泡沫混凝土的制备、性能与发展前景.pdf

文章 编号 ： 1 0 0 7 0 4 6 X( 2 0 1 5 ) 0 3 - 0 0 4 3 - 0 4 生态建 材 泡沫混凝土的制备、性能与发展前景 P r e p a r a t i o n ， P e r f o r m a n c e f o r F o a me d C o n c r e t e a n d I t s D e v e l o p i n g P r o s p e c t s 程志寅 往志寅 浙江天达环保股份有限公司，浙江 杭州 3 1 0 0 0 6 摘要 ： 简述 了泡沫混凝土的发展历史，从其原材料 、制备与性能方面分析 了目前生产泡沫混凝土技术的现状。重 点介 绍 了泡沫混凝 土主要 原材料 、 生产 工 艺以及 性 能。最后介 绍 了泡沫混凝 土的发展 前景 ，将 集保 温节能 、 防火除湿等功能于一体 ，市场一片光明。 关键词： 泡沫混凝土 ；材料 、制备与性能、发展趋势 中图分类号 ：TU5 2 8 2 文献标 志码 ：A 0 前 言 1 9世纪初期，由于天气寒冷，人们对高效保温材料 需求迫切，欧洲人在前人研究的基础上对泡沫混凝土进 行了基础性研究，并首次提出了将预制气泡和水泥砂浆 混合搅拌从而生产多孔混凝土的方法。真正意义上的泡 沫混凝土在 1 9 2 3 年被瑞典人研制成功【 l 】 。 我国泡沫混凝土发展并不晚，在 2 0世纪 5 0年代发 展迅速，研制出性能优越的蒸压加气泡沫混凝土制品， 并被使用在建筑保温等实际工程中，但由于历史原因， 其发展受到阻碍 【 2 】 。 近年来，泡沫混凝土在我国重新获得兴盛发展，加 上欧洲泡沫混凝土现浇技术的传人，泡沫混凝土被广泛使 用在保温现浇两大应用领域。在建筑节能、建筑工程回填 及岩土工程等各个方面泡沫混凝土运用广泛，成效显著。 泡沫混凝土是一种轻质、多孔的建筑保温材料。它 是以胶凝材料为主体，再与外加剂、纤维及水等制成的 料浆， 加入发泡剂溶液通过化学或机械的方法发泡、 成型、 养护而成【 3 】 。 它与普通混凝土最大的区别是不使用粗集料， 硬化后的泡沫混凝土具备轻质、保温、隔音、不燃和抗 震等性能 【 4 】 。但是，由于存在大量的气泡，使得硬化后的 泡沫混凝土的强度有相当的降低，对它的使用造成了一 定的局限性。 1 泡沫混凝土主要原材料 1 1 胶凝材料 泡沫混凝土的基本原材料根据选择的胶凝体系的不 同而有所差异， 但是大致都是由胶凝材料，包括水泥、 粉煤灰、石灰和石英砂等组成，再添加水或者碱性激发 剂和发泡剂，也可以在此基础上加入其他外加剂、填料、 集料等，对其进行性能改善。 制备泡沫混凝土的关键是骨架的形成必须在泡沫稳 定期产生。如果在泡沫的稳定时间内不能产生一定强度， 会使成型后的样品中的泡沫大量破裂，导致塌模和表面 裂缝的产生。因此，要求胶凝材料的凝结时间相对要快。 根据凝结时间的不同，有硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、 高铝水泥等。此外，还有用普通硅酸盐水泥与碱性激发 剂复掺来缩短其凝结时间。另外，镁质发泡水泥、碱激 发矿粉也被用来制备泡沫混凝土。 如今在合理利用与开发资源的前提下，粉煤灰泡沫 混凝土的生产与应用已成为趋势。伴随电力工业发展， 粉煤灰废渣也与日俱增，是一种能够综合利用的二次资 源。为防止污染，利用粉煤灰生产建筑材料逐渐形成为 一 种新兴工业。在泡沫混凝土中大量应用粉煤灰可以降 低混凝土成本，又有利于环保。 3 2 0 1 5 粉煤 灰 4 3 1 2 发泡剂 发泡剂的种类及好坏很大程度上影响新拌浆体的稳 定性，最终会影响硬化后的表观密度和强度等性能。因 此发泡剂是生产泡沫混凝土的关键技术之一。 发泡剂因为都是表面活性剂或表面活性物质，因此， 可根据其水溶液的电离性质分为阴离子、 阳离子、 非离子、 两性离子四大类。在后面分类介绍时，我们也可以按照 发泡剂的发展应用史，大至分为松香树脂类、合成表面 活性剂类、蛋白质类、复合类、其他类，共 5 个类型。 松香类是第一代发泡剂。这类发泡剂主要有松香皂 和松香热聚物类。这类发泡剂发泡倍数低、消泡快、性 能不好，而生产成本较高，所以已经被第二代、第三代 发泡剂所取代。 合成类表面活性剂是第二代发泡剂。合成表面活性 剂类发泡剂按表面活性剂的离子性质，分为阴离子型、 阳离子型、非离子型、两性离子型，种类繁多。这类发 泡剂易起泡、发泡倍数高，但是存在泡壁薄、稳定性差 等缺点。其中以十二烷基苯磺酸钠为代表。 蛋白活性型发泡剂是第三代发泡剂。这类发泡剂分 为植物蛋白和动物蛋白两类。植物蛋白发泡剂包括茶皂 素和皂角苷型。动物蛋白发泡剂主要有水解动物蹄角、 水解动物毛、水解血胶三大类。这类发泡剂有较好的发 泡倍数，泡沫稳定，可以长时间不消泡，完全消泡时间 大多超过 2 4 h ，但是由于原料来源的局限，成本较高。 单一品种的发泡剂往往很难满足多种聚合物及同一 聚合物的多种加工制品性能的要求。于是，复合型发泡 剂就应运而生。复合型是第四代发泡剂。这类发泡剂是 由两种或几种发泡剂复合而成。可以发扬各发泡剂的优 点，取长补短，具有较好的市场前景。复合发泡剂主要 有美国研制的由烷基磺酸碱金属盐和水解蛋白质复合组 成的液体发泡剂和日本采用蛋白质物添加适量的阳离子 表面活性剂配成的混合发泡剂等都属于复合发泡剂。 国外对泡沫混凝土发泡剂研究较早，已有较成熟的 产品，如美国、Ii i 本、意大利等。国外的发泡剂多为蛋 白质型，其生产相对固定，已有成熟的技术指标及测试 方法。国内发泡剂主要有表面活性剂和固体树脂泡沫剂。 表面活性剂为主的发泡剂主要包括松香酸皂类发泡剂、 树脂皂类发泡剂、水解血胶发泡剂、石油磺酸铝发泡剂、 木质素磺酸盐等；固体树脂泡沫剂包括 C O N A型泡沫剂、 C C W一 9 5型固体、U型发泡剂、H J _ 3型磺酸盐系列微泡 剂等。 4 4 COALASH 3 20 15 2 泡沫混凝土的生产工艺 2 1 泡沫混凝土制备技术 目 前，泡沫混凝土的制备工艺主要采用预制泡沫后 混合法。这种方法是先通过机械的方法制出泡沫，再将 泡沫与搅拌好的料浆混合。具体做法是先将水泥、集料、 掺合料、外加剂和水按配合 比搅拌均匀，然后将预制泡 沫加入进行搅拌，拌和均匀后再倒人模板内，低幅震动 抹平，养护脱模即可。其生产工艺分为：发泡工艺，即 将发泡剂与水混合，在发泡机的高速搅拌下形成均匀细 小泡沫的过程；搅拌工艺，即将胶凝材料、轻集料和水 在搅拌机中混合的过程；混泡工艺，即将发好的泡沫和 搅拌好的浆体混合再搅拌的过程；成型工艺，即将混合 搅拌后的浆体输送到工地或放人模具中养护的过程。 2 2 预发泡技术 泡沫的质量还与发泡工艺有关，不同的发泡工艺所 产生的泡沫质量不同。目前生产中主要使用以下三种发 泡方式。 第一种是振荡法发泡。发泡剂性能测试均采用在有 一 定容积的细长圆柱形透明玻璃或塑料容器中，加入稀 释后的发泡剂母液，轻轻摇匀，然后剧烈振荡，直至泡 沫体积不再变化，使容器内发泡液充分发泡。 第二种是采用高速搅拌的方法制取泡沫。即将发泡 剂稀释溶液倒人高速搅拌机中，利用搅拌机叶片高速旋 转搅动来制取泡沫。利用高速搅拌机发泡，容易使产生 的泡沫上下泡径不均匀 ，在实 际施工中，必须经过中间 设备将发出的泡沫取出再倒人搅拌好的水泥浆中，这个 中间过程会导致部分泡沫破灭。本方法必须先发泡才能 使用，属于先制泡再拌合的方法，泡沫无法一次性用完， 容易造成发泡剂的浪费，不利环境保护。目前，采用此 种制泡技术仍较为常见。 第三种是采用压缩空气的方法制取泡沫。国外多用 此法， 我国亦获得较大范围的使用。此种方法主要原理是： 空气压缩机压缩空气后，将发泡剂稀释溶液压人特制的 发泡筒，在发泡筒的混合室中进行充分混合，然后利用 内外气压差，将形成的泡沫吹出发泡筒即可成泡。与高 速搅拌制泡相比，发泡设备较为复杂，但发泡效率较高， 且泡径均匀。另外，发出的泡沫可直接喷入搅拌好的水 泥浆中。使用本方法时，混凝土的拌合可以与发泡过程 同时进行，免去中间环节 ，可有效防止因中间环节而 引起的泡沫破灭。此外，该方法还可有效控制发泡量， 节约成本，避免发泡剂的浪费，节能环保。 3 泡沫混凝土性能 3 1 主要性能 泡沫混凝土主要是关注其干表观密度、抗折强度、 抗压强度和导热系数，有以下几点特性。 ( 1 ) 轻质。泡沫混凝土的干表观密度在 2 0 0 1 5 0 0 k g m ，与普通混凝土的 2 1 0 02 5 0 0 k g m 3 相比，是普 通混凝土的 1 1 2 1 2 。因此， 如在建筑物的内外墙体、 屋面及楼面采用泡沫混凝土贴面，一般可降低建筑物自 重 2 5 左右，从而减少建筑物对地基的重力 【 6 。 ( 2 )保温隔热性能好。由于制备泡沫混凝土要引人 大量的泡沫，硬化后其内部充满大小适中、分布均匀的 空隙。孔隙中含有空气，由于空气本身导热系数为 0 0 2 3 W m K ，导热系数越小，保温隔热性能越好。由于孔隙是 封闭的不易形成对流传热，所以泡沫混凝土的导热系数 小，有较好的保温隔热性能。因此，泡沫混凝土 自问世 以来通常被作为保温材料使用。 ( 3 ) 强度较低。虽然泡沫混凝土的干表观密度较小， 但是考虑其强度，泡沫混凝土的抗折、抗压强度都远小 于普通混凝土。简单的计算其比强度可知，泡沫混凝土 为 0 0 0 1 50 0 l N m k g ，普通混凝土为 0 O 1 0 0 3 2 N m k g ，发现泡沫混凝土的比强度远小普通混凝土的比强 度，也就导致其使用受到了一定局限。所以泡沫混凝土 的强度有待改善。 ( 4 ) 防水性能差。因为泡沫混凝土的孔隙率高，因 此其防水性能很差，不能抵御南方外界湿气和雨水浸淋。 3 2 泡沫混凝土防水性能的改善 泡沫混凝土的防水性能是泡沫混凝土耐久性的一个 重要方面，能直接降低其他因素对混凝土的破坏。泡沫 混凝土本身的多气孔结构决定了其吸水率大、防水性差 等缺点，特别是在有水压作用下，水更容易进入泡沫混 凝土内部而影响其耐久性。若泡沫混凝土内部孔结构呈 现连通性，则吸水率更高，防水抗渗性更差。因此，研 制出低吸水率、高抗渗性的防水性泡沫混凝土具有重要 意义，有利于改善混凝土耐久性。 一 般来说，根据防止潮气入侵方式的差异，可将防 水剂分为防水型和斥水型两大类 【7 】 。防水型防水剂通过在 基材的表面形成一层不透水薄膜并通过堵塞基材内部气 孑 L 来防止液态或气态的潮气水分进人，但是，由于基材 内部气孑 L 被阻塞，集料不易变干，由于其防水特性主要 通过堵塞气孔产生，因而当基材出现裂缝时，水分就会 内渗；斥水型防水剂主要是使其疏水物质附着在基材内 部的气孔上，不阻塞基材的毛细管道，用斥水型防水剂 对基材进行防水处理后，可以在阻止液体内渗的同时保 证水汽的自由出入， 从而保证基材的透气性。通常在对 新建建筑进行维护时，应选择兼具防水性和透气性的斥 水型防水剂 8 1 。另外 ，由于泡沫混凝土的特殊性 ，必须考 虑到各防水剂与气泡的相容性。 无机质系防水剂主要包捣 氯盐、 铝盐系， 如氯化铁、 氯化钙等。氯化物防水剂具有很好的防水效果，但是氯 离子易造成钢筋锈蚀。无机铝酸盐可以与水泥基质中的 水化氯酸钙反应生成具有膨胀性的硫铝酸钙，主要用于 刚性防水。另外还有硅酸钠系，如水玻璃等；硅酸质粉 末系，如粉煤灰，硅藻系等。有研究 【9 _ 表明在混凝土中 掺入 2 0 的粉煤灰后， 其火山灰活性会改善混凝土内部 的孔结构，增强其氯离子抗渗性，粉煤灰混凝土抵抗氯 离子侵蚀的能力高于普通混凝土。锆化合物等，锆与水 泥中的钙可生成不溶物质， 具有一定的憎水性。 有机质系防水剂主要包括：脂肪酸及其盐类，如硬 脂酸钙、 硬脂酸锌、 油酸等。石蜡和沥青系， 如石蜡微乳液。 树脂及橡胶系类，如天然橡胶、合成橡胶胶乳及热固性 树脂等，胡鹏、朱涵 【 l 0 等研究指出掺有 5 左右橡胶集 料的混凝土抗渗性较高。水溶性树脂系，如纤维素醚、 聚乙烯醇等。 混合系防水剂包括无机混合系、有机混合系及无机 一 有机混合系。主要是有机质系材料和无机质系材料通过 物理或化学方式进行掺合合成，其主要原理是将无机质 的膨胀性和有机质的憎水或防水性能结合起来以加强防 水抗渗效果。研究表明这样的混合合成具有较好的憎水 效果 【 1 1 4 发展前景 泡沫混凝土应用领域广阔，可用于防火墙的绝缘填 充、地面保温垫层、隔声楼面填充、墙体浇筑、上翻梁 基坑填充、地窖、地下室和拱顶填充、下水道填充、暴 雨排水道填充、隧道衬管回填；以及供电、水平地板的 加高、地底填充、储水池修筑、水管线隔离、桥体加固、 3 2 0 1 5 粉煤 灰 4 5 填充、桥面修复、火车站台的填充和修补等领域。 由于泡沫混凝土具有保温隔热、节约能源的优点， 在提倡建筑节能的今天，泡沫混凝土在未来的快速发展 是一个世界性的大趋势。水泥作为高污染行业，碱激发 胶凝材料作为水泥的替代材料已是必然的趋势；泡沫混 凝土也将从单一的保温隔热向多功能化方向发展，即未 来的泡沫混凝土将集保温、 节能、防火、除湿等多功能 于一体；泡沫混凝土将与结构材料合体，组成结构 自保 温材料体系。 泡沫混凝土的众多优质的性能品质在节能环保的事 业工作中已逐渐的彰显出来，随着这一事业的稳步前进， 泡沫混凝土行业的市场前景可谓一片光明，其产品 ( 泡 沫混凝土墙板、泡沫混凝土砌块、泡沫混凝土装饰材料、 泡沫混凝 土园林制品、泡沫混凝土耐火保 温制品 )以及 泡沫混凝土现浇市场的发展必将越来越广阔。 参考文献 1 闰振甲， 何艳君泡沫混凝土实用生产技术 M 北京： 化学工业 出版社 2 0 0 6 2 】杨南如 一类新的胶凝材料 J 水泥技术 ，2 0 0 4 ( 3 ) ：l l 一 1 7 【 3 周明 杰， 王娜娜， 赵晓艳， 等 泡沫混凝土的研究和应用最新进展【 J 】 混凝土，2 0 0 9 ( 4 ) ：1 0 4 1 0 7 【 4 丁曼防水性泡沫混凝土研究【 D 长沙： 湖南大学土木工程学院， 2 01 1 5 】周志敏高强度泡沫混凝土研究【 D 】 长沙： 湖南大学， 2 0 1 1 6 】刘警 不同胶凝体系制备泡沫混凝土的 研究 D 1 上海：同济大学 材料科学与工程学院，2 O 1 3 7 MAS T AI R W SWa t e r R e p e l l e n t T r e a t me n t s f o r Br i c k wo r k J 】 C h e mi s t r yI n d u s t r y，1 9 9 3 ，1 8 ( 1 0 ) ： 8 0 9 - 8 1 1 【 8 黄桂柏， 党涛，刘芳，等 硅烷封闭涂料用于建构筑物的维护【 J 】 新型建筑材料， l 9 9 8 ， 2 7 ( 5 ) ： 2 3 2 5 【 9 】朱桂红， 赵铁军， 张新华， 等 氯离子侵蚀的混凝土进行表面防水 处理的可行性研究 D 】 青岛： 青岛大学， 2 0 0 7 1 O 胡鹏，朱涵橡胶集料混凝土渗透性能的研究【 D 天津：天津大 学，2 0 0 8 1 1 何廷树 混凝士外加剂 M 西安 ：陕西科技出版社，1 9 8 9 作者简介： 程志寅 ( 1 9 7 4 一)， 男，工程师。 收稿 日期： 2 0 1 5年 1 月 2 9日 ( 上接第4 2 页) 4 结 论 一 图5 双掺混凝土扫描电镜图片 通过矿物掺合料对混凝土工作性能和力学性能的影 响研究，得到以下几点。 ( 1 )粉煤灰和矿粉等矿物掺合料的掺加可以改善混 凝土的和易性，特别是在复合使用时效果更加明显。 ( 2 ) 掺加矿物掺合料混凝土的早期强度会下降，但后 期强度要高于基准混凝土；当掺加 2 0 粉煤灰和 3 0 矿 粉时 6 0 d强度最高，达到 5 8 9 M P a 。矿物掺合料的对混 凝土的作用主要来自于物理填充效应和火山灰效应。 ( 3 ) 掺加矿物掺合料能降低混凝土早期水化热，特 别适用于大体积混凝土工程中，矿物掺合料的使用既降 低成本，有保护环境，且对混凝土的性能起到优化作用。 4 6 coAL AsH 3 2 01 5 参考文献 1 冯乃谦 高性能混凝土 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 6 2 】罗季英， 冷发光， 冯乃谦， 等 粉煤灰掺量对高性能混凝土强度和耐久 性的影响 J 中国建材科技， 2 0 0 1 ( 3 ) ： 1 5 1 8 【 3 盛黎 矿物掺合料对混凝土力学性能和耐久性的影响【 D 】 杭州： 浙江 大学2 0 0 1 【 4 壬伟奇， 徐丽萍， 魏学文 粉煤灰掺合料对混凝土力学性能的影响【 J 黑龙江水利科技， 2 0 0 6 ， 3 0 ( 3 ) ： 2 4 2 5 5 】翁友法， 张东 超细矿渣掺量对高强混凝土力学性能的影响 J ， 港口 工程 1 9 8 8 ( 1 2 ) ： 2 3 - 2 6 6 冯乃谦， 杨晓明， 祖黎虹 矿粉水泥混凝土中的强度效应【 M】 北京： 科学技术文献出版社，1 9 9 8 7 】B E RR Y E E ， MAL TH OT R A V M F l y As h i n C o n c e r t e i n S u p p l e me n t a r y C e me n t i n g Ma t e r i a l s for Co n c r e t e J 】 C AN ME T ， Ot t a wa ， 1 9 9 0 ， 3 ( 1 ) ： 3 2 5 - 3 3 0 8 王新杰， 马星 矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响 J 粉煤灰综合利 用 2 0 0 9 ( 6 ) ： 3 6 - 3 7 【 9 兰明章， 王晓芳 磨细矿渣的加工和应用 c 北海： 中国首届商品粉煤 灰及磨细矿渣加工与应用技术交流大会， 2 0 0 3 ： 5 8 7 6 【 l 0 】 冷发光， 冯乃谦 矿粉掺量对高强高性能混凝土强度和耐久性影响的 试验研究 J ， 中国建材科技， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 1 4 1 7 【 1 1 】 朱陪荣， 吴学礼， 杨全兵 超细矿渣掺合料对普通硅酸盐水泥性能的影 响及其作用机理 J ， 混凝土与水泥制品， 1 9 9 8 ( 6 ) ： 2 0 - 2 5 王静静 ( 1 9 8 2 一)， 女， 本科， 从事预拌混凝土技术质量工作。通信地址 山 东省烟台市莱山区飞龙路1 1 号 ( 2 6 4 6 8 0 )。 E - m a i h 5 2 7 2 9 4 6 9 5 q q e o m 。 收稿日期： 2 0 1 4年 l 2月 4日