泡沫混凝土的制备工艺及研究进展.pdf

2 0 1 2 年 第 1 期 (总 第 2 6 7 期 ) N u mb e r 1 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOL OGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 1 0 4 5 泡沫混凝土的制备工艺及研究进展 蒋晓曙 ， ( 1 常州工学院 土木建筑工程学院，江苏 常州 2 1 3 0 0 2 ；2 李莽 2 南京工业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 2 1 0 0 0 9 ) 摘要 ： 泡沫混凝 土是一 种新型的节能环保型建筑材 料 ， 泡沫混凝土的主要特性有 ： 轻质 、 保温隔热性 能好 、 隔音性能好 、 防水 性能强 、 环保性能好等； 研究了泡沫混凝土的制备原理以及制备工艺； 综合论述了泡沫混凝土在国内外应用的研究进展； 指出了泡沫混凝土应用 的问题 ， 并对前景进行 了展望。 关键词 ： 泡沫混凝土 ；节能 ；应用 ；制备工艺 中图分类号： T U5 2 8 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 叭一 0 1 4 2 0 3 Pr e pa r a t i on t e c hnol og y a nd r e s ea r c h pr ogr e s s of f oam c on cr e t e J I ANG Xi a o s hu ， L IM a n g。 ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n dC o n s t r u c t i o n ， C h a n g z h o uI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， C h a n g z h o u 2 1 3 0 0 2 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Mat e fi a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ， Na n j i n g Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Na n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： F oa m c o n c r e t e i s a n e w k i n d o f e n e r gy - s a v i n g a nd e n v i r o n me n t a l l y f r i e n d l y b u i l d i ng ma t e ria l s T he ma i n f e a tur e s o f f oam c o n c r e t e a r e l i g h t we i g h t ， t h e r ma l i n s u l ati o n p e r f o r m a n c e ， s o u n d p r o o f pe r f o rm a n c e ， wa t e r p r o o f p e r f o rm a nc e， e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e ， e t c ； S tu d y t h e p rin c i p l e o ft h e p r e p ara t i o n o ff o a m c o n c r e t e a n d th e p r e p a r a t i o n p r o c e s s ； Ov e r v i e w t h e r e s e a r c h p r o g I e s s o fa p pl i c a t i o n a t h o m e a n d a b r o a d； Th e p r o bl e m s o ft h e a p p l i c a t i o n o n fo a m c o n c r e t e a n d t h e p r o s p e c t a r e s h o wn Key wor ds ： foa m c o n c r e t e； e n e r gy c o n s e rva t i o n； a p p l i c a t i o n； p r e para t i o nt e c hn o l o gy 0 引言 能源问题是当今世界极为关注的问题， 而建筑能耗在社会 总能耗中占很大的比例 ， 据统计， 在发达国家， 空调采暖能耗占 建筑能耗的 6 5 。 目前， 我国的采暖空调和照明用能量近期增长 速度己明显高于能量生产的增长速度 ， 因此， 减少建筑的冷 、 热 及照明能耗是降低建筑能耗总量的重要内容， 开发新型节能环 保型建筑材料_ 1 j可以减少建筑能耗起到节能的作用。 泡沫混凝土又名发泡混凝土 ， 是一种新型的节能环保型 建筑材料， 泡沫混凝土的主要特性有 ： 轻质、 保温隔热性能好 、 隔音耐火性能好、 防水性能强、 环保性能好等3 1 。 正因拥有如此 多的优异性能， 泡沫混凝土必将被广泛应用于我国的节能减排 计划 。 1 泡沫混凝土的制备 原理及 工艺流程 1 1 原 理 泡沫混凝土是由泡沫分散于水泥浆中， 然后通过胶凝作用 固泡所形成的。 因此， 泡沫是泡沫混凝土形成的主要条件和物质 基础。 没有泡沫就没有泡沫混凝土。 当泡沫被水泥浆凝结固定 之后， 就形成了细密的气孔结构。 气孔的形成一般经历以下几个 过程 4 1 ： ( 1 ) 气液界面向气一 液一 固界面的转变。 泡沫本来是气液两 相体系， 由液膜包围气体。 而胶凝材料是水和胶凝材料颗粒形成 的液固两相体系， 泡沫混入胶凝材料浆体， 二者就变成气一 液一 固 收稿 日期 ：2 0 1 l _ 0 7 3 1 1 4 2 三相体系， 即料浆是由气泡 、 水 、 固体颗粒组成。 这一变化使气 泡的液膜随之发生重大变化。 这变化有 3个： 气泡由单纯 的液膜变成液固复合膜； 气泡受到挤压力变大； 气泡的形 状发生改变。 在这一转变过程中， 泡沫的机械强度仍以液膜为主。 ( 2 ) 气一 液一 固界面向气固界面的过渡。 这一阶段从浆体成 型后到浆体初凝后结束。 在这一阶段， 也就是胶凝材料的静停阶 段 ， 黏附在气泡上的胶凝物质开始逐渐产生强度 ， 但强度仍然 很差， 不足以支撑泡沫体。 因此， 此时泡沫强度是一种复合强度 ， 既有泡沫初始的液膜机械强度， 也有胶凝物质产生的附着层强 度， 并且液膜强度仍处于主导地位。 这一阶段是泡沫混凝土生产 的最关键的阶段 ， 浇筑后的塌膜大部分在这一阶段发生， 这一 阶段的长度， 取决于胶凝材料的初凝时间和胶凝材料水化产物 的类型 。 ( 3 ) 气一 固界面的形成。 在这一阶段 ， 泡沫发生实质性的变 化 ， 当胶凝物料初凝后 ， 水化开始加快进行， 大量的水化热使泡 沫液膜的水分蒸发， 最后逐渐消失 ， 原来附着在液膜上的水化 物形成一个包围气体的胶凝层， 泡沫最终转变成气一 固界面， 泡 沫变成气孔， 形成泡沫混凝土。 1 2工 艺流程 目前泡沫混凝土的制作方法主要包括以下两种： 一种方法 是先制备出泡沫 ， 再将制备出的泡沫与砂浆拌和， 这种方法又 被称为预制泡混合法5 。 另外一种方法是混凝土的拌和与发泡 是同时进行的， 称为混合搅拌法。 以下着重讨论预制泡混合法的 工 艺流程 。 泡沫混凝土按工艺类型分为制品生产工艺和现浇工艺两 种。 两种工艺只是在浇筑和养护方式这 2个后期工序上有些差 别 ， 在发泡和泡沫料浆制备这两个核心工艺上基本相同。 图 1 是 泡沫混凝土的框式工艺过程示意图。 图 1 泡沫混凝土的框式 工艺过程示意图 2 泡沫混凝土的应用进展 泡沫混凝土在我国起步较晚， 所以现在大多数还只应用在 建筑节能方面， 而在国外泡沫混凝土的应用已相当广泛， 包括 工程、 工业和园林艺术等方面的应用。 随着技术的不断创新， 国 家政府的大力推广， 在其他方面的应用也会不断扩大。 2 1 建筑节能方面的应用 泡沫混凝土在建筑节能方面的应用主要有屋面保温隔热、 墙体保温隔热、 墙面保温隔热以及地面保温。 按其成型工艺又可 分为制品和现浇两大类。 目前在建筑节能应用最广泛的产品 有： 泡沫混凝土砌块和泡沫混凝土保温层现浇。 ( 1 ) 泡沫混凝土砌块。 泡沫混凝土砌块是泡沫混凝土在墙体材 料中应用量最大的一种材料。 一般用密度等级为9 0 0 1 2 0 0 k g m 的泡沫混凝土砌块作为框架结构的填充墙甸 ， 其导热系数一般 都小于 0 2 1 w ( m K) ， 保温效果是黏土砖的 4 倍 ， 空心砌块的 3 倍， 大大减少空调的运行时间， 节约能耗 3 0 5 0 ， 是实现建 筑节能的首选墙材。 ( 2 ) 泡沫混凝土保温层现浇。 现场浇筑泡沫混凝土， 是在施 工现场将泡沫混凝土经过泵送系统进行现浇施工， 经自然养护所 形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。 它的导热系 数为 0 0 6 0 2 8 W ( m K) ， 传热阻约为普通混凝土的 1 0 2 0倍。 只需使用水泥发泡机可实现自动化作业， 可实现垂直高度 2 0 0 m 的远距离输送， 工作量为每个工作日 1 5 0 3 0 0 m3 。 2 2工 程 工 业 应 用 这是近几年发展较快的应用领域， 起步虽迟于建筑节能应 用， 但应用量上升较快， 应用范围也在不断扩大。 ( 1 ) 挡土墙 。 主要用作港 口的岩墙 。 泡 沫混凝 土在岸 墙后用 作轻质回填材料可降低垂直载荷， 也减少了对岸墙的侧向载荷。 这是因为泡沫混凝土是一种黏结性能良好的刚性体， 它并不沿 周边对岸墙施加侧向压力， 沉降降低了， 维修费用随之减少 ， 从 而节省很多开支。 泡沫混凝土也可用来增进路堤边坡的稳定性 ， 用它取代边坡的部分土壤， 由于减轻了质量， 从而就降低了影 响边坡稳定性的作用力。 用于减少侧向压力的泡沫混凝土的密 度为 4 0 0 - 6 0 0 k g m3 。 ( 2 ) 补偿地基 。 现代建筑设计与施工越来越重视建筑物在 施工过程中的自由沉降。 由于建筑物群各部分 自重的不同， 在 施工过程中将产生 自由沉降差， 在建筑物设计过程 中要求在建 筑物自重较低的部分其基 须填软材料， 作为补偿地基使用。 泡 沫混凝土能较好地满足补偿地基材料的要求。 比较著名的工程 有美国奥克兰 C y p r e s s A v e n u e的重建工程研， 在 1 9 8 9 年的地震 中原工程遭到了严重的破坏， 在重建工程中选用了泡沫混凝土 来降低土壤沉降以及降低未来可能地震震动对其产生的破坏， 因 为泡沫混凝土中含有的大量泡孔， 具有显著的消震作用。 这项工程 总共使用大约 7 3 4 0 0 m3 的 5 0 0 k g m 3 密度 、 1 0 MP a强度的泡 沫混凝土。 ( 3 ) 耐火应用。 由于泡沫混凝土具有很好的隔热性能 ， E P Ke a r s l e y等人8 1 尝试用泡沫混凝土作为窑炉的耐火隔热材料， 其 试验表明， 普通硅酸盐水泥制备的泡沫混凝土在 4 0 0后 ， 材料 就会被高温破坏而不能使用， 但是使用高铝水泥等特种组分水 泥以及其他一些材料制备的泡沫混凝土则最高可以经受 1 4 5 0 高温的考验， 再加上其可浇筑施工， 因此在高温窑炉耐火隔热 领域具有一定的应用前景。 ( 4 ) 军事应用。 泡沫混凝土在军用领域主要有两个方面： 一 是射击靶场方面，另一方面就是地下抗爆坑道建设方面。 主要 是利用了泡沫混凝土耗能消震性能。 美国军事工程研究与发展 中心土工技术与结构实验室开发了一种纤维增强泡沫混凝土 ， 专门用于实弹训练。 另一方面在地下抗爆坑道结构中， 夹芯泡沫 混凝土作为耗能层 ， 爆炸应力波通过泡沫混凝土层时， 其可以 产生大变形 ， 调节结构的变形， 可以减缓对下面结构的冲击。 ( 4 ) 化工应用。 泡沫混凝土常用于化工储罐底角的浇筑， 将 泡沫混凝土浇筑在钢储罐底脚的底部， 这样可确保整个箱底的 支撑在焊接时处于最佳应力状态， 这一连续的支撑可使储罐采 用薄板箱底， 同时凸形地基也易于清洁。 泡沫混凝土的使用密 度 为 8 0 0 - 1 0 0 0k g m3 。 ( 5 ) 园林绿化应用。 将发泡混凝土做成密度在6 0 0 1 0 0 0 k g m， ， 可用来做园林中的扶手、 假山、 凳子 、 桌子等。 ( 6 ) 其他应用。 泡沫混凝土也可用于报废废井的地下回填 ， 防火墙的绝缘填充， 隔声楼面填充， 隧道衬管回填以及供电、 水 管线的隔离、 装饰材料等方面。 3 泡沫混凝土应用中常见问题 由于用料、 施工方法和管理等方面的因素， 使配制的泡沫 混凝土往往不尽人意， 尤其是在使用性能上表现出一些不足， 如 抗压强度偏低、 干燥收缩开裂以及塌陷量较大等问题。 3 1 抗压强度的影响因素 ( 1 ) 原材料及配合比的影响。 制备泡沫混凝土的原材料主 要有胶凝材料水泥以及粉煤灰和纤维等填料， 泡沫混凝土的强 度主要来源于水泥。 配制泡沫混凝土采用的水泥强度等级低 ， 或者掺加的水泥用量不足 ， 或者使用的水泥过期、 受潮、 结块均 可造成泡沫混凝土的抗压强度较低。 泡沫混凝土的配合比设计 不当， 组成材料的比例不对， 尤其是水料比例过大， 或者在配制 中计量不准确时， 也会造成强度偏低。 ( 2 ) 养护条件的影响。 养护温度湿度对泡沫混凝土的强度 及强度发展均有重大影响。 泡沫混凝土成型水灰比较大， 故应加 强早期养护 ， 防止水分蒸发过快而导致的强度降低和开裂等， 当养护温度提高时， 水泥的水化速度加快， 泡沫混凝土早期发 展迅速。 相同原料及配合比， 蒸压强度最高、 蒸养次之、 自 然养 护最差 。 ( 3 ) 外加剂的影响。 泡沫混凝土中所涉及的外加剂主要有 发泡剂、 减水剂和掺合料的激发剂。 采用的泡沫剂存放时间太长， 】 43 泡沫剂发生变质， 泡沫的稳定性( 坚韧性 ) 变差， 或者泡沫剂的 掺量过多 。 3 2 收缩开裂的影响 因素 ( 1 ) 水泥用量和种类的影响。 普通硅酸盐水泥在水化硬化 过程中固相体积是增加的， 而水泥和水体系是收缩的。 其次， 水 泥水化过程中还伴随放热， 引起初始体积膨胀而冷却时又收缩， 导致表观收缩量增大。 另外， 水泥水化过程中还存在自收缩现象。 所以， 一般情况下如果其他条件基本相同， 水泥用量增加 ， 泡沫 混凝土的收缩也会相应增大。 ( 2 ) 集料的影响。 掺加体积不变的集料可有效地减少混凝 土的收缩 ， 但是在泡沫混凝土中只能掺加细集料。 不过由于集料 是惰性物质， 过多的掺入会导致混凝土强度的降低。 ( 3 ) 水灰比和养护条件的影响。 水分的蒸发对泡沫混凝土 的开裂有着直接的影响。 根据经典水泥的水化理论 ， 水泥完全 水化的水灰比为 0 3 8 ， 但是泡沫混凝土的水灰比往往高达 0 7 甚 至 0 8 。 多余的水分遇到高温或干燥环境时就会蒸发逸出， 从而 使得泡沫混凝土收缩开裂。 尤其在成型的早期， 当缺乏有效养护 时， 这种情况尤为严重。 由此可见， 低水灰比是保证泡沫混凝土 不开裂的一个关键因素。 3 3 塌陷量较大的影响因素 在泡沫混凝土浇灌入模硬化后 ， 有时可见到明显沉陷和塌 陷现象， 其表观密度和热导率均比正常值大， 绝热性能比较差， 其隔热保温性能不能满足设计要求， 这一问题主要和发泡剂的 使用配合比有关 。 在配制泡沫混凝土时， 水泥与发泡剂的比例 不当， 水泥用量过少， 发泡剂用量过多， 结果就会出现表面坍陷 较大。 配制泡沫混凝土采用的发泡剂存放时间太长， 发泡剂发生 变质， 泌水性较大， 泡沫的稳定性变差或者发泡剂的掺量过多， 都会造成泡沫混凝土的塌陷。 综观上文所述 要克服强度低、 干燥收缩开裂以及塌陷等 质量问题， 主要的技术途径有 ： 选择适当的水泥品种及用量； 制 定适当的配合比并确保低水灰比； 采用优质发泡剂和高效减水 剂制备泡沫混凝土； 加强早期养护， 优化养护， 加强保水措施。 0 4结 语 随着建筑节能问题的日益突出以及 国家对建筑节能的大 力支持，泡沫混凝土的应用前景必将越来越广阔。 泡沫混凝土 在建筑保温领域的应用， 已从初期发展到全面推广应用阶段。 在 今后 3 - 5 年内， 我国将完成泡沫混凝土高速发展的条件准备， 为 大规模应用奠定各方面的基础。 一个泡沫混凝土全面发展的辉 煌时代即将到来， 我国泡沫混凝土将进入大规模应用的时期。 参考文献 ： 1 】任导群， 孙爱莉 ， 陈海序 建筑节能浅析 J 黑龙江电力 ， 2 0 0 0 ( 5 ) ： 41 6 4l 8 2 】刘子全， 王波， 李兆海 ， 等 泡沫混凝土的研究开发进展l J 1 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 2 4 2 6 3 】 蔡娜 超轻泡沫混凝土保温材料的试验研究 M 】 重庆： 重厌大学 ， 2 0 0 9 4 闰振甲， 何燕君 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 5 5 潘志华 新型高性能泡沫混凝土制备技术研究 建筑石膏与胶凝材 料， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 1 - 5 【 6 张忠球， 谢朝军 新型超轻保温混凝土砌块的探索性研究【 J 】 _ 建筑砌 块与砌块建筑， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 4 3 4 4 7 】 扈士凯 ， 李应权 ， 徐洛屹， 等 国外泡沫混凝土工程应用进展 混凝 士世界， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 4 8 5 O 8 K E A R S L E Y E P， WAI N WR I G H T P J T h e e f f e c t o f p o r o s i t y o n t h e s t r e n g t h o f f o a me d c o n c r e t e J 1 C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 2 ) ： 2 3 3 - 2 3 9 【 9 】ME H T A P KS t u d i e s o n c h e m i c M r e s i s t a n c e of l o w w a t e r c e me n t r a t i o c o n c r e t e s J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e arc h ， 1 9 8 5 ， 1 5 ( 6 ) ： 9 6 9 9 7 8 【 l O U k 奇， 霍冀川， 等 发泡剂及泡沫混凝土的研究进展l J J 化学工业与 工程 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 ) ： 7 3 7 8 作者简介： 蒋晓曙( 1 9 5 9 一 ) ， 男， 副教授。 联系地址： 常州常工院建设工程质量检测所有限公司( 2 1 3 0 0 2 ) 联 系电话 ： 1 5 8 5 1 8 9 1 3 5 6 _ l 堕 蜀 口 福田 雷萨 精 彩 预演 近 日， 伴随着中国首款国 I V 自主品牌 5 2 m泵车的上市， 福田汽车旗下的高端装备制造品牌“ 福 田雷萨( L O XA) ” 跃人大众视 线。而福田雷萨也凭借该款产品， 创造了国产底盘泵车的众多“ 第一” ， 迅速确立了其在泵车制造业的领先地位和品牌声响。 从 1 9 9 6年的百人小厂到 2 0 1 0 年的全球产销最大的商用车制造商， 福田汽车身上一直不乏众多奇迹。 2 0 1 0 年底， 福田汽车发布 了其 2 0 2 0战略， 明确指出了其“ 新五大战略业务” ， 其中很重要的一项便是高端装备制造业。 所以此番高调亮出其高端设备制造品牌 雷萨( L Ox A) ， 自是让业界人士和用户关注和寄望更多。 2 0 0 5年， 在充分研究客户需求的基础上 ， 福田雷沃通过价值创新原理， 成功开发最新一代产品第四代泵车， 将用户对其搅拌车 专用底盘的深刻印象转移到混凝土泵车上来 ，并彻底打消了客户对泵车专用底盘应用于混凝土泵车的疑虑，为市场开拓奠定了基 础， 堪称“ 中国商品混凝土机械的一次行业革命” 。 进入 2 0 0 9年， 福田雷沃进入突破超越阶段， 并于 2 0 1 0年正式成为福田汽车专用车业务的事业部， 自此， 福田雷沃的专用车业务 站在了更为坚实和广阔的发展平台之上。 2 0 1 1 年 1 月， 为了更好、 更快地发展高端装备制造业 ， 同时为福田汽车国际化战略奠定基础， 福 田汽车将福田雷沃的混凝土业 务分离， 并正式设立“ 雷萨泵送事业部” ， 雷萨( L O XA) 品牌正式诞生。新事业部以“ 科技、 创造、 品质” 为企业核心价值观， 以“ 为全球 用户提供最大价值的泵送机械整体解决方案” 为使命， 并以“ 成就全球中高端泵送机械用户的价值理想” 为品牌愿景。 这一切有理由让我们相信， 高端装备制造业一颗新星正冉冉升起， 它将开创属于自己的“ 雷萨” 新时代 ； 而此番我国首款国 标 准 5 2 m自主品牌泵车掀起的精彩仅是一个漂亮的预演。 1 4 4-