泡沫水泥砂漿性能及檢測方法研究進展

文/王毓晉 李慶冰 何澤文（.寧波交通工程建設(shè)集團有限公司；.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

水泥砂漿是一種土木工程材料，往往用來做墻面鋪裝。普通的水泥砂漿難以滿足隔音降噪、保溫隔熱等需求，通過發(fā)泡技術(shù)制備的泡沫水泥砂漿具有良好的保溫性能和隔音性能。泡沫水泥砂漿是通過物理或化學(xué)發(fā)泡技術(shù)使氣體穩(wěn)定存在于水泥體系中，經(jīng)養(yǎng)護制得的含細密氣孔并具有一定強度的水泥制品。水泥泡沫砂漿質(zhì)量輕，性能優(yōu)異，保溫和隔音性能好。本文對近年來泡沫水泥砂漿的材料、發(fā)泡關(guān)鍵問題、性能及其對應(yīng)檢測方法等方面的研究情況進行分析和匯總。

一、發(fā)泡材料及發(fā)泡技術(shù)

1.發(fā)泡劑

發(fā)泡劑是泡沫水泥砂漿的重要組成成分。通過發(fā)泡技術(shù)將預(yù)制的泡沫混入水泥體系中，或者在水泥中反應(yīng)生成氣泡并使之穩(wěn)定存在。發(fā)泡劑的含量和種類對泡沫的質(zhì)量有關(guān)鍵影響。常用的發(fā)泡劑可以分為物理發(fā)泡劑和化學(xué)發(fā)泡劑[1]。其中，物理發(fā)泡劑包含松香樹脂類、表面活性劑類、蛋白質(zhì)類及復(fù)合類；雙氧水、碳化鈣、銨鹽類及鋁粉等由于可以與水泥體系發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氣泡，可歸類為化學(xué)發(fā)泡劑。

發(fā)泡劑種類不同，其特點也有所不同。松香樹脂類發(fā)泡劑制備簡單、價格低廉，但發(fā)泡效果整體較差；陰離子型發(fā)泡劑發(fā)泡較好，但是氣泡穩(wěn)定時間過短，陽離子型發(fā)泡劑穩(wěn)定性相較于陰離子型有所提高，但價格較高；非離子型發(fā)泡劑發(fā)泡穩(wěn)定性好，但是發(fā)泡率相對較低；蛋白類發(fā)泡劑雖然發(fā)泡能力出色，泡沫尺寸均勻細膩，但難以獲取，且制備較為復(fù)雜；復(fù)合類發(fā)泡劑雖然能夠改善氣泡的穩(wěn)定性，但制備較為復(fù)雜，且性能差異較大。

2.發(fā)泡原理

（1）物理發(fā)泡原理。物理發(fā)泡即在機械攪拌作用下，利用表面活性劑包裹空氣，氣泡的泡壁是由一種或者多種表面活性劑在液面上定向排列，形成穩(wěn)定均勻的雙電層結(jié)構(gòu)，既降低了界面張力，又由于同性電子相斥，避免了氣泡之間相互接觸碰撞而發(fā)生聚合。

（2）化學(xué)發(fā)泡原理?；瘜W(xué)發(fā)泡是利用發(fā)泡劑與水泥之間的反應(yīng)生成氣體。不同的物質(zhì)與水泥反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體不同，通常有O2、H2、N2等?；瘜W(xué)發(fā)泡所產(chǎn)生的氣泡穩(wěn)定性較差，通過化學(xué)發(fā)泡方式制備泡沫砂漿時可能會產(chǎn)生較大收縮，難以控制。

3.發(fā)泡技術(shù)

根據(jù)發(fā)泡劑的種類不同，相應(yīng)的發(fā)泡方式也可分為物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡。其中，物理發(fā)泡又可分為高速攪拌制備、壓縮空氣制備兩種方式[2]。

（1）物理發(fā)泡技術(shù)。高速攪拌制備法是采用高速攪拌機對發(fā)泡劑溶液進行高速攪拌以獲取泡沫，此種方法操作簡單，較為常用，但在實際工程中需要通過中間設(shè)備將泡沫混入水泥砂漿中，且在與水泥砂漿的拌和過程中難以避免部分氣泡破滅。壓縮空氣制備法是用空氣壓縮機將空氣和發(fā)泡劑壓入發(fā)泡筒內(nèi)，在筒內(nèi)將二者混合進行發(fā)泡并從筒內(nèi)取出，此種方法的操作比高速攪拌制備法煩瑣，但發(fā)泡效率較高且能有效減少氣泡的破滅。

（2）化學(xué)發(fā)泡技術(shù)?；瘜W(xué)發(fā)泡技術(shù)不需利用發(fā)泡機，直接將發(fā)泡劑與水泥材料混合,通過化學(xué)反應(yīng)即可得到發(fā)泡材料，省時省力。但由于水泥體系主要以水泥為基體，水相并不充裕，通過此方法制備的氣泡的穩(wěn)定性難以保證，實際操作過程中容易出現(xiàn)收縮和坍塌現(xiàn)象。

二、發(fā)泡水泥砂漿性能

作為建筑工程中用于涂覆內(nèi)外墻面的重要材料，抗壓強度及黏附性能是發(fā)泡水泥砂漿的重要的力學(xué)性能指標。

1.抗壓強度

抗壓強度是泡沫水泥砂漿最為重要的力學(xué)性能指標之一，影響抗壓強度的因素很多，國內(nèi)外學(xué)者對此做了很多研究。張磊蕾[3]采用蛋白質(zhì)類發(fā)泡劑和硫鋁酸鹽水泥制作不同密度的泡沫混凝土，通過對抗壓試驗結(jié)果的分析得出“抗壓強度與其密度有緊密的關(guān)聯(lián)，隨著密度增大，抗壓強度不斷提高”的結(jié)論；而在密度提高的同時，砂漿內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化。對此，KEARSLEY 等[4]進一步驗證孔隙結(jié)構(gòu)對抗壓強度的影響，認為孔隙率取決于干密度，與水泥品種無明顯關(guān)系；隨著干密度的減小，孔隙率增大，孔隙結(jié)構(gòu)劣化，造成了砂漿抗壓強度的降低。關(guān)凌丘[5]通過測定不同齡期下的泡沫混凝土的抗壓強度，得出了同樣結(jié)論。水灰比、孔隙結(jié)構(gòu)、發(fā)泡劑及礦物摻合料等因素均能影響泡沫水泥砂漿的抗壓強度，因此，通過多種手段對其強度的影響因素進行分析，并研究各因素之間的復(fù)合作用對強度的影響尤為關(guān)鍵。

2.黏附性能

黏附性能決定了泡沫水泥砂漿能否與墻體之間有良好的黏結(jié)能力。根據(jù)規(guī)范《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T70—2009），砂漿的黏附性能可通過抗拉黏結(jié)強度或者抗剪黏結(jié)強度進行測定。王學(xué)成等[6]采用抗剪黏結(jié)強度試驗方法，對不同發(fā)泡方式制備的泡沫保溫砂漿的黏附性進行測定，研究表明采用物理發(fā)泡技術(shù)制備而成的泡沫混凝土具有更強的抗剪黏結(jié)強度。目前，針對泡沫水泥制品的黏結(jié)能力研究并不廣泛，需對此進一步深入研究。

三、泡沫水泥砂漿性能檢測方法

砂漿性能的影響因素眾多，因此，需采用合適的檢測手段對泡沫水泥砂漿的性能進行檢測和表征。

1.孔徑尺寸及孔隙分布檢測技術(shù)

泡沫砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)對砂漿的強度、隔熱性能以及降噪性能均有影響。因此，對孔徑尺寸以及孔隙結(jié)構(gòu)的評價和表征至關(guān)重要。鄧軍平等[7]利用光學(xué)顯微鏡對泡沫砂漿的截面進行觀察，較為直觀地反映出砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)，并研究其與隔熱性能的關(guān)系。除了利用光學(xué)顯微鏡，通過軟件對圖像進行處理可以進一步量化研究孔徑尺寸和孔徑分布。方永浩等[8]采用光學(xué)顯微鏡并用圖像處理軟件研究水泥粉煤灰泡沫混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，研究了氣孔參數(shù)與不同配比泡沫混凝土的干密度和抗壓強度之間的聯(lián)系。孔隙結(jié)構(gòu)和尺寸大小對砂漿的強度和隔音隔熱性能有直接影響。因此，應(yīng)通過研究影響孔徑和孔隙結(jié)構(gòu)的因素，對其結(jié)構(gòu)和尺寸進行優(yōu)化，從而提高其宏觀力學(xué)性能和隔音隔熱能力。

2.掃描電子顯微鏡檢測技術(shù)（SEM）

掃描電子顯微鏡（SEM）是一種微觀的分析手段，可以對水泥類材料的微觀形貌和組成的分布狀況進行觀測。高鶴等[9]為進一步研究穩(wěn)泡劑對泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響，選用了不同摻量的穩(wěn)泡劑制備泡沫混凝土并利用SEM 對微觀形貌進行觀察。研究表明，摻入穩(wěn)泡劑之后，泡沫混凝土內(nèi)部氣泡尺寸變小，孔隙結(jié)構(gòu)良好，封閉孔數(shù)量增多。SEM 能夠有效觀測孔隙的分布狀況以及氣泡的形態(tài)特點，并能夠觀測水泥漿體系的形貌特征。

3.X 射線衍射（XRD）

XRD 在水泥類材料中可用于檢測水泥水化產(chǎn)物的組成成分。梅軍帥等[10]利用XRD 分析了摻入了粉煤灰的珊瑚砂水泥砂漿不同養(yǎng)護齡期下的礦物相組成。通過與石英砂作為集料的水泥砂漿對比可知，摻入粉煤灰之后，XRD 圖像的CH 峰值明顯降低，表明粉煤灰的火山灰效應(yīng)造成了水泥水化產(chǎn)物中Ca(OH)2的進一步反應(yīng)，從而提高了砂漿的強度，由于珊瑚砂的主要成分為碳酸鈣，因此與標準砂漿相比，珊瑚砂漿的碳酸鈣峰值更高。XRD 可以從微觀角度分析不同類型的水泥水化產(chǎn)物的變化情況，也可研究不同外加劑或者摻合料以及不同類型集料對水泥砂漿的成分組成的影響。

4.紅外光譜分析（IR）

紅外光譜分析（IR）可以從化學(xué)角度對水泥材料的特殊官能團進行檢測，通過官能團峰值的變化研究水泥類材料水化產(chǎn)物的化學(xué)變化。梅軍帥等[10]利用IR分析了摻入了粉煤灰的珊瑚砂水泥砂漿不同養(yǎng)護齡期下的官能團變化情況。通過與石英砂作為集料的水泥砂漿對比可知，由于珊瑚砂的主要成分為碳酸鈣，珊瑚砂漿在碳酸鈣處的特征峰比標準砂漿更為顯著；通過IR 圖譜也可知珊瑚砂漿中的C-S-H 凝膠含量高于標準砂漿，表明珊瑚砂中的鈣鎂離子發(fā)生了水化反應(yīng)，使得水化產(chǎn)物增加。

四、結(jié)論與展望

雖然泡沫水泥砂漿受到了廣泛的關(guān)注和研究，但針對泡沫砂漿的黏附能力研究相對較少。此外，由于發(fā)泡劑、水泥等種類差異較大，對泡沫水泥砂漿的配合比設(shè)計難以有統(tǒng)一的標準設(shè)計規(guī)范，在實驗過程中往往需要通過大量的實驗去設(shè)計配合比。而作為砂漿的重要組成部分之一的集料，對其用量、級配以及吸水性等因素對泡沫水泥砂漿性能的影響研究相對較少，對實際工程缺乏有價值的參考。因此，在后續(xù)研究中，應(yīng)注重對集料以及黏附性能的宏觀和微觀研究。

泡沫水泥砂漿具有密度低、強度適宜等特點，可減少土木工程材料的消耗；泡沫使其保溫隔熱效果良好，同時具有良好的降噪能力。在當前和未來綠色環(huán)保及資源合理利用的大趨勢下，泡沫水泥砂漿在建筑領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。[本文系浙江省寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專項（項目編號：2019B10048）的研究成果。 ]