各种泡沫参数对泡沫混凝土性能的影响研究.doc

各种泡沫参数对泡沫混凝土性能的影响研究
扈士凯1 李应权1 罗宁2 段策1
（1建筑材料工业技术监督研究中心，2北京中建国信科技开发中心 北京 100024）

【关键词】本文对泡沫容重、泡沫掺量、泡沫孔径分布等因素对泡沫混凝土性能的影响进行了研究。结果表明:泡沫容重对泡沫混凝土的强度等性能有显著影响。本文认为泡沫容重在70-90g/l时最为合适；随着泡沫掺量的提高，泡沫混凝土的干表观密度及强度逐步降低；泡沫孔径分布不均匀，对泡沫混凝土的力学性能有负面影响。
【摘要】泡沫 泡沫混凝土 泡沫容重

Study on the foamed concrete performance impacted by foam parameter
Hu Shikai1 Li Yingquan1 Luo Ning2 Duan Ce1
(1 Technology Supervision and research center of building material Industry，
2 Beijing zhong jian guo xin technology develop center Beijing 100024)
【Abstract】Properties of the foamed concrete influenced by weight of foams， Experiences indicate:the weight of foams have great influence to the strength of the foamed concrete， the best weight range of foam is 70-90g/l. As the increase of foam quantity， the density and strength reduce gradually. If the distribution of the bubble diameter is inhomogeneous， the strenth is lower in the same dry density.
【Keywords】foams foamed concrete foam weight

1 引言
泡沫混凝土是由预制出的泡沫与水泥（砂）浆均匀混合、硬化而成的一种多孔材料，具有轻质、保温隔热、低弹性模量、大流动度等特点，在屋面、地暖以及回填工程中得到了广泛的应用。在影响泡沫混凝土性能的诸多因素中，泡沫自身的性能起着很大的作用，相同的配合比，使用不同的泡沫便会得到性能差别很大的泡沫混凝土材料。本文就泡沫容重、泡沫掺量、泡沫孔径分布等泡沫参数对泡沫混凝土性能的影响进行了论述。
2 实验原材料及方法
2.1 主要原材料
硫铝酸盐水泥：北京中岩特种工程材料公司；
HJ-1高性能泡沫剂：北京中建国信科技开发中心出品；
专用减水剂：北京中建国信科技开发中心出品。
2.2 试验方法
用SP-Ⅱ新型发泡机将发泡液制成泡沫，按一定比例将泡沫与搅拌好的水泥净浆混合均匀后，注入钢制试模，24小时拆模后在标准条件下养护至规定龄期，测试方法参照JC/T1062-2007泡沫混凝土砌块标准。
3 实验结果及分析
3.1 泡沫制备及评价参数
目前可以通过两种方式来制得泡沫。一种是高速搅拌法发泡，即将发泡剂溶液倒入高速搅拌机中，然后用搅拌机的叶片高速搅拌发泡剂溶液制取泡沫。这种方法存在的缺点是泡沫直径不均一，搅拌机内泡沫容重不均一而且发泡倍数低。另一种方法是压缩空气法制泡，这种发泡工艺的压缩空气发泡设备与高速搅拌机相比较为复杂，但综合性能更好。即利用空气压缩机将发泡剂溶液和压缩空气在混合室内进行混合，然后在压缩空气的作用下，穿过一个特制的发泡管制成泡沫，发泡管内有的采用磁片，有的采用玻璃球，有的采用铜网筛。该方法发泡效率比较高，制出的泡径均一，容重均匀，而且可以将泡沫直接吹入搅拌好的水泥浆中，减少了中间环节，更好地防止中间环节导致的泡沫破灭。

图1 两种制泡方式(左图为高速搅拌发泡，右图为压缩空气发泡)
泡沫性能的评价参数，一般包括发泡倍数、半消时间、泌水量等，本研究在制备水泥泡沫材料时一般将泡沫容重作为评价泡沫质量的主要指标，一方面是由于泡沫容重测量更为方便直观；另一方面泡沫容重几乎可以直接或间接反映所有泡沫质量指标：①由泡沫容重、发泡液的总质量可以计算出泡沫体积，进而得出发泡倍数；②泡沫容重可以反映泡沫直径的大小，一般泡沫泡径大时，制得的泡沫体积必然要大，表现为泡沫容重较小，反之，如果制得的泡沫容重较大，则证明单位体积的含气量较小，排除含有未成泡的发泡液之外，一般表现为泡径的变小。③泡沫容重可以反映泡沫的稳定性。制出泡沫后，可以每隔一段时间测试一次泡沫容重的大小，由此可以画出泡沫容重的经时变化曲线，泡沫容重变化较小则可反映出泡沫的泡径、水分含量变化较小，说明泡沫比较稳定；反之，如果泡沫不稳定，则一定表现为泡径变大，水分泌出，这种情况下泡沫容重必然是变小的。为试验操作方便我们将泡沫容重作为评价泡沫性能的基本指标。
3.2 泡沫容重对材料性能的影响
影响泡沫容重的因素很多。本研究用发泡机制泡，影响泡沫容重的首要因素就是压缩空气的气压，气压越大则发泡效率越高，发泡液变为泡沫越充分，因此泡沫容重就越轻，反之则泡沫中含有未成泡的发泡液，容重就较大；再者泡沫容重还和发泡液的浓度有关，粘度较大的发泡液生成的泡沫泡壁较厚，容重稍大。但是，相对来说，起主要作用的还是气压，浓度所起的作用不如气压那么明显。另外，影响泡沫容重的还有温度，发泡液温度较高时，泡沫泡径大，容重较轻。最后，泡沫是一种不稳定的气-液两相体系，当泡沫制备完毕后，组成泡膜的发泡液在重力和表面张力等因素作用下，会向下运动，即所谓的排液现象，泡壁逐渐变薄，因此泡沫容重随着时间的推移也会逐渐变小。以上所有这些因素都会对泡沫容重产生影响，下面我们由发泡液温度这一因素为例来制得不同容重的泡沫，研究不同泡沫容重对泡沫混凝土性能的影响。
表1 发泡液温度通过泡沫容重的变化对材料的影响
发泡液温度(℃)
泡沫容重（g/l）
干表观密度(kg/m3)
抗压强度(kPa)
7d
28d
7d
28d
20
75.9
265
268
349
388
40
54.8
295
318
238
245
60
42.6
514
526
646
690
80
26.3
710
714
1502
1789

图2 发泡液温度对泡沫容重的影响
图3 泡沫容重对材料干表观密度（28d）的影响

图4 泡沫容重对材料（28d）抗压强度的影响
由图2可知，随着发泡液温度的升高，泡沫容重急剧下降，主要是因为温度高时，热空气的高能状态造成泡沫的直径变大，泡沫体积变大，表现为发泡剂的发泡倍数变大，因此相同体积的情况下，质量大幅减少。虽然发泡剂的发泡倍数得到了提高，但是泡沫稳定性却随温度升高而下降。高温时，泡沫的破灭由泡沫柱顶端开始，泡沫体积随时间增长呈规律性减小这是由于在最上面的液膜上侧，总是向上凸的，这种弯曲膜对蒸发作用很敏感，温度越高蒸发越快，膜变薄到一定厚度时就破裂了[1]，因此大多数泡沫在高温下是不稳定的。
如图3，掺入相同体积的泡沫，泡沫容重越小制得的泡沫材料的干表观密度越大，这说明容重轻的泡沫，由于泡径较大，在与相同的水泥浆混合时更容易破裂，造成泡沫体积的损失，使得混入水泥净浆的有效泡沫体积减少，最后得到的材料变重。
泡沫容重对材料抗压强度的影响较为复杂，一般在其它条件不变的情况下，水泥泡沫材料的强度随材料的干表观密度的减小而降低，由图4可知，本试验制得的材料在干表观密度相差较大的情况下也符合这样的规律，由于低容重的泡沫在混入水泥浆时体积损失较大，造成材料干表观密度增大，强度也较高。然而，水泥泡沫材料的强度还和孔径大小、分布等有关。因此，在干表观密度相差不是很大的情况下，虽然由容重75.9g/l的泡沫制得的水泥泡沫材料的干表观密度低于由容重54.8g/l的泡沫制得的材料，但是由于高容重的泡沫泡径较小、泡壁较厚，制得的泡沫材料孔径小、孔径分布较均匀，造成稍低容重的水泥泡沫材料强度较高，即在高性能泡沫等因素下，低容重的泡沫混凝土的强度可以大于高容重的泡沫混凝土强度。
其它影响泡沫容重的因素如：发泡液浓度、时间、压缩空气气压等对水泥泡沫材料性能的影响规律与温度类似，他们均是通过影响泡沫容重、泡径分布等泡沫性能来影响水泥泡沫材料的性能。
值得注意的是，并不是容重越高的泡沫越适合制备水泥泡沫材料，因为当泡沫容重大到一定程度时，其表现形式是泡沫中包裹着大量未成泡的发泡液，比如用搅拌方式制得的泡沫容重有时达到200g/l，这其中就含有大量的发泡液，放置一定时间后，在重力作用发泡液向下运动，不断泌出，一方面影响泡沫稳定性，另一方面由于总水胶比过大，会降低材料强度。比较理想的泡沫应该是发泡液充分生成泡沫，不含自由液体，泡径均匀、细小，这样的泡沫最适合用来制备水泥泡沫材料。

图5 不同泡沫容重制得的泡沫材料孔径对比
3.3 泡沫掺量对材料性能的影响
加入不同数量的泡沫就可以制得不同容重级别水泥泡沫材料，材料的性能也会随之发生相应的变化，下面我们通过固定采用相同的水泥净浆，然后向其掺入同条件下制得的不同掺量的泡沫，得到的不同容重的材料的基本性能见表2。
表2 泡沫掺量对材料基本性能的影响
泡沫掺量（L）
料浆湿密度
(kg/m3)
干表观密度(kg/m3)
抗压强度(kPa)
7d
28d
7d
28d
13
230
189
192
188
223
11
275
252
254
438
481
7
328
334
340
608
721
5
444
451
470
1733
1979
3
663
749
758
4845
5944

图5 泡沫掺量对材料密度的影响

图6 泡沫掺量对抗压强度（28d）的影响
图7 材料干表观密度与抗压强度之间的关系
由上图5可知，随着泡沫掺量的逐步增加，泡沫料浆湿密度与材料的干表观密度明显降低，显然这是由于不断增加的泡沫引入了大量的空气，单位体积的胶凝材料逐渐减少造成的。然而，图中泡沫浆料的湿密度与最终材料的干表观密度之间却有一个交叉点，当泡沫掺量较少时，材料干表观密度大于料浆湿密度；而当泡沫掺入较多时，材料干密度小于泡沫料浆的湿密度。造成这种现象的原因是由于本研究主要针对超低密度的水泥泡沫材料，因此为保证材料的强度，在聚羧酸盐高效减水剂的帮助下，采用了较低的水胶比，所以在泡沫掺量较少的情况下，加上泡沫中所含的水，总水胶比依然小于本试验所用硫铝酸盐水泥完全水化所需的用水量，在标准条件养护时，水泥水化结合了大量的外部的水，造成密度变大。而在泡沫掺量较多时，总水胶比（加上泡沫中所含的水）非常大，因此在养护烘干过程，除了水泥水化所需水之外，多余的水份逐渐失去，干表观密度（干密度）是小于泡沫料浆湿密度的。
图6是泡沫掺量对材料28天抗压强度的影响，由于泡沫掺量逐渐增加，一方面引入了大量气孔，另一方面泡沫中含有大量的水份和一定量的表面活性剂，这两方面因素造成了材料强度的急剧下降。而在图7干表观密度与抗压强度的关系中，也反映出了这两方面的影响，所以当材料干表观密度较小时，强度增加相对缓慢，而干表观密度大到一定值时，强度则急剧增加。
泡沫掺量对泡沫料浆的流动性也有很大的影响，由于本研究用发泡机发泡，因此泡沫中几乎不含自由水，泡沫自身毫无流动性。随着泡沫掺量的增多，泡沫料浆的流动性显著降低，甚至逐渐失去流动性。一方面是由于掺入大量泡沫后，泡沫料浆的自身质量明显变轻，所受到的重力减小，料浆的流动主要就是在重力的驱动下完成的；另一方面泡沫混入水泥浆后，自身的结构和粘性起到了阻碍料浆运动的效果[2]；再加上在这一泡沫起主要作用的体系中，泡沫质量极轻，可以相互支撑，因此造成泡沫料浆的流动性大幅下降。
3.4 泡沫孔径分布对材料的影响
泡沫孔径分布对泡沫混凝土材料的强度有很大的影响，有文献对破型后的泡沫混凝土材料进行过研究，通过对材料断面拍照，分析受压破型时裂纹的分布情况[3]，发现材料破坏时裂纹均穿过较大的孔，说明孔径分布不均严重影响材料的抗压强度，而局部的大孔则成为材料的最薄弱环节，因为材料受压时应力均向大孔处集中，首先在此产生微裂纹，并联向其它孔径较大的部位，随着裂纹的扩展，最终导致试件破坏。所以，要提高材料的强度，就必须要控制材料泡孔的均匀性和泡孔的的大小，这就要求制备的泡沫的泡径要微小、均匀、封闭。
4 结语
泡沫自身参数对泡沫混凝土材料的性能影响很大，主要体现在以下几点：
（1）泡沫容重可以用来表征泡沫泡径大小、发泡倍数、泡沫稳定性等泡沫自身的性能，其对泡沫混凝土材料性能有很大的影响，通过实验认为泡沫容重在70-90g/l时最为合适；
（2）随着泡沫掺量的提高，泡沫混凝土的干表观密度及强度逐步降低；
（3）泡沫孔径分布不均匀，对泡沫混凝土的力学性能有负面影响，要制备高性能的泡沫混凝土，就需要掺入泡径均匀、细小的泡沫。

参考文献
[1] 王翠花，潘志华.蛋白质类发泡剂的合成及其泡沫稳定性.南京工业大学学报[J].2006，28(4):92～96.
[2] E.K.Kunhanandan Nambiar，K..Ramamurthy， M.Asce.Fresh state characteristics of foam concrete.Journal of materials in civil engineering[J].2008，20(2):111～117.
[3] D. Meyer， H-K. Man， J.G.M. van Mier，Fracture of Foamed Cementitious Materials: A Combined Experimental and Numerical Stucy， InAbstract book IUTAM Symposium on ‘Mechanical Properties of Cellular Materials’，LMT-Cachan， September 17～21， 2007.

【作者简介】扈士凯，男，（1982-），硕士，就职于建筑材料工业技术监督研究中心，主要研究方向：泡沫混凝土材料及发泡剂、墙体保温材料、混凝土外加剂、特种工程材料等。