(fā)泡速率需與漿料凝結(jié)硬固的速率相一致達(dá)到動態(tài)平衡，以得到最佳發(fā)泡效果。在均勻分散于漿體中的發(fā)泡劑與激發(fā)劑反應(yīng)作用下，當(dāng)氣體壓力大于漿體的極限剪切應(yīng)力時(shí)，氣源加速膨脹不斷產(chǎn)生氣體形成眾多獨(dú)立氣泡，膨脹過程中漿體稠度亦緩慢增加，造成膨脹所要克服的阻力不斷增大，同時(shí)，反應(yīng)物持續(xù)消耗則膨脹的潛在動力變小，待漿體逐漸硬固后，水泥漿的體積變化也隨之趨緩[1]。

近年來環(huán)保議題日趨高漲，廢棄物回收再利用儼然成為熱門的話題，在發(fā)泡混凝土中所使用的金屬鋁粉原料，是在軋制鋁箔過程中產(chǎn)生的鋁屑，鋁屑經(jīng)過機(jī)械研磨成片狀鋁粉（Aluminum flake powder）。片狀鋁粉被廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)混凝土中，其外觀為銀灰色，具備高亮度、高純度（鋁純度達(dá) 99.4 % 以上）及良好黏著度等特性[2]。工業(yè)用片狀鋁粉平均細(xì)度20～45，比表面積3～6m2/g，依使用途徑不同，要求規(guī)格也不近相同[3]。在“下水污泥灰發(fā)泡混凝土的輕質(zhì)化與隔熱特性”的研究中，利用金屬鋁粉為水泥漿發(fā)泡材料，當(dāng)水泥在混凝土中與水進(jìn)行水化反應(yīng)時(shí)，得到鈣硅水化物（C-S-H膠體）及氫氧化鈣（Ca（OH）2CH）（）等產(chǎn)物，其反應(yīng)機(jī)制如式（2-1），氫氧化鈣溶于水解離為Ca2+Ca2+與OH-離子，其反應(yīng)機(jī)制如式（2-2），大量OH-離子使水泥漿體呈現(xiàn)堿性，添加的金屬鋁粉在堿性水泥漿環(huán)境中的不穩(wěn)定行為，即會引起化學(xué)反應(yīng)生成鋁酸鹽和氫氣，其反應(yīng)機(jī)制如式（2-3），水泥漿體包裹釋放出的氫氣造成體積膨脹，水化作用持續(xù)進(jìn)行亦使發(fā)泡反應(yīng)不斷產(chǎn)生氫氣，終凝時(shí)遂成多孔洞的蜂窩結(jié)構(gòu)。

另一種化學(xué)添加劑則是采用高錳酸鉀（KMnO4）及過氧化氫（H2O2），使用高錳酸鉀（KMnO4）與過氧化氫（H2O2）作為發(fā)泡劑，利用高錳酸鉀水溶液與過氧化氫混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，其反應(yīng)機(jī)制如式（2-4），無機(jī)聚合物漿體包裹生成的氧氣達(dá)到多孔化的效果，藉以提升材料隔熱能力。此外，可利用高錳酸鉀（KMnO4）與過氧化氫（H2O2）氧化還原反應(yīng)生成的氧氣作為化學(xué)發(fā)泡的氣源具良好效果，相較于他種物質(zhì)反應(yīng)過程，其反應(yīng)速率與氣體釋放體積較容易控制，可得到較佳的發(fā)泡效果。

2.3 超額水量法

采用低漿量設(shè)計(jì)，由膠結(jié)材和粒料以及較一般相同體積混凝土多數(shù)倍的水量所組成，經(jīng)過高壓蒸氣養(yǎng)護(hù)與硬固過程后，透過超額水量的蒸散，將使材料獲得較低的密度及形成眾多細(xì)微且分散的空隙。這種材料制作方法所制成的混凝土常被稱作輕石灰混凝土（Light-lime Concrete），而石灰通常是指水泥膠結(jié)材料。

3? 發(fā)泡輕質(zhì)材料性質(zhì)

發(fā)泡輕質(zhì)材料因?yàn)閮?nèi)部含有大量細(xì)小、封閉、均勻的氣孔，是一種多孔性材料，由于其特殊的材料結(jié)構(gòu)特性，具有輕質(zhì)、保溫隔熱、隔音耐火等性能，因此受到產(chǎn)學(xué)界的重視，而近幾年更是針對其材料性質(zhì)投入相關(guān)研究與應(yīng)用。在發(fā)泡輕質(zhì)材料性質(zhì)中，材料的組成與配方、發(fā)泡方式與制程等皆直接影響到內(nèi)部孔隙大小與分布，進(jìn)而會影響了發(fā)泡輕質(zhì)材料性能。將水泥基材料的孔隙分為三種，分別是凝膠孔（Gel proes）、毛細(xì)管孔（Capillarypores）和大孔（Macropores），其中凝膠孔與毛細(xì)管孔是由空氣引入水泥漿中形成的空隙，大孔則是因漿體壓實(shí)度不足而形成，但是這三種空隙都會造成混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。添加飛灰不但可使混凝土中的細(xì)粒料均勻分布，對于發(fā)泡輕質(zhì)混凝土中的氣泡空隙分布有更佳效果，當(dāng)飛灰粒徑愈小，愈能提升空隙分布的均勻度，并會在氣泡表面形成類似鍍膜的效果，防止氣泡間相互合并及重迭造成連通孔泡的情形發(fā)生，而孔隙率直接影響混凝土的收縮及潛變行為，但對于抗壓強(qiáng)度較 無直接的關(guān)系。依不同比例的飛灰摻入卜特蘭水泥，并添加預(yù)先發(fā)泡好的泡沫制成發(fā)泡輕質(zhì)混凝土，發(fā)現(xiàn)提高飛灰摻量會降低混凝土中的氣泡孔徑，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度增加，因此，不影響發(fā)泡輕質(zhì)混凝土的早期強(qiáng)度。

4? 結(jié)語

長期受到凍融作用的環(huán)境中，使用多孔隙發(fā)泡混凝土的建筑物較一般混凝土建物擁有較佳的耐久性，且能達(dá)到工程性能標(biāo)準(zhǔn);由于混凝土中孔隙易含水，當(dāng)外界氣溫降至冰點(diǎn)時(shí)，孔隙內(nèi)的水結(jié)成冰使體積增大，體積膨脹將對孔隙壁產(chǎn)生極大壓力，當(dāng)氣溫回升時(shí)，冰融化成水壓力驟減，如此一來在長年凍融反復(fù)作用下，混凝土易從內(nèi)部產(chǎn)生裂縫延伸至表面后，終致構(gòu)造物破壞毀損?？箟簭?qiáng)度、滲透深度及吸水率等都是影響發(fā)泡混凝土抗凍融能力的影響因素，但相較之下，發(fā)泡混凝土的單位重及透氣性影響程度較小。輸氣劑的有效輸氣量為混凝土體積的 4%～8%，輸氣量愈多抗凍融能力愈加，但是輸氣過量反而會導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。

參考文獻(xiàn)

[1] 喬禺森.無機(jī)鹽對磚粉泡沫混凝土性能影響的研究[J].混凝土，2014（9）：27.

[2] 董素芬.再生EPS顆粒對磚粉泡沫混凝土性能影響的研究[J].混凝土與水泥制品，2014（9）：51.

[3] 吳麗曼.粉煤灰對超輕發(fā)泡混凝土孔結(jié)構(gòu)及吸聲性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào)，2014（9）：31-33.