泡沫混凝土研究成果綜述

韓孟君 （安徽建工集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230000）

0 前言

1950 年，泡沫混凝土就由蘇聯(lián)推向中國[1]，經(jīng)過70多年的發(fā)展，我國泡沫混凝土技術(shù)得到了巨大的進(jìn)步。泡沫混凝土以其優(yōu)異的保溫隔熱性能，在節(jié)能建筑的市場上占據(jù)了擁有很大的優(yōu)勢(shì)。隨著2021 年“雙碳”戰(zhàn)略的提出，更是提高了我們對(duì)建筑節(jié)能的要求[2]。因此對(duì)泡沫混凝土現(xiàn)有成果進(jìn)行總結(jié)、推動(dòng)后續(xù)研究的展開就顯得尤為重要。

1 近些年對(duì)泡沫混凝土的研究

1.1 水灰比對(duì)泡沫混凝土的影響

水灰比是影響泡沫混凝土各項(xiàng)性能的一個(gè)重要因素。當(dāng)采用低水灰比時(shí)，其用水量不足以滿足膠凝材料的水化反應(yīng)，水化反應(yīng)不充分，將導(dǎo)致泡沫混凝土的強(qiáng)度降低[3]。同時(shí)由于用水量不足，會(huì)導(dǎo)致泡沫壁的水分被吸收參加水化反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致泡沫不穩(wěn)定、破裂。水灰比提高，漿體的流動(dòng)性能變好，有利于泡沫在漿體中均勻分布，進(jìn)而提高制品的強(qiáng)度。但當(dāng)采用過高的水灰比時(shí)，泡沫可以在漿體里移動(dòng)，相鄰的泡沫相互合并，形成較大的連通孔，不利于制品的強(qiáng)度。當(dāng)過多的泡沫合并在一起形成大的泡沫。泡沫在漿體的浮力作用下不斷上移，漿體表面產(chǎn)生冒泡的現(xiàn)象，進(jìn)而引起塌模。由此可見過高和過低的水灰比都不利于泡沫混凝土的設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)可知泡沫混凝土的設(shè)計(jì)水灰比為0.4～0.6，通常取0.5[4-6]，可依據(jù)施工要求予以調(diào)整。

1.2 發(fā)泡劑對(duì)泡沫混凝土的影響

發(fā)泡劑是泡沫混凝土得以發(fā)展的重要元素之一[7]。從發(fā)泡機(jī)理上可分為物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡。物理發(fā)泡是將發(fā)泡劑和水按照一定的比例混合，通過機(jī)械攪拌的方法制成泡沫，再將泡沫加入漿料里面攪拌混合，經(jīng)過澆筑、養(yǎng)護(hù)而制成的泡沫混凝土。物理發(fā)泡劑目前可分為松香樹脂類、表面活性劑類、動(dòng)植物蛋白和復(fù)合型四類。松香樹脂類發(fā)泡劑制作簡單且價(jià)格較低，但所發(fā)泡沫質(zhì)量差，通常用于密度低于600kg/m3的制品中。合成表面發(fā)泡劑類可按離子性質(zhì)分為陰離子、陽離子、兩性離子和非離子發(fā)泡劑[8]。陰離子性發(fā)泡倍數(shù)高且發(fā)泡快，故備受青睞。陽離子和兩性離子類價(jià)格較高，且陽離子類發(fā)泡劑對(duì)水泥強(qiáng)度的發(fā)展有一定的影響。非離子性發(fā)泡倍數(shù)低但發(fā)泡能力較好。動(dòng)植物蛋白質(zhì)發(fā)泡劑所發(fā)泡沫穩(wěn)定性很高[9][10]，消泡時(shí)間很長，多用于制備超低密度混凝土，但生產(chǎn)動(dòng)植物蛋白質(zhì)發(fā)泡劑的成本較高，此類發(fā)泡劑多用于實(shí)驗(yàn)研究。綜合前述三類發(fā)泡劑各有優(yōu)缺，沒有哪一種發(fā)泡劑能達(dá)到最佳的效果，因此基于互補(bǔ)、協(xié)同和增效等方法復(fù)合出了種類繁多復(fù)雜的復(fù)合類發(fā)泡劑。通過二者或多者的復(fù)合使用，試圖達(dá)到最優(yōu)的發(fā)泡效果，因此未來發(fā)泡劑的使用會(huì)趨向于多元化。

化學(xué)發(fā)泡是將化學(xué)藥品加入漿料中，通過藥劑的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體填充漿料。化學(xué)發(fā)泡劑主要是過氧化氫、鋁粉、電石和碳酸氫鈉等。使用化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡需注意以下幾點(diǎn)：①不同發(fā)泡劑產(chǎn)生的離子和氣體對(duì)鋼筋和混凝土的損傷，如過氧化氫與氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生氧氣和氯離子對(duì)鋼筋有腐蝕作用，碳酸氫鈉生成的二氧化碳會(huì)加速混凝土的碳化；②化學(xué)反應(yīng)受溫度的影響，低溫時(shí)，化學(xué)反應(yīng)慢，產(chǎn)生氣體少，應(yīng)適當(dāng)增加化學(xué)藥劑的用量，而高溫時(shí)則發(fā)泡量較大；③控制水泥的初凝時(shí)間，水泥凝結(jié)硬化時(shí)間過長，產(chǎn)生的氣泡在漿體里面向上移動(dòng)，造成上下層密度不勻，影響制品的強(qiáng)度及其他性能。若水泥凝結(jié)過快，化學(xué)反應(yīng)未進(jìn)行完成，制品的體積將不能達(dá)到設(shè)計(jì)的體積。

1.3 外加劑對(duì)泡沫混凝土的影響

為了改善泡沫混凝土的性質(zhì)，需要在攪拌過程中加入一定量的外加劑，如減水劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑、穩(wěn)泡劑和保水劑。減水劑是通過其表面的吸附分散和濕潤潤滑的作用，減少相同性能泡沫混凝土用水量的外加劑，能夠改善漿體的流動(dòng)性，提高制品的強(qiáng)度。早強(qiáng)劑是為了在泡沫消散之前使?jié){體快速的凝結(jié)硬化，形成穩(wěn)定的固體骨架，防止泡沫在漿體凝結(jié)之前移動(dòng)、消散造成塌?，F(xiàn)象。但有些早強(qiáng)劑會(huì)導(dǎo)致泡沫混凝土的后期強(qiáng)度下降，選取時(shí)需謹(jǐn)慎考慮。緩凝劑多用于化學(xué)發(fā)泡的泡沫混凝土的拌制。膠凝材料過早凝結(jié)會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡量不足，達(dá)不到預(yù)定的設(shè)計(jì)體積。在拌制的過程中添加一定的混凝劑，調(diào)節(jié)漿體的凝結(jié)時(shí)間，讓化學(xué)藥劑反應(yīng)充分發(fā)泡均勻。穩(wěn)泡劑可以提高液泡的強(qiáng)度韌性，增強(qiáng)液泡膜的自我修復(fù)能力從而穩(wěn)定泡沫，形成孔徑細(xì)微、泡沫分布均勻的泡沫混凝土制品。泡沫的穩(wěn)定性是保障泡沫混凝土各項(xiàng)性能的關(guān)鍵性因素。馬文華等人[11]詳細(xì)地分析了協(xié)同性穩(wěn)泡劑、增黏性穩(wěn)泡劑和固體顆粒穩(wěn)泡劑，提出不同的穩(wěn)泡劑應(yīng)視發(fā)泡劑的不同而做不同的選擇。泡沫混凝土的水灰比大多在0.5左右，且物理發(fā)泡的液泡膜也含有一定的水分，漿體發(fā)生泌水的概率很大。保水劑能夠增加漿體的黏性，減小漿體的泌水率，同時(shí)較高的黏性也能達(dá)到穩(wěn)泡的效果。

1.4 其他添加料

泡沫混凝土主要以水泥作為膠凝材料，通過水泥的水化反應(yīng)形成的穩(wěn)定化合物將氣泡封閉在固體骨架內(nèi)，形成細(xì)微的封閉孔結(jié)構(gòu)。為了節(jié)省水泥用量，李雪英[12]將礦粉和粉煤灰等廢料經(jīng)過研磨加工加入到泡沫混凝土中。經(jīng)過后續(xù)的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)礦粉和粉煤灰的加入不僅能節(jié)約水泥，還能改變泡沫混凝土的綜合性能。如加入粉煤灰會(huì)使制品的早期強(qiáng)度偏低，但后期強(qiáng)度會(huì)升高。同時(shí)由于粉煤灰表面活性很高，相比于不摻粉煤灰的泡沫混凝土需要更多的水來參與反應(yīng)。粉煤灰質(zhì)輕的特性也利于生產(chǎn)密度更低的泡沫混凝土。礦粉中含有大量的活性化學(xué)離子，這些離子能刺激水泥的水化反應(yīng)，促進(jìn)膠凝效應(yīng)的快速形成。礦粉的摻入會(huì)使泡沫混凝土的強(qiáng)度有所下降，但對(duì)泡沫混凝土的密度幾乎沒有影響。同時(shí)為了達(dá)到廢物再用發(fā)展綠色建筑的發(fā)展理念，粉煤灰和礦粉等摻合料已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際的生產(chǎn)施工中，這也對(duì)建筑的積極發(fā)展有著重大的意義。

為了提高泡沫混凝土的力學(xué)性能，楊瑞環(huán)等[13]提出纖維泡沫混凝土的實(shí)驗(yàn)研究。通過在原料中加入適量的玻璃纖維、聚乙烯纖維和聚丙烯纖維等來提高泡沫混凝土的抗壓性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，少量的纖維摻量可以提高制品的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)纖維摻量超過0.6%時(shí)，其效果不增反減。纖維的摻入對(duì)降低導(dǎo)熱系數(shù)和改善干縮性能有著顯著性的影響。泡沫混凝土中通常不添加集料作為填充。但在近些年的研究中，有易秋等人[14-17]將陶粒、聚苯顆粒和膨脹珍珠巖等輕質(zhì)固體材料添入漿料中作為填充。固體顆粒的填充可以人為地控制孔徑的大小，減少施工澆筑過程中因泡沫的不穩(wěn)定帶來的不利影響。但固體顆粒對(duì)泡沫混凝土密度的降低效果并不明顯，且陶粒和膨脹珍珠巖具有很強(qiáng)的吸水性能，所制得產(chǎn)品的吸水性能也是工程中必須要考慮的因素。

1.5 對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的研究

在對(duì)泡沫混凝土原料、外加劑和摻料研究的同時(shí)，石川等人[18-21]對(duì)泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析。羅云峰將泡沫混凝土按照孔徑大小劃分了幾個(gè)層次。孔徑小于20nm 的孔為無害孔，孔徑介于20～50nm 之間為少害孔，50-200nm 之間為有害孔，孔徑大于200nm的孔為多害孔，以此來評(píng)估孔徑大小對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響。張磊利用VHX-600E 超景深顯微鏡對(duì)生土泡沫混凝土試件斷面進(jìn)行拍攝，并對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，得出孔徑大小與水料比的變化有關(guān)，并通過SEM 微觀形貌圖發(fā)現(xiàn)在泡沫的影響下，水泥水化產(chǎn)物未能形成連續(xù)的膠凝網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而產(chǎn)生了孔徑較大的有害孔。

2 結(jié)論與展望

綜上所述，科研人員從以上多個(gè)方面展開探索研究，對(duì)泡沫混凝土的發(fā)展及生產(chǎn)施工有著重大的參考指導(dǎo)價(jià)值。隨著環(huán)保、節(jié)能建筑理念的不斷推廣，泡沫混凝土的運(yùn)用將會(huì)得到更大的發(fā)展。但泡沫混凝土的生產(chǎn)仍存在著待解決的問題：①泡沫混凝土生產(chǎn)施工的時(shí)候常常會(huì)產(chǎn)生塌模的現(xiàn)象，雖然羅云峰[21]分析過塌模產(chǎn)生的種種因素，但仍未有統(tǒng)一措施工藝避免塌模的發(fā)生；②泡沫混凝土是由漿料和泡沫攪拌混合的不穩(wěn)定混合物，在施工的過程中往往容易受到外界環(huán)境變化的影響，如何減小環(huán)境對(duì)生產(chǎn)施工的影響也將是泡沫混凝土推廣之路必須解決的一個(gè)問題；③配制泡沫混凝土的原材料的往往會(huì)給配比的設(shè)計(jì)、發(fā)泡劑的選擇及外加劑的選擇造成一定的干擾。