昊磐节能|泡沫混凝土的研究应用现状

 

 

1 泡沫混凝土各组分的研究现状

 

泡沫混凝土是将水泥、适当的矿物掺合料、合适外加剂、发泡剂和稳泡物质按一定的配合比，经一定的制备工艺制备而成的一种多孔轻质混凝土，国内外对其各组分的研究主要从一下几个方面展开。

 

1.1 水泥品种

 

制备泡沫混凝土所用的水泥品种主要有：普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氯氧镁水泥、磷酸盐水泥、地聚物水泥。现阶段常用于生产制备泡沫混凝土的水泥主要是普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥相较于普通硅酸盐水泥具有早强、快硬的特点，常用于制备超低密度泡沫混凝土[1、2、3]。近年来也有专家学者以普通硅酸盐水泥为胶凝材料制备出了超低密度的泡沫混凝土。ZhaomingHuang，TongshengZhang等[4]使用普通硅酸盐水泥、粉煤灰、过氧化氢和化学混合物制备出了容重为100～300kg/m3、孔隙大小为2.0～4.0mm、导热系数较低，抗压强度和抗拉强度理想的超轻泡沫混凝土。PanZhihua，Li Hengzhi等[5]在实验室制备出了容重在150～300kg/m3，抗压强度在0.33～1.1MPa，导热系数为0.05～0.07 W/（m · K）的超轻质泡沫混凝土。苏雪筠等[6]以氯氧镁水泥为胶凝材料，采用化学发泡的方式，制备出了密度为0 .52 g/ cm3，抗压强度为15.13 MPa，导热系数为0.3 W/（m· K）的多孔轻质材料。CongMa, Bing Chen[7]等以磷酸盐水泥为胶凝材料制备出了容重为550kg/m3的泡沫混凝土。Zuhua Zhang，John L. Provis等[8]以地聚水泥复掺部分炉渣制备了容重为585～1370kg/m3的泡沫混凝土，测得28d强度为3～48MPa，导热系数为0.15～0.48 W/（m · K）。

 

1.2矿物掺合料

 

现在常用的矿物掺合料主要是硅灰、粉煤灰、高炉矿渣、铁尾矿粉等，这类矿物掺合料具有一定的火山灰活性可以参与水泥的水化反应，同时本身细度较大又可以起到微集料效应。在生产制备泡沫混凝土中，加入适当的矿物掺合料不仅能降低成本，而且还可以提高泡沫混凝土浆体的稳泡能力，优化泡沫混凝土内部孔的结构，降低导热系数，提高泡沫混凝土的后期强度。YafeiSun，PeiweiGao[9]以30%的粉煤灰取代水泥制备容重为600kg/m3的泡沫混凝土，发现28d强度相比于纯水泥制备的泡沫混凝土得到了较大提高，通过分析发现原因是粉煤灰与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应，二者反应的产物填充了泡沫混凝土内部的微孔结构。E.Pkearsley，P.JWainwright[10]以粉煤灰大掺量的取代水泥制备泡沫混凝土发现用大量的粉煤灰代替大量的水泥，发现粉煤灰大掺量的取代水泥不仅不会显著影响泡沫混凝土长期的强度，而且还可以降低生产成本。付士峰等[11]在探究不同掺量的粉煤灰对泡沫混凝土性能的影响时发现在相同容重下，在粉煤灰掺量为0%～30%时，随着粉煤灰掺量的增加，泡沫混凝土的28d抗压强度呈上升趋势，吸水率整体趋于降低，平均孔径减小，孔的圆度提高，内部孔径得到优化，当掺量为30％时，粉煤灰可明显降低混凝土的导热系数。

 

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1.3发泡剂

 

发泡剂又称起泡剂，是制备泡沫混凝土的重要组成部分，是决定泡沫混凝土导热系数的关键因素，现在常用的发泡剂主要分为有机发泡剂和无机发泡剂。

 

有机发泡剂主要包括表面活性剂发泡剂、蛋白类发泡剂和蛋白质-表面活性剂复合发泡剂。雷团结、李浩然等[12]以AOS作为起泡组分，加入适当的稳泡组分，制备了新型发泡剂，用这种发泡剂制备泡沫混凝土，发现泡沫在水泥浆体中表现出较好的稳定性，泡沫分布较为均匀，孔径大于 l mm的有害孔较少，所制备的低密度泡沫混凝土表现出了较好的力学性能和热工性能。石行波、霍冀川等[13]以动物蛋白为发泡剂制得了容重为581～772kg/m3、抗压强度为3.0～6.0MPa、吸水率为19％～28％的泡沫混凝土砌块。姜松、王路明等[14]以蛋白质发泡剂母液复掺适量的α烯基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、硅树脂聚醚乳液、十二醇、羟乙基纤维素制得一种新型复合蛋白质发泡剂，并将其应用于泡沫混凝土的制备，结果发现泡沫与水泥浆体具有非常良好的相容性，泡沫混凝土稳定性优良，气孔形态、大小和分布理想，最低干密度可以达290～320kg/m3，28d抗压强度达到0.58～0.72MPa。

 

无机发泡剂主要是一些能与水泥组分发生反应或者自身分解产生气体的发泡剂，主要是铝粉、锌粉、双氧水和碳酸氢钠等[7、15、16、17]。采用同种水泥制备相同容重的泡沫混凝土，所用的发泡剂种类不同，泡沫混凝土的导热系数也不相同，相同容重的泡沫混凝土，内部固定的气体的导热系数越小，泡沫混凝土的导热系数也越小。在0℃时，常见气体的导热系数如下表1所示[18]。

 

昊磐节能|泡沫混凝土的研究应用现状

 

 

以磷酸盐水泥为胶凝材料制备泡沫混凝土为例对比分析不同种类气体对泡沫混凝土导热系数的影响。Xiaojie Fu , Zhenyu Lai[19]以锌粉为发泡剂，此时的发泡气体为氢气，在容重为775 kg/ m3时，导热系数在0.21 W/（m · K）左右；CongMa, Bing Chen [7]以碳酸氢钠为发泡剂，在容重为653 kg/ m3时，导热系数为0.078 W/（m · K），容重为800 kg/ m3时，导热系数为0.1 W/（m· K）；Li Yue，Chen Bing[20]以蛋白质为发泡剂在泡沫混凝土中引入了空气，当容重为380 kg/ m3时，泡沫混凝土的导热系数为0.070 W/（m · K）。可以看出，当磷酸盐水泥泡沫混凝土的容重相近时，以碳酸氢钠为发泡剂的泡沫混凝土的导热系数是以锌粉为发泡剂的泡沫混凝土导热系数的1/3～1/2；当导热系数相近时，以碳酸氢钠为发泡剂的泡沫混凝土的容重是以蛋白质为发泡剂的泡沫混凝土容重的两倍。产生上面这种现象的原因是相同温度下，二氧化碳的导热系数小于空气的导热系数，空气的导热系数小于氢气的导热系数。

 

1.4稳泡物质

 

泡沫破坏的过程，主要是液膜由厚变薄，直至破裂的过程，因此泡沫的稳定性主要决定于排液快慢和液膜的强度，影响泡沫稳定性的主要因素主要是液体的表面张力、气泡膜的表面粘度和溶液粘度、气泡膜的复原作用和表面弹性、气体通过气泡膜的气体透过性和气泡膜的表面电荷斥力，为了增加泡沫的稳定性通常在水泥浆体中加入稳泡剂和增稠剂[21]。刘川，王智等[22]以硬脂酸钙作为化学发泡泡沫混凝土的发泡剂并探究了硬脂酸钙的稳泡能力，发现在一定的掺量范围内随着掺量的增加其稳泡能力随之增加并且温度和pH对它的稳泡能力影响较小。雷团结等[23]在探究稳泡剂对泡沫混凝土发泡剂性能的影响时发现CMC掺入能够增大溶液的粘度，减慢泡沫排液速度，增大液膜粘弹性，减小泡沫的透气性，抑制泡沫变薄，提高泡沫定性。

 

1.5外加剂

 

在制备泡沫混凝土的过程中，常常会出现塌模、收缩、吸水率大、浇筑困难等问题，为了解决这些问题通常加入一些具有早强和稳泡功能的外加剂，常用的外加剂主要包括：减水剂、早强剂、速凝剂等。管文[24]采用减水剂对泡沫混凝土进行改性，发现萘系减水剂能够使泡沫混凝土料浆更加均匀，增加浆料的内聚性和黏性，提高泡沫的稳定性，改善泡沫在混凝土中的分散均匀性，提高泡沫混凝土的抗压强度，降低泡沫混凝土的吸水率和体积吸水率和干燥收缩率；赵怀霞等[25]在探究外加剂对泡沫混凝土性能的影响时发现加入适量的减水剂可以加速泡沫混凝土的稠化过程，减少不稳定气泡合并形成开口孔隙的几率，增加泡沫混凝土的强度，降低吸水率；谢慧东，郭中光超等[26]发现加入合适的适当的早强剂可以提高泡沫混凝土浆体的稳定性、发泡倍率和抗压强度，降低泡沫混凝土的吸水率；牛云辉等[27]在泡沫混凝土中加入速凝剂能够使泡沫混凝土达到更好的早期强度同时可以有效的减少过多水分的流失。

 

2 现阶段泡沫混凝土的应用

 

随着全球经济的快速发展，能源资源、气候变化等全球问题越来越凸显，人们对节能环保型材料的使用呼吁越来越高，泡沫混凝土作为一种新型节能环保型材料受到越来越多的关注，现阶段泡沫混凝土主要被广泛应用于以下几个方面：

 

（1）保温材料；主要用于外墙保温材料和保温填充材料。外墙保温材料主要是泡沫混凝土砌块，泡沫混凝土砌块具有良好的保温隔热性能，同时兼具轻质、隔声效果，常被用于建筑物的外墙保温层。J.Sathya Narayanan，K.Ramamurthy[28]用泡沫混凝土生产制备泡沫混凝土砌块，并探究了几种早强剂对泡沫混凝土砌块产量的影响。保温填充材料主要是将泡沫混凝土用于空心墙体的填充。XingShi，Wei She等[29]以泡沫混凝土填充空心墙体，通过测试发现空心墙体的整体热阻值提高了24%。

 

（2）现浇墙体材料；牛云辉、卢忠远等[30]在泡沫混凝土整体现浇样板房中试工程中采用整体现浇的方式浇筑了高4m、墙体厚度0.12m的泡沫混凝士样板房，大胆采用较高密度的泡沫混凝土，进行集承重和保温墙材一体的现浇工程，工程完工至今，样板房未见任何质量问题。

 

（3）屋面材料；焦作市中华新天地翰苑小区采用泡沫混凝土作为屋面保温材料，结果表明保温层整体性好，与基层和面层结合牢固紧密，使用寿命长，保温隔热性能好[31]。

 

（4）路基处理；江苏盐城至绍兴高速公路软路基采用0.6MPa的泡沫混凝土进行处理后，路堤沉降速率施工期均在0.01～0.41mm/d之间，施工期至预压期累计沉降量约为50～300mm之间，卸载后，工后沉降几乎很小[32]。

 

（5）用作采矿区的充填体；张淑坤、李伟等[33]以粉煤灰泡沫混凝土作为采空区的充填体，研究结果表明粉煤灰泡沫混凝土在满足充填体强度要求条件下，具有较好的变形能力和延性，适合采空区充填，该充填体利用率较高降低了经济成本。

 

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3 存在的问题及探讨

 

近年来泡沫混凝土的研究取得一些进展，其应用也得到了推广，随着全球节能减排政策的提出，将会有越来越多的国家和学者关注泡沫混凝土这种节能保温材料。总结前人的探索和研究成果，发现现阶段对泡沫混凝土的研究还存在一些问题，针对这些问题我们进行了探讨：

 

（1）泡沫混凝土的强度不高

 

现阶段研发的泡沫混凝土的容重几乎都在300～1000kg/m3，而抗压强度只有0.6～8MPa，与传统的混凝土相比，其抗压强度太低，限制泡沫混凝土的使用范围，因此研发高强泡沫混凝土意义重大。相同容重下，泡沫混凝土的强度主要取决于水泥基材的强度和孔的结构，水泥基材的强度越高，泡沫混凝土孔尺寸越小，孔分布越均匀，泡沫混凝土的强度越高。分别以氯氧镁水泥和普通硅酸盐水泥为基材制备容重在500kg/m3左右的泡沫混凝土，通过对比不难发现氯氧镁水泥泡沫混凝土强度要明显的高于普通硅酸盐水泥泡沫混凝土的强度[6、34]。

 

（2）泡沫混凝土的整体性差、收缩

 

泡沫混凝土存在整体性较差和收缩的现象，为了解决这个问题现在常用的手段是往泡沫混凝土中掺入短切纤维，然而对解决收缩的效果还是不明显，若是在泡沫混凝土使用前使其收缩完成，就能很好的避免收缩对施工带来的不利影响，可以考虑的解决方式是在制备泡沫混凝土的过程中加入早强组分，使水泥材料在早期就水化完成，实现泡沫混凝土后期不收缩或收缩很小。