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泡沫混凝土的研究及常见问题分析与对策
泡沫混凝土的研究及常见问题分析与对策

发布时间: 2010-4-15

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段策1  李应权1  扈士凯1  罗宁2
（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】本文介绍了泡沫混凝土的研究现状，包括泡沫混凝土的性能优点、发泡剂的研究与应用、生产工艺，指出了我国目前泡沫混凝土生产和使用过程中存在的问题，分析问题原因和施工操作上的影响因素，提出制备优质泡沫混凝土的可能途径。
【摘要】泡沫混凝土；强度；收缩

0  引言
近年来，随着我国墙体材料的改革与建筑节能政策的推行，节能型材料的开发和应用受到越来越多的关注，泡沫混凝土是一种具有节能、利废、保温、轻质、隔热等性能特点的材料。我国的专家、学者对泡沫混凝土进行了深入的研究和开发，其种类和应用领域在不断扩大。
目前我国南方地区利用泡沫混凝土砌块隔热、轻质高强的性能特点，将其作为框架结构的填充墙，北方地区则主要用于墙体保温和管道保温等。此外，现浇泡沫混凝土用于屋面保温层施工、地基补偿等应用也在不断发展[1]。
泡沫混凝土通常是将发泡剂溶液以物理搅拌的方法制成泡沫，将泡沫加入到钙、硅制材料、水、外加剂等组成的料浆当中，经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种内部含有大量封闭气孔的混凝土[2]，这种混凝土由于轻质多孔，具有良好的物理性能。
由于泡沫混凝土在性能上的优点，其应用广泛，国际上有许多既拥有完善的配套设备，又拥有完整的数据和经验的专门承揽泡沫混凝土施工工程的大公司。相比之下，国内的公司还并不成熟，严重影响了泡沫混凝土质量及应用。
1. 泡沫混凝土的研究现状
泡沫混凝土是多孔混凝土的一种。将发泡剂产生的泡沫加入到含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂等组成的料浆中搅拌，硬质颗粒粘附到泡沫外壳，使其变成互相隔开的单个气泡，混合料中的细孔分布得愈均匀、尺寸愈小，则泡沫混凝土强度愈高。在常温下多孔混合料稠化凝结形成坯体，或在蒸压、蒸养下硅质、钙质材料产生水热反应，形成胶凝物质逐渐变为具有一定强度和其他物理性能的多孔材料[2]。
1.1 泡沫混凝土的特性
泡沫混凝土是一种轻质、保温、隔热耐火、隔音的混凝土材料，料浆可以自流平、自密实，施工和易性好，便于泵送及整平，与所有其它建材几乎都有较好的相容性，且强度可调整[3]。显著性能主要体现在以下几个方面：
1） 轻质。泡沫混凝土的密度小，密度等级一般为300~1800kg/m3，常用泡沫混凝土的密度等级为300~1200kg/m3，近年来，密度为160 kg/m3 的超轻泡沫混凝土也在建筑工程中获得了应用。由于泡沫混凝土的密度小， 在建筑物的内外墙体、层面、楼面、立柱等建筑结构中采用该种材料，一般可使建筑物自重降低25%左右，有些可达结构物总重的30%~40%。因此，在建筑工程中采用泡沫混凝土具有显著的经济效益。
2）保温隔热性能好。由于泡沫混凝土中含有大量封闭的细小孔隙，因此具有良好的热工性能，即良好的保温隔热性能，这是普通混凝土所不具备的。通常密度等级在300~1200kg/m3范围的泡沫混凝土，导热系数在0.08~0.30w/ (m·K)之间。采用泡沫混凝土作为建筑物墙体及屋面材料，具有良好的节能效果。
3） 隔音性能好。泡沫混凝土属多孔材料，因此它也是一种良好的隔音材料，在建筑物的楼层和高速公路的隔音板、地下建筑物的顶层等可采用该材料作为隔音层。
4）防火性能好。泡沫混凝土是无机材料，不会燃烧，从而具有良好的耐火性，在建筑物上使用，可提高建筑物的防火性能。
5）其他性能。泡沫混凝土还具有施工过程中可泵性好，防水能力强，冲击能量吸收性能好，可大量利用工业废渣，价格低廉等优点[4]。
1.2 发泡剂的研究与应用
泡沫剂质量的好坏直接关系到泡沫混凝土的之类。发泡剂生成泡沫的质量以坚韧性、发泡倍数、泌水量等指标来衡量。泡沫的坚韧性就是泡沫在空气中在规定时间内不破坏的特质，常以泡沫柱在单位时间内的沉陷距离来确定；发泡倍数是泡沫体积大于发泡剂溶液体积的倍数；泌水量是指泡沫破坏后所产生发泡剂溶液的体积[5]。
泡沫剂多为阴离子表面活性剂。目前，国内泡沫剂的品种主要有: 松香胶泡沫剂废动物毛泡沫剂、树脂皂类泡沫剂、水解血胶泡沫剂、石油硫酸铝泡沫剂等。泡沫剂总体上说不够理想，如质量偏低、功能偏少，尽管有些发泡倍数够大，但稳定性差、制品强度不高。日本、意大利进口的泡沫剂多为蛋白质类，质量好。我国也有以动物蛋白质为主要原料的泡沫剂，其发泡倍数及稳定性较好，但因原料来源有限，生产成本高，因此开发与应用受到制约。表1[2]比较了几种发泡剂的性能。
表1 常见发泡剂的性能
泡沫剂品种
与浓度
十二烷基苯磺酸钠
松香皂
松香热聚物
动物毛发
0.50%
1%
1%
2%
1%
2%
2%
3%
发泡倍数
1h泌水量（ml）
1h沉陷距（mm）
27
150
50
32
140
38
28
120
34
29
110
29
25
140
38
26
120
33
20
60
8
22
40
5
泡沫本身不稳定，会很快发生衰变。泡沫破坏主要是因为液膜中的液体受重力作用或膜中各点的压力不同，不断排液使得膜壁变薄而破裂。稳泡剂的作用是增大液膜粘度，阻碍液体的流动。稳泡剂一般为胶类物质，常用的稳泡剂是高分子物质，如蛋白质、皂角甙、淀粉、阿拉伯胶、琼胶及合成高分子物质等[3]。
1.3 胶凝材料
泡沫混凝土是一种大水灰比的流态混凝土，普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、火山灰质复合胶凝材料等均可作为泡沫混凝土的胶凝材料，但是采用普通硅酸盐水泥时，干缩较大，而因其他两种水泥具有早强、微膨胀、低干缩等特点，用于泡沫混凝土能使其迅速凝结，降低泡沫破裂机会，提高泡沫混凝土性能。。火山灰质胶凝材料也具有高水化、低干缩等特性，适合用于配置泡沫混凝土。
1.4 外加剂
泡沫混凝土具有干缩大、吸湿性强等缺点，为弥补这些缺点应对其添加复合外加剂。复合外加剂应与胶凝材料相匹配，具有早强、减水、促凝等功能，如掺加膨胀剂，可减少收缩裂缝；掺加纤维材料，可提高抗拉强度；添加有机聚合物，可提高强度和降低吸水性；掺加适量的骨料可减小收缩；掺加粉煤灰和一些激发剂可加强强度发展。
1.5生产工艺
泡沫混凝土生产流程基本上是先将水泥、掺合料、集料、复合外加剂和水分别计量、搅拌混合，加入制得的泡沫溶液内继续搅拌均匀，再注模、低幅震动密实、预养护、脱模、养护得到成品[7]。
当采用普通硅酸盐水泥时，搅拌时间的长短对泡沫混凝土的影响很大。实验表明，随着水化时间的延长，泡沫混凝土强度呈上升趋势，密度呈下降趋势，软化系数呈上升趋势，气孔变化率不大[8]。
2. 泡沫混凝土存在的问题及改善途径
泡沫混凝土的性能受许多因素的影响，而且在我国迄今为止还没有建立完善的泡沫混凝土施工规范，因此，造成实际施工中，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：
1）强度偏低：泡沫混凝土的抗压强度严重偏低，既不利于其工程应用，而且给制品的运输增加了难度；
2）开裂：硬化泡沫混凝土表面开裂，导致吸收大量外来水分。
2.1影响泡沫混凝土强度的因素
泡沫混凝土中气孔的引入一方面是赋予其轻质、隔音、保温、高流动性等性能，但从结构和力学的角度看，同时也引入了大量的缺陷，从而导致硬化泡沫混凝土强度的大幅度降低。由于泡沫混凝土中的孔隙率一般高达50-70%，因此，泡沫混凝土的强度大大低于普通混凝土的强度。与普通混凝土一样，泡沫混凝土的强度并不是一个固定的数值，不同的胶凝材料种类、水泥用量、混凝土配合比、水灰比、泡沫用量、发泡剂、养护制度以及其它外加剂的采用与否等都影响泡沫混凝土的强度。
1）配合比的影响。如单独使用水泥制备泡沫混凝土，则随所用水泥强度等级的提高，泡沫混凝土的强度越大。但实际施工中往往要同时加入掺合料，如粉煤灰、硅灰、矿渣，和沙子。混合材的加入会导致泡沫混凝土的早期强度降低，但对后期强度影响不大，若同时引入激发剂，则也可在一定程度上缓解早期强度的损失。当使用沙子作为细集料时，一般也不会引起泡沫混凝土的强度降低，反而对体积稳定性及减小收缩十分有利。
2）水灰比的影响。如果仅从泡沫混凝土内部结构变化分析，水灰比的提高必然会导致强度的降低。但是，大量的实验证明，当水灰比在一定范围内增加时，强度不仅不会降低，反而有提高的趋势。这是因为泡沫混凝土的制备有一个泡沫的混合的过程，若需泡沫均与的分布于体系内，就需要料浆具有良好的流动性，而较高的水灰比正是保证良好流动性的必要条件。但在低水灰比的条件下，采取适当的措施也可以保证水泥浆具有良好的流动性，从而制得高强度的泡沫混凝土。
3)养护条件的影响。养护条件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，但对后期强度有一定的负面影响。
4)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。发泡剂如上文所述对泡沫混凝土的影响较大，需选用对体系副作用小，发泡能力大，泡沫强度高的发泡剂；激发剂主要针对掺合料的加入会导致泡沫混凝土的早期强度降低，可减小降低的幅度，但是也会使最终强度有所降低；减水剂主要使得体系在较低水灰比之下也可将泡沫与料浆混合均匀。
由以上分析可以看出，提高泡沫混凝土强度的技术途径主要有一下几点：选择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。
2.2影响泡沫混凝土收缩开裂的因素
泡沫混凝土当早期养护不当、保水措施不够时，会因其内部水分蒸发过快而导致体积收缩，从而引起表面开裂，开裂后的泡沫混凝土易吸水。吸水后的泡沫混凝土的强度及保温隔热性能明显降低。
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，而水泥加水体系是收缩的。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，一般情况下如果其它条件基本相同，水泥用量增加，泡沫混凝土的收缩也会相应增大。并不是所有的水泥水化时都是收缩的，如膨胀水泥，其水化后体积不但不收缩，反倒有所增加，可以在一定程度上弥补体系的体积收缩。但是膨胀水泥也会影响泡沫混凝土的其他一些性能。
2)集料的影响。掺加体积不变的集料可有效的减少混凝土的收缩，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。如上文所述水分的蒸发对泡沫混凝土的开裂有着直接的影响。泡沫混凝土的水灰比往往高达0.7甚至0.8，多余的水分当遇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。
由以上分析可见，防止泡沫混凝土收缩开裂从而引发大的吸水性的主要技术措施有：选用适当的水泥品种及用量；成型时采用低水灰比；优化养护，加强保水措施。
3. 结语
我国正在大力推进符合生态节能、资源利用的建筑材料的研究和开发，泡沫混凝土由于其良好的性能使得其应用前景广泛。目前我国在泡沫混凝土的制备和施工过程中存在一定的问题，但是只要对用料、配合比、水灰比、早期养护、外加剂等主要环节层层把关，建立严格的施工程序，制定合理的质量控制方案，即可制备出高质量的泡沫混凝土。

参考文献
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[ 2 ]重庆建筑工程学院、南京工学院编著. 混凝土学[M] . 北京:中国建筑工业出版社,1981.
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[ 6]张巨松. 混凝土发泡剂功能的探讨. 混凝土, 2000 (7) : 34235
[7]崔琪,姚燕等编著. 新型墙体材料[ M] . 北京: 化学工业出版社,2003. 11.
[8 ]高倩,王兆利,赵铁军. 泡沫混凝土[J ] . 青岛建筑工程学院学报,2002 , (23/ 3) :113 - 115.

【作者简介】段策，女，工学硕士，就职于建筑材料工业技术监督研究中心,主要研究方向：水泥基材料、泡沫混凝土、干混砂浆等，拟任中国混凝土与水泥制品协会泡沫混凝土分会副秘书长。