泡沫混凝土抗沖擊特性研究

武宇　潘馨月　鄧棟文　袁通　夏奕凡　邵俊豪

摘 要：泡沫混凝土是由水泥、水和發(fā)泡劑等原材料組成的一種具有特殊孔結構的新型材料，屬于非均質材料，其內部孔隙率可達90%以上。泡沫混凝土具有多孔、質輕、高強度等特點，在建筑工程中的應用越來越廣泛。通過對泡沫混凝土制作中所需的原材料、配合比、制備方法等工藝進行研究，指出影響泡沫混凝土抗沖擊的因素，為進一步研究泡沫混凝土在實際工程中的應用奠定了基礎。

關鍵詞：泡沫混凝土；抗沖擊性；影響因素

中圖分類號：TU528.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）07-0004-03

0 引言

隨著我國工業(yè)化進程的加快，建筑工程領域中出現(xiàn)了許多需要深埋地下且承受沖擊荷載的建筑結構，如地鐵、地下車站、地下通道等。在這些建筑結構中，由于材料的性質及施工工藝等因素的限制，會出現(xiàn)因結構破壞而造成重大人員傷亡和財產損失[1]?；诖?，很多地下建筑材料開始采用泡沫混凝土。泡沫混凝土是一種由水泥、水和發(fā)泡劑等原材料組成的多孔輕質材料，由于其特殊的微觀結構和高孔隙率，使得泡沫混凝土具有較好的吸能減震特性。

目前，相關文獻中對泡沫混凝土抗沖擊性能的研究相對較少。對于泡沫混凝土的抗沖擊性能研究主要集中在3個方面：①研究不同水灰比條件下泡沫混凝土抗沖擊特性及其力學性能，對比分析水灰比對泡沫混凝土抗沖擊性能的影響。②分析不同水灰比條件下泡沫混凝土材料在不同應變率作用下的力學性能及破壞機理，建立材料動態(tài)本構模型。③研究泡沫混凝土在沖擊荷載作用下的能量耗散規(guī)律，為泡沫混凝土在建筑工程中的應用提供參考[2]。

基于以上3點，國外學者主要利用霍普金森壓桿（SHPB）試驗裝置對泡沫混凝土進行沖擊壓縮試驗研究。如Yong-Shan Kim等利用分離式霍普金森壓桿（SHPB）對泡沫混凝土進行沖擊壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土的彈性模量隨著應變率的增加而增大。Euler等采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗裝置對泡沫混凝土進行沖擊壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)隨著應變率的增加，泡沫混凝土的峰值應力不斷增大。我國對泡沫混凝土抗沖擊特性研究還處于起步階段，但對提高建筑物抵抗地震破壞能力的研究一直比較重視，對泡沫混凝土抗沖擊特性的研究，可以為建筑物結構設計提供可靠依據[3]。

1 泡沫混凝土的概念及特點

1.1 泡沫混凝土的概念

泡沫混凝土是由水泥、發(fā)泡劑及水按一定比例拌合，在模具中以一定的速度澆注成型，經過養(yǎng)護后得到的具有大量封閉的微小氣泡的混凝土。主要用于墻體保溫、吸聲降噪、房屋自保溫等方面。它是一種新型建筑材料，是一種僅由水泥和發(fā)泡劑發(fā)泡而成的混凝土，由于其獨特的性能，被廣泛應用于建筑、道路、鐵路、橋梁等工程中。

泡沫混凝土分為兩大類：一類是按體積比例混合水泥和發(fā)泡劑制成的混合泡沫混凝土，另一類是獨立發(fā)泡形成泡沫混凝土。按體積比例混合水泥和發(fā)泡劑制成的混合泡沫混凝土，在攪拌過程中，由于水泥、發(fā)泡劑與水反應生成的氣體或水泥漿體中氣泡之間互相粘連而產生泡沫，這種泡沫既能起到一定的支撐作用，又能起到一定的填充作用。

泡沫混凝土具有較高的抗壓、抗彎及抗剪強度，優(yōu)良的保溫隔熱性能和耐久性能，良好的施工性能和裝飾效果，在建筑、公路、鐵路等領域具有廣闊的應用前景。而且泡沫混凝土還能根據不同的功能要求設計成不同尺寸、不同形狀、不同密度、不同強度，能夠很好地解決施工中出現(xiàn)的問題[4]。

1.2 泡沫混凝土的特點

第一，泡沫混凝土具有優(yōu)異的保溫性能，由于其內部存在大量的閉孔，其導熱系數(shù)為0.034 W/（m·K），僅為普通混凝土的1/400。

第二，泡沫混凝土具有較強的吸聲性能，其吸聲系數(shù)約為普通混凝土的2倍。

第三，泡沫混凝土具有良好的抗沖擊性能，在同等條件下，與普通混凝土相比其抗沖擊性能提高10～100倍。

第四，泡沫混凝土具有良好的抗震性能。由于泡沫混凝土內部存在大量的空腔，且泡沫混凝土具有較高的密度，在地震作用下，泡沫混凝土能有效地吸收地震波，具有較好的抗震性能[5]。

2 泡沫混凝土的制作

2.1 原材料

制作泡沫混凝土需要的原材料有水泥、粉煤灰、發(fā)泡劑、水等。

水泥材料一般是由普通硅酸鹽水泥、石膏或礦渣硅酸鹽水泥等構成。采用這種材料制成的泡沫混凝土具有強度高、耐久性好、保溫隔熱性能好等優(yōu)點，但也存在韌性差等缺點。

粉煤灰由一種礦物組成，主要成分是硅酸二鈣和硅酸三鈣，它是由高溫燃燒后形成的粉末狀固體。粉煤灰可以分為F和C兩類。F類粉煤灰是由無煙煤或煙煤煅燒收集而來的，其含鈣量（氧化鈣含量小于10%）較低，含碳量通常小于5%。C類粉煤灰是由褐煤或次煙煤煅燒收集而來的，其含鈣量較高（氧化鈣含量通常在10%～30%），而含碳量通常小于 2%。

發(fā)泡劑以丙烯酸為主要發(fā)泡劑，其發(fā)泡效率高，而且與水反應后形成的發(fā)泡速度快。發(fā)泡劑是一種能在一定程度上調節(jié)混凝土性能的物質。通過外加劑調節(jié)混凝土性能主要有以下兩種方式：一是直接添加，即向混凝土中加入某種添加劑，使之產生化學反應生成泡沫。二是通過加入發(fā)泡劑使混凝土產生泡沫。

水一般是自來水或河水。在水泥和發(fā)泡劑的基礎上添加適量的水，攪拌均勻即可得到泡沫混凝土。由于發(fā)泡劑與水泥漿中的水反應生成的為CO2氣體，所以不會產生大量氣泡，不會影響泡沫混凝土自身強度。

水化硅酸鈣作為水泥的水化產物，在泡沫混凝土中起到骨架作用，它的含量為水泥的25%～30%。穩(wěn)泡劑對泡沫混凝土的發(fā)泡效率影響很大，可減少穩(wěn)泡劑用量。

2.2 配合比

泡沫混凝土的配合比設計是泡沫混凝土生產的關鍵，直接關系到泡沫混凝土的生產成本和生產效率，因此，必須要經過反復試驗，優(yōu)選出最佳配合比。

配合比設計的主要因素是水灰比和密度，水灰比是指單位體積水泥用量與水的比值。通常情況下，水灰比越大，混凝土強度越高；水灰比越小，混凝土強度越低。

泡沫混凝土配合比設計時要考慮以下兩點：①泡沫混凝土必須具有良好的流動性和粘聚性。②泡沫混凝土具有足夠的密實度和強度。

2.3 制備方法

拌和前，先將水泥、粉煤灰、外加劑以及水等放入攪拌桶內，用水將其潤濕，再加入發(fā)泡劑水和水攪拌均勻（此時泡沫混凝土處于最佳狀態(tài)）。然后，按配方稱量材料，倒入攪拌桶內，用木棒或橡皮錘均勻地將材料攪拌5～10 s?；炷恋呐菽a生與水泥漿的混合程度和發(fā)泡劑的發(fā)泡速率有關。按要求加入一定數(shù)量的引氣劑和穩(wěn)泡劑，繼續(xù)攪拌5～10 s，直至水泥漿和泡沫漿充分混合均勻。將所需要的混凝土用振動棒振搗密實，待混凝土有一定流動性后按要求進行養(yǎng)護。待泡沫混凝土成型后，從料斗中取出進行養(yǎng)護。

2.4 攪拌方式

一般泡沫混凝土的攪拌方式有兩種：一種是采用攪拌器攪拌，這種方式攪拌速度快，但混凝土拌合物的均勻性和流動性較差。另一種是采用機械攪拌，這種方式攪拌速度慢，但拌合物的均勻性和流動性較好。

通常情況下，采用機械攪拌的泡沫混凝土強度較高，但穩(wěn)定性和均勻性稍差。為了解決這兩種問題，一般采用機械與人工相結合的攪拌方式。

2.5 成型工藝

泡沫混凝土的成型工藝有兩種：一是將其壓制成板，即將泡沫混凝土直接壓制成板。二是采用泡沫混凝土預制件，將泡沫混凝土的厚度切成若干塊，然后把這些泡沫混凝土塊膠結在一起，使之成為一個整體。

壓制成型的工藝流程為：先通過振動將砂漿振搗密實，然后再用抹刀把泡沫塊壓入砂漿中，在完成砂漿的壓實后，將壓實面整平，并在表面刷一層水泥漿或一層水泥砂漿。這樣形成的泡沫混凝土表面比較平整，有利于下一步的抹面和下一步的施工。

泡沫混凝土預制件要先用模具澆注一定體積的水泥漿或水泥砂漿，待凝固后便可在其上放入預制件進行發(fā)泡，形成預制件。

3 影響泡沫混凝土抗沖擊因素

3.1 泡沫密度

泡沫混凝土的抗沖擊強度與泡沫密度、水灰比、膠凝材料用量有關。隨著泡沫密度的增大，抗沖擊強度也會相應增加。相關研究表明，在相同的沖擊能量下，高密度泡沫混凝土的抗沖擊強度高于低密度泡沫混凝土。泡沫混凝土中的泡沫有著自身的膨脹系數(shù)，膨脹系數(shù)越大，泡沫密度越小，抗沖擊能力越弱，反之則越大。

3.2 水泥用量

水泥用量對泡沫混凝土抗沖擊性能的影響非常顯著，可以通過改變水泥用量來提高泡沫混凝土的抗沖擊性能。在低水灰比時，水泥用量越多，泡沫混凝土的抗沖擊性能越好。當水灰比較大時，水泥用量對泡沫混凝土抗沖擊性能有一定影響。水灰比較大時，泡沫混凝土屬于非凈漿體系中，隨著水泥用量的增加，泡沫混凝土強度隨著水泥含量的增加而增大，但是超過最佳水泥用量以后，就會隨著水泥用量的增加而降低。

3.3 水灰比

水灰比影響泡沫混凝土的密度，進而影響其抗沖擊能力。對不同水灰比的泡沫混凝土進行試驗，觀察水灰比和沖擊速度、密度之間的關系，可以得出結論：水灰比為0.18時，混凝土的密度和抗沖擊能力都最好。水灰比對泡沫混凝土抗沖擊能力有很大影響，但水灰比在一定范圍內變化時，對泡沫混凝土抗沖擊性能影響不大。

3.4 養(yǎng)護條件

泡沫混凝土的養(yǎng)護條件對其抗沖擊性能有一定影響，在泡沫混凝土中摻加粉煤灰、硅灰等活性礦物摻合料可提高泡沫混凝土的抗壓強度和抗沖擊性能。

泡沫混凝土的養(yǎng)護條件具體如下：①保溫保濕養(yǎng)護時間應根據具體施工情況確定，泡沫混凝土不得少于7 d，建議7～28 d。另外泡沫混凝土表面應保持濕潤狀態(tài)。每天的具體澆搗時間可根據生產廠家提供的養(yǎng)護方式、操作方法和時間確定，一般為10：00～17：00，夏季可適當提前或推遲，但不宜超過3 h。若超過規(guī)定的養(yǎng)護時間，應采取補救措施。②養(yǎng)護用水應采用不含氯離子的飲用水，不宜使用自來水。③采用自然養(yǎng)護方式時，應在泡沫混凝土表面覆蓋塑料薄膜或草簾等材料，保持適宜的溫度、濕度和風速。④養(yǎng)護的環(huán)境溫度≥15℃，理想溫度為25～30℃。⑤室內加濕養(yǎng)護時，泡沫混凝土相對環(huán)境濕度應大于80%，建議90%左右。泡沫混凝土如含有鎂水泥制品，建議相對濕度60%～80%左右。

3.5 添加劑

泡沫混凝土中添加不同的添加劑，可以改變混凝土的性能。添加硅灰、粉煤灰等摻合料可以顯著提高泡沫混凝土的抗壓強度，但是對泡沫混凝土的抗沖擊性能并沒有顯著影響。添加粉煤灰可以有效地提高泡沫混凝土的抗沖擊性能。粉煤灰在泡沫混凝土中有填充、增稠和增強3種作用，添加粉煤灰后的泡沫混凝土抗沖擊性能提高幅度較大。

4 結束語

泡沫混凝土在抗沖擊方面具有其他材料所不能比擬的優(yōu)點，它不僅能夠提供足夠的強度，還可以將大量的能量消耗在其內部，提高了其抗沖擊能力。隨著現(xiàn)代建筑工程的發(fā)展，泡沫混凝土受到越來越多的關注，希望本文可以為泡沫混凝土在未來的工程應用提供一定的理論依據。

參考文獻

[1] 宋強，張鵬，鮑玖文，等.泡沫混凝土的研究進展與應用[J].硅酸鹽學報，2021（2）：398-410.

[2] 王小娟，劉路，賈昆程，等.陶粒泡沫混凝土的力學性能及吸能特性[J].建筑材料學報，2021（1）：207-215.

[3] 侯明昱，朱先昌，李國青，等.泡沫混凝土的研究與應用概述[J].硅酸鹽通報，2019（2）：410-413.

[4] 劉海燕，李然.泡沫混凝土吸能機理試驗研究[J].成都大學學報（自然科學版），2010（2）：1004-1221.

[5] 牟金磊，朱錫，黃曉明，等.水下爆炸氣泡載荷在加筋板塑性變形中的作用[J].振動與沖擊，2010（5）：23-36.