發(fā)泡混凝土微結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

摘要：由于聲屏障技術(shù)進(jìn)步一直受限于吸聲材料的技術(shù)，耐久性和經(jīng)濟(jì)性是考量吸聲材料技術(shù)進(jìn)步的主要指標(biāo)。發(fā)泡混凝土作為一種輕質(zhì)多孔的優(yōu)良保溫隔熱材料，其輕質(zhì)多孔的特點(diǎn)有作為吸聲材料的特制，如能對(duì)其微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究形成一種聲屏障吸聲材料，將很有市場(chǎng)潛力。發(fā)泡混凝土生產(chǎn)制備過(guò)程中通過(guò)內(nèi)發(fā)氣與外發(fā)泡等物理化學(xué)反應(yīng)易形成大量大小不均，直徑在 100 nm～4 mm間的氣孔與氣孔壁組成的結(jié)合體，影響著其保溫性能、抗凍性能、力學(xué)性能等宏觀性能。因此，本文從發(fā)泡混凝土微結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜述了氣孔結(jié)構(gòu)的形成、組成、分布、優(yōu)化等方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，對(duì)發(fā)泡混凝土孔結(jié)構(gòu)的研究提供了理論基礎(chǔ)，指明了發(fā)泡混凝土性能優(yōu)化的微觀結(jié)構(gòu)理論，推動(dòng)其在聲屏障領(lǐng)域大規(guī)模使用。

關(guān)鍵詞：發(fā)泡混凝土;微結(jié)構(gòu);研究進(jìn)展

1緒論

發(fā)泡混凝土是一種集輕質(zhì)、高強(qiáng)、防火及隔熱于一體的新型綠色砌筑混凝土，主要由膠凝材料（ 石灰、水泥基水硬性材料等硅酸鹽體系以及粉煤灰、粒化高爐礦渣等工業(yè)固廢基） 、發(fā)泡劑（ 鋁粉、雙氧水以及表面活性劑） 、外加劑、拌合水等組分，經(jīng)混合攪拌、發(fā)泡成型、特殊養(yǎng)護(hù)以及切割制成。發(fā)泡成型工藝是發(fā)泡混凝土成敗的關(guān)鍵工藝，影響著微結(jié)構(gòu)的組成與分布，會(huì)導(dǎo)致混凝土的宏觀性能差異，決定其產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)前，發(fā)泡工藝主要包括以下兩種： （ 1） 化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)發(fā)泡工藝，發(fā)泡材料特殊的孔溶液環(huán)境觸發(fā)了攪拌混合過(guò)程填入的發(fā)泡劑，導(dǎo)致了大量不規(guī)則氣泡的形成與溢出，形成大量空洞孔結(jié)構(gòu)，從而使體積膨脹，生成發(fā)泡材料; （ 2） 物理攪拌過(guò)程輸入的外發(fā)泡工藝，主要是指通過(guò)機(jī)械作用下將泡沫或者空氣直接引入新拌漿體中，可有效降低其質(zhì)量，達(dá)到輕質(zhì)需求。然而，物理攪拌的外發(fā)泡工藝因其工序繁瑣和高昂的成本等問(wèn)題，并未得到大規(guī)模的推廣使用[1]。因此，本文著重對(duì)內(nèi)發(fā)泡工藝中孔結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)地闡述。

2發(fā)泡混凝土氣泡的研究

作為內(nèi)發(fā)泡工藝的重要影響因素之一，發(fā)泡劑的物理化學(xué)反應(yīng)直接影響著氣孔結(jié)構(gòu)的形成與溢出過(guò)程。當(dāng)前，電石、銨鹽、鋁粉與雙氧水是發(fā)泡混凝土可能使用的發(fā)泡劑，易在水泥或者地質(zhì)聚合物新拌漿體中，高堿性環(huán)境孔溶液下（ pH 值高于12） ，發(fā)生相互反應(yīng)生產(chǎn)氣體。上述發(fā)泡劑因其本身的化學(xué)發(fā)應(yīng)會(huì)在漿體內(nèi)部生成大量細(xì)小、均勻、穩(wěn)定的氣泡。然而，電石遇水反應(yīng)劇烈，不僅會(huì)對(duì)漿體結(jié)構(gòu)造成破壞，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致氣孔的調(diào)控機(jī)制的紊亂。銨鹽在水泥孔溶液的堿性條件下反應(yīng)緩慢，氣泡形成速率降低，易出現(xiàn)塌膜的問(wèn)題。鋁粉與雙氧水是當(dāng)前廣泛使用的發(fā)泡劑，其反應(yīng)速率易于調(diào)節(jié)，為孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)泡混凝土功能化設(shè)計(jì)。發(fā)泡劑的摻入使新拌漿體中形成了大量的氣泡，因此氣泡的形成、傳輸和轉(zhuǎn)變過(guò)程成為了發(fā)泡混凝土早期的獨(dú)特歷程。氣泡反應(yīng)初期由空氣以及氣泡囊壁組成了直徑較小的氣泡。然而隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在氣泡-水-反應(yīng)產(chǎn)物三相界面的作用下其直徑趨于穩(wěn)定。反應(yīng)初期，新拌漿體中反應(yīng)產(chǎn)物并未大量形成，氣泡的形成與轉(zhuǎn)變過(guò)程主要受到氣泡-液體的二相界面作用。氣泡直徑受其氣泡內(nèi)部與介質(zhì)壓力之間的差（ PR） 的作用。隨時(shí)間的增長(zhǎng)，PR的增加提高了氣泡的質(zhì)量，加快其運(yùn)動(dòng)，不斷向上浮動(dòng)。反應(yīng)中期，反應(yīng)產(chǎn)物不斷堆積，阻礙部分氣泡的溢出并改變其（ 主要指 D≥2 mm的氣泡） 表面毛細(xì)力。研究表明，凝膠孔隙度以及毛細(xì)管孔隙度的分布、尺寸、形貌均會(huì)導(dǎo)致氣泡表面毛細(xì)力的差異。氣泡與直徑較大的凝膠孔或毛細(xì)孔作用時(shí)，兩者較薄的薄壁相互作用，增加了連通孔、并孔等有害孔出現(xiàn)的可能性。在不規(guī)則鋸齒狀、半開(kāi)合凝膠孔與毛細(xì)孔的作用下，氣泡薄壁被破壞，其分裂成大量直徑較小的氣泡。隨反應(yīng)的不斷進(jìn)行，大量氣泡溢出、合并與破裂導(dǎo)致發(fā)泡混凝土硬化后形成大量的微孔結(jié)構(gòu)，影響其力學(xué)性能與耐久性等后期性能[2]。

3孔結(jié)構(gòu)組成

反應(yīng)初期，氣泡溢出、破裂、合并的過(guò)程導(dǎo)致后期形成了大量的孔隙結(jié)構(gòu)，決定了發(fā)泡混凝土輕質(zhì)、隔熱以及高強(qiáng)等優(yōu)異特性。因此，本節(jié)結(jié)合國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展對(duì)發(fā)泡混凝土的孔結(jié)構(gòu)的組成進(jìn)行研究。與普通硅酸鹽水泥混凝土孔結(jié)構(gòu)中凝膠孔（ D≤1.6 nm） 、過(guò)渡孔（ 1. 6 nm≤D≤100 nm） ，以及未被水化產(chǎn)物填充的毛細(xì)孔（ D≥200 nm） 等孔結(jié)構(gòu)不同，發(fā)泡混凝土中孔結(jié)構(gòu)分為微孔（ 亦稱凝膠孔，D≤2 nm） ，介孔（ 亦稱顆粒間孔，2 nm≤D≤50 nm），及由于氣泡質(zhì)量膨脹而形成的大孔 （ 亦稱人工氣孔，D≥50 nm）。

由上可知，發(fā)泡混凝土中宏觀多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)是其微結(jié)構(gòu)和宏觀性能的決定性因素，影響其硬化構(gòu)件的穩(wěn)定性與使用性。然而，與傳統(tǒng)混凝土孔結(jié)構(gòu)不同，孔壁為發(fā)泡結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。發(fā)泡混凝土中孔壁結(jié)構(gòu)富集了以托貝莫來(lái)石型的結(jié)晶、半結(jié)晶及無(wú)定形水化硅酸鈣復(fù)為主的產(chǎn)物，其形成過(guò)程與以下反應(yīng)密切相關(guān)： （ 1） 富鈣 C-S-H 的形成; （ 2） C-S-H 的轉(zhuǎn)變; （ 3） 1.13 nm托貝莫來(lái)石的形成[3]。高結(jié)晶度以及片狀的托貝莫來(lái)石孔壁結(jié)構(gòu)可有效提高和改善發(fā)泡混凝土的力學(xué)性能和耐高溫特性。

結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，發(fā)泡混凝土中孔結(jié)構(gòu)的研究正朝著精準(zhǔn)表征與高性能化的方向發(fā)展。然而，作為一種發(fā)泡工藝，發(fā)泡過(guò)程的實(shí)時(shí)調(diào)控與檢測(cè)是決定發(fā)泡混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵，影響者其后期性能。因此，未來(lái)的研究應(yīng)著重于發(fā)泡混凝土的發(fā)泡過(guò)程調(diào)控、監(jiān)測(cè)與檢測(cè)的綜合調(diào)控，為其性能優(yōu)化與完善提供基礎(chǔ)，進(jìn)而推動(dòng)發(fā)泡混凝土在聲屏障領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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資助課題編號(hào)：中國(guó)鐵設(shè)重點(diǎn)課題 鐵路聲屏障高性能輕質(zhì)水泥基復(fù)合吸聲材料研發(fā)和混凝土表面降噪性能研究（721654）

作者簡(jiǎn)介：周繼超（1982年7月-），男，漢族，天津薊縣，碩士研究生，中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)，聲屏障綜合技術(shù)。