泡沫水泥基材料性能特點及改性研究

朱建霆 宋能

（金華市消防救援支隊）

0 引言

隨著地球資源的日漸枯竭、全球極端天氣的增加，節(jié)約能源、降低碳排放、綠色環(huán)保成為全球熱點話題。最新數(shù)據(jù)顯示建筑能耗占我國能耗總量約30%，并且建筑能耗將逐年增加，因此，建筑節(jié)能是降低我國總能耗的必要手段。墻體的熱損失約占房屋建筑總熱損失26%，門窗、地面及屋頂、外墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成的熱損失超過整個房屋總熱損失的60%。由此得出，對建筑外圍護(hù)采取保溫措施可以有效降低房屋熱量損耗。

圖1 房屋熱量損耗組成

泡沫水泥基材料通過物理方法將大量氣泡引入水泥基材料中，在水泥基材料內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，從而使得水泥基材料具有隔熱保溫、輕質(zhì)、隔聲等優(yōu)點，因此泡沫水泥基材料被廣泛運用作建筑外墻保溫材料、非承重墻體材料、室內(nèi)裝修材料等。在制備泡沫水泥基材料時能再次利用工業(yè)廢渣，提高了資料利用率，因此泡沫水泥基材料具有環(huán)保、低成本的優(yōu)點。在使用泡沫混凝土過程中也存在一些問題，比如材料的強(qiáng)度低、質(zhì)量不可控、吸濕性大、彈性模量低等。本文介紹了泡沫水泥基材料的性能特點以及泡沫水泥基材料的一些性能缺陷，針對泡沫水泥基材料存在的問題介紹了三種改性方法：以減水劑為代表的化學(xué)外加劑對泡沫水泥基材料的強(qiáng)度和吸水性能的改善；以可再分散乳膠粉聚合物對泡沫水泥基材料改性，改善泡沫水泥基材料的沖擊韌性；使用礦物摻合料改善水泥基材料力學(xué)性能。

1 泡沫水泥基材料性能研究

1.1 泡沫水泥基材料優(yōu)勢

在拌合的過程中，采用物理或化學(xué)方法將發(fā)泡劑制成的泡沫加入到水泥基材料中，將材料攪拌均勻后成型，并養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。漿體硬化后，水泥基材料的內(nèi)部形成了大量的封閉氣孔。在水泥基材料內(nèi)部引入氣孔使泡沫水泥基材料具有輕質(zhì)、保溫、吸聲、隔熱、抗震等特點。

1.1.1 輕質(zhì)

砂漿的密度約為2100kg/m3，通過在砂漿中引入大量氣孔增加砂漿內(nèi)部的孔隙率，降低砂漿的密度。制備的泡沫水泥基材料的絕干密度通常在300～1200kg/m3范圍內(nèi)，低于200kg/m3的稱為超輕泡沫水泥基材料[1]，目前已有密度僅為120kg/m3的超輕泡沫水泥基材料被運用于建筑工程[2]。泡沫水泥基材料自重小，在用于建筑物填充時，可以有效減少地基沉降、減輕結(jié)構(gòu)負(fù)重。實際工程運用中，泡沫水泥基可用于拱橋的加固維修、減輕橋體自重、提升拱橋的承載能力[3]。

1.1.2 保溫隔熱

空氣的比熱容高于固相材料，泡沫水泥基材料中大量氣孔有效阻隔了熱傳遞，因而水泥基材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低。泡沫水泥基的導(dǎo)熱系數(shù)與干密度正相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，干密度隨著導(dǎo)熱系數(shù)降低而減少。相關(guān)研究還表明，溫度也影響泡沫水泥基材料的導(dǎo)熱系數(shù)，隨著溫度升高，泡沫水泥基材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加[4]。一般條件下，多孔的泡沫水泥基材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.08～0.3w/(m·k)，而普通粘土磚的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.8w/(m·k)。因此，采用具有較高保溫隔熱效果的泡沫混凝土替代傳統(tǒng)的保溫隔熱墻體材料，可以降低建筑能耗。

1.1.3 耐火

與傳統(tǒng)的聚合物保溫板相比，以無機(jī)材料制備的泡沫水泥基材料具有良好的耐火性能，泡沫水泥基材料耐火等級為A 級，為不燃耐火材料，耐火極限長。對絕干密度為300～900kg/m3泡沫水泥基材料進(jìn)行測試，它的耐火極限在1.5～2.7h 之間，符合《建筑防火設(shè)計規(guī)范》要求[5]。

1.1.4 其他

除上述提到的三種主要優(yōu)勢外，泡沫水泥基材料還具有吸聲、緩沖、調(diào)濕以及抗震等突出優(yōu)勢。其優(yōu)勢來源于泡沫水泥基材料中引入的大量氣孔，當(dāng)氣孔在水泥基材料內(nèi)部以連通孔隙的形式存在時，材料具有良好的吸聲效果，并且室內(nèi)的濕氣可以通過連通孔隙擴(kuò)散，進(jìn)而達(dá)到室內(nèi)調(diào)濕的作用。大量的氣孔使得泡沫水泥基材料具有較低的的彈性模量，使得材料具有緩沖減震的作用。因而泡沫混凝土也被廣泛運用于民用安全防護(hù)、室內(nèi)吸聲裝飾、建筑保溫隔熱、防火等領(lǐng)域。

1.2 泡沫水泥基材料存在的問題

在我國現(xiàn)有的市場下，泡沫水泥基材料常出現(xiàn)質(zhì)量參差不齊的問題，缺少完善的體系指導(dǎo)泡沫水泥基材料生成和使用。在性能方面，泡沫水泥基材料存在強(qiáng)度低、容易出現(xiàn)開裂收縮、脆性大、耐久性差、吸收率高等問題，從而限制了泡沫水泥基材料的運用。針對這些問題，常在泡沫水泥基材料中加入其他組分對其進(jìn)行改性，解決泡沫水泥基材料的強(qiáng)度低、開裂收縮、吸水率高等問題。

2 泡沫水泥基材料改性方法

2.1 化學(xué)外加劑改性泡沫水泥基材料

實際工程運用中，泡沫水泥基材料除了發(fā)揮保溫隔熱功能，同時還需具有一定的力學(xué)強(qiáng)度以發(fā)揮承載的作用。常采用減水劑降低水灰比的方法提高泡沫水泥基材料的抗壓強(qiáng)度。以萘系減水劑為例，在泡沫水泥基材料中摻入0.35%的減水劑，結(jié)果表明，泡沫混凝土7d 及28d 的抗壓強(qiáng)度普遍提高，并且隨著密度等級的增加，減水劑提高泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的效果越好[6]。摻入減水劑引起水灰比下降，漿體內(nèi)部連通孔隙減少，漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊密，由此得出，減水劑對混凝土抗壓強(qiáng)度的提高有一定效果。

圖2 泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度（7d）

圖3 泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度（28d）

摻入減水劑除了對泡沫水泥基材料的抗壓強(qiáng)度有提升，還能減小泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率[6]。在水泥基材料內(nèi)部的孔隙分為連通孔、封閉孔以及半封閉孔，而造成泡沫水泥基材料吸水率過大的主要原因是連通孔及半連通孔的存在。在泡沫混凝土中摻入萘系減水劑促進(jìn)了泡沫混凝土凝結(jié)，一方面減少了水分蒸發(fā)，另一方面減小了連通孔生成的概率。

2.2 聚合物改性泡沫水泥基材料

泡沫水泥基材料中孔隙率過高會導(dǎo)致材料的脆性大，當(dāng)材料遭受沖擊時容易發(fā)生斷裂。在水泥基材料中添加聚合物能通過改善孔結(jié)構(gòu)，從而弱化材料脆性[7]，因而在泡沫水泥基材料中添加聚合物能達(dá)到一定的增韌效果，進(jìn)而改善材料在沖擊條件下的韌性。乙烯-醋酸乙烯酯共聚(EVA)可再分散乳膠粉對高孔隙率泡沫水泥基材料力學(xué)性能的影響研究中發(fā)現(xiàn)，聚合物能在硬化漿體內(nèi)部形成具有粘結(jié)性的連續(xù)聚合物網(wǎng)絡(luò)（圖4），從而能改善水泥基內(nèi)部漿體的界面結(jié)構(gòu)[8]。聚合物改性后的泡沫水泥基材料抗沖擊韌性提高，并且聚合物摻量越高，材料遭受沖擊時吸收的能量越多，抗沖擊韌性越好。段東方[9]等人采用EVA 對泡沫水泥基材料改性，觀察到材料中孔結(jié)構(gòu)更加均勻、孔徑變小，同時測得材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低。徐洛屹[10]等研發(fā)的聚合物改性泡沫水泥基材料干密度僅為150～190kg/m3，具有輕質(zhì)、低吸水率、防火和高耐久性等優(yōu)點，綜合性能優(yōu)異。

圖4 泡沫水泥基材料SEM 圖[8]

毛細(xì)孔中水份蒸發(fā)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力導(dǎo)致泡沫水泥基材料發(fā)生干縮，以聚合物改性泡沫水泥基材料，減少漿體內(nèi)部的毛細(xì)孔隙，進(jìn)而減少毛細(xì)孔的水份含量，同時聚合物的存在能填充骨料間隙限制材料收縮[11]。由圖5 可知，各齡期下聚合物改性泡沫水泥基材料的干縮值小于空白組，說明聚合物能提高泡沫水泥基材料抗干縮能力，并且收縮值在14d 后趨于穩(wěn)定。

圖5 聚合物改性泡沫水泥基材料收縮性能

2.3 礦物摻合料改性泡沫水泥基材料

礦物摻合料在傳統(tǒng)混凝土中的作用機(jī)理主要是火山灰效應(yīng)以及微集料效應(yīng)。礦物摻合料在泡沫水泥基材料中的作用機(jī)理區(qū)別于傳統(tǒng)混凝土，礦物摻合料在泡沫水泥基材料制備過程中的作用主要有以下：泡沫往往在水泥基材料中分散不均勻，引入礦物摻合料能改善新拌漿體的和易性，幫助泡沫分散均勻，增加氣孔數(shù)量，改善水泥基材料的孔分布；泡沫的存在導(dǎo)致了漿體內(nèi)水化不充分，漿體硬化后強(qiáng)度低、性能差，用于泡沫水泥基材料改性的礦物摻合料往往具有較高的活性，從而彌補(bǔ)水化不充分的缺陷[12]。

常用于水泥基材料的活性摻合料有礦粉、粉煤灰、硅灰等。Jones 等[13]以細(xì)粉煤灰代替原材料中部分的水泥，粗粉煤灰替代粗骨料，研究了粉煤灰改性泡沫水泥基材料的力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰對減少泡沫水泥基的干縮有明顯效果，其中細(xì)粉煤灰改善了泡沫水泥基材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，粗粉煤灰的加入使得泡沫水泥基材料的干縮顯著減少。在密度等級為800～1400kg/m3的泡沫混凝中加入硅灰改性后，得到了抗壓強(qiáng)度為15～45MPa 的高強(qiáng)泡沫混凝土[14]。微粉硅粉加入到水泥基材料中可以提高泡沫水泥基材料早期的力學(xué)強(qiáng)度，但硅粉對泡沫水泥基材料的干縮改善效果甚微[15]。礦物摻合料的質(zhì)量也會影響改性效果，以低等級粉煤灰取代原材料中部分水泥后，泡沫水泥基材料在各干密度等級的力學(xué)性能變差，且抗壓強(qiáng)度均下降，取代量越高，抗壓強(qiáng)度越低，只有當(dāng)干密度等級較高時，低等級粉煤灰對抗壓強(qiáng)度的影響較小。為了保證質(zhì)量，低等級的粉煤灰僅適用于制備高密度等級的泡沫水泥基材料[16]。

3 結(jié)論與展望

泡沫水泥基材料是一種具有保溫隔熱效果好、環(huán)保節(jié)能、吸聲隔音、減震抗震等優(yōu)點的節(jié)能環(huán)保的新型建材，并且泡沫水泥基材料可以在工廠預(yù)制后到現(xiàn)場裝配，能大幅提高施工效率，同時泡沫水泥基材料也能滿足現(xiàn)澆的要求，滿足多種條件下的施工。泡沫水泥基材料的推廣，尤其是用于房屋建設(shè)時，不僅降低了建筑的能耗，而且節(jié)約了資源。

但泡沫水泥基的運用也受限于它的性能缺陷，如前文提到的強(qiáng)度低、干縮大、吸水率大以及脆性大等。利用化學(xué)外加劑、礦物摻合料、聚合物等改性后，泡沫水泥基材料在力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、收縮開裂等）上得到了改善，具有較好力學(xué)性能的泡沫水泥基材料在其他領(lǐng)域的運用得以擴(kuò)展。隨著泡沫水泥基材料的進(jìn)一步推廣，泡沫水泥基材料的很多性能有待進(jìn)一步研究，比如凍融環(huán)境中泡沫水泥基材料抗凍融行為及機(jī)理研究；引入的泡沫對水泥基材料中水化產(chǎn)物及水化進(jìn)程的影響；泡沫水泥基材料中孔的特征對其保溫、隔音、強(qiáng)度等性能的影響；高溫環(huán)境中泡沫水泥基材料物化性能的改變；以及各種適用場景下，泡沫水泥基材料的性能研究。

目前泡沫混凝土研究中存在的較大問題是沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范泡沫水泥基材料的配比及施工，缺乏適用于泡沫水泥基材料的實驗方案，并且泡沫水泥基的性能沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。這使得泡沫水泥基材料在推廣使用過程中容易出現(xiàn)質(zhì)量偏低的現(xiàn)象。

綜上，對泡沫水泥基材料的研究不應(yīng)僅限于對其性能的研究，還應(yīng)盡快制定出更完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，保證泡沫水泥基材料的質(zhì)量。