泡沫混凝土的研究進展及應用

牛振華，劉永德，萬東錦，馬 闖，劉 楠

（1.河南工業大學化學化工與環境學院；2.鄭州輕工業學院環境污染治理與生態修復河南省協同創新中心，鄭州 450001）

泡沫混凝土的研究進展及應用

牛振華1，劉永德1，萬東錦1，馬 闖2，劉 楠2

（1.河南工業大學化學化工與環境學院；2.鄭州輕工業學院環境污染治理與生態修復河南省協同創新中心，鄭州 450001）

近年來，泡沫混凝土在工程上的應用范圍越來越廣。它是一種多孔材料，具有輕質、保溫隔熱、吸音、不燃、抗震等優良特性，可較好地滿足建筑節能和提高建筑安全性的要求。因此，諸多學者針對摻和料、發泡劑、骨料、外加劑、纖維、微孔結構等因素對泡沫混凝土的影響展開研究。目前，泡沫混凝土已廣泛應用于建筑節能、結構減荷及基礎回填等方面。本文綜述了泡沫混凝土的研究進展和應用現狀。

泡沫混凝土；建筑節能；結構減荷；基礎回填

泡沫混凝土是指將發泡劑產生的泡沫引入砂漿、水泥凈漿或水泥-粉煤灰凈漿等水泥基材料中，經成型及養護形成含大量封閉氣孔的輕質混凝土。泡沫混凝土具有諸多優點，相比于普通建材，它采用了發泡劑、水泥、沙子等輕質材料，較大程度地減少了砂石使用量；此外，泡沫混凝土能夠滿足施工質量要求，同時保證施工進度。因此，建筑業成為泡沫混凝土應用最多的領域。此外，泡沫混凝土還符合低碳經濟、低碳生活的設計理念[1]。

1 泡沫混凝土的研究進展

1.1 摻合料對泡沫混凝土性能的影響

在泡沫混凝土研究中，摻和料的種類、摻加量對泡沫混凝土的自重和抗壓強度等性能均有較大的影響。Kearsley等研究發現，泡沫混凝土中粉煤灰加入越多，強度越低[2]。張鑫等采用正交試驗研究了水灰比、粉煤灰摻量對泡沫混凝土強度的影響，確定出泡沫混凝土的最佳配合比為：水灰比為45%，粉煤灰滲量為50%，發泡劑摻量為1.0%，砂的摻量為15%[3]。

1.2 發泡劑對泡沫混凝土性能的影響

攪拌或者注入壓縮空氣使得發泡劑在泡沫混凝土中形成大量氣泡，經過后期的干燥養護留下大量的孔洞。因此，發泡劑的種類及發泡技術直接影響最終泡沫混凝土的孔隙特性。史星祥等以雞毛為原料制備了蛋白質型發泡劑，結果表明發泡劑穩定性直接影響泡沫混凝土空隙結構的均勻性，穩定性好的泡沫混凝土其孔結構均勻性好、強度高[4]。牛云輝等以泌水率、沉降距、發泡倍數、泡沫壁厚為評價指標，評價市售動物蛋白發泡劑、植物蛋白發泡劑及合成類發泡劑等實際性能，研究其對抗壓強度、吸水率及氣孔結構的影響[5]。結果表明，植物蛋白發泡劑制成的泡沫穩定性和發泡倍數居于其余兩種之間，動物發泡劑制備的泡沫尺寸相對較大，封閉程度較高；合成類發泡劑制備的泡沫泡徑小，難以在水泥漿體中分散，導致泡沫混凝土氣孔連通程度較高，氣孔均勻性較差。

1.3 骨料對泡沫混凝土性能的影響

骨料是指在混凝土中起骨架或填充作用的粒狀松散材料。骨料的種類、粒徑、摻雜量會直接影響最終泡沫混凝土的性能。張偉等利用廢棄粘土磚為骨料制備泡沫混凝土，制備出了符合泡沫混凝土行業標準的廢磚泡沫混凝土[6]。

1.4 外加劑對泡沫混凝土性能的影響

加入不同種類的外加劑可以改變泡沫混凝土的某些特殊性能，如摻早強劑和速凝劑以加快泡沫混凝土強度發展；摻憎水劑以降低泡沫混凝土吸水率；摻膨脹劑以減少收縮裂縫等。趙懷霞等以水泥和雙氧水為基本原料，研究不同摻量穩定劑、穩泡劑、減水劑和催化劑對泡沫混凝土干密度、抗壓強度、吸水率的影響[7]。結果表明，最佳摻量為：穩定劑0.6%、穩泡劑1.1%、減水劑1.1%、催化劑0.9%，此時制備的泡沫混凝土的干密度為 271.3 kg/m3、抗壓強度為0.73 MPa。

1.5 纖維對泡沫混凝土性能的影響

近年來，隨著對泡沫混凝土的研究不斷深入，人們發現在水泥基中加入纖維可促使泡沫混凝土具有增強、阻裂和增韌的作用。王朝強等利用聚丙烯纖維或耐堿玻璃纖維對泡沫混凝土進行改性，研究了不同摻量的纖維對泡沫混凝土的影響，研究發現纖維的摻入對泡沫混凝土的吸水率、導熱系數影響不大，但可較好地抑制干燥收縮性[8]。當干密度相同時，纖維的摻入可明顯增加泡沫混凝土的抗壓強度和抗彎強度。

1.6 微觀結構對泡沫混凝土性能的影響

石川等建立了氣孔直徑和孔壁厚度的計算模型，研究了泡沫混凝土力學性能和微觀結構，并通過IPP軟件分析泡沫混凝土的孔結構[9]。熊清清對泡沫混凝土墻體材料性能及其微觀結構進行了研究[10]。結果表明，粉煤灰可增加泡沫混凝土內部的孔隙，粉煤灰用量越大，泡沫混凝土內部空隙分布越均勻，分形維數增大。

2 泡沫混凝土的應用現狀

隨著社會的發展，國家大力推進建筑節能，泡沫混凝土逐漸成為研究應用的熱點。近年來，相較于國外發達國家，國內泡沫混凝土的研究和應用均略顯滯后，目前，國內外的應用主要在以下幾個方面。

2.1 泡沫混凝土制品

泡沫混凝土制品包括泡沫混凝土砌塊以及輕質板材。由于獨特的理化特性，泡沫混凝土制成的砌塊具有輕質、防火隔熱、防凍、施工簡便的優點。因而，其廣泛用作建筑結構的填充墻體。此外，泡沫混凝土與薄鋼板制成的復合墻體可以顯著提高墻體的抗彎、抗拉強度。

泡沫混凝土制品具有優良的保溫隔熱性能，其在屋面保溫隔熱、充填式自保溫砌塊和地板采暖絕熱層等領域應用也非常廣泛。

2.2 填充與回填

泡沫混凝土自重較輕，使用泡沫混凝土進行填充和回填時，施工較為簡便、快速，綜合成本較低。我國已有成功應用的案例，與此類似的還有管線填充、屋面邊坡以及港口的岸墻等。

2.3 輕質墊層

泡沫混凝土具有較好的壓縮性，因而將其作為建筑整體的補償地基材料，可以有效避免建筑物的不均勻沉降。此外，泡沫混凝土具有良好的吸能作用且質量輕，強度可控，在修建運動廣場和田徑跑道時可以使用泡沫混凝土作為輕質基礎。

2.4 其他

除建筑、道路建設等領域應用之外，泡沫混凝土憑借較好的吸音功能，還應用于聲屏障工程。例如，我國武廣高速使用特制陶瓷泡沫混凝土作為聲屏障。

軍事上，泡沫混凝土可應用于射擊靶場的地下抗爆坑道。由于高耗能和受力的高形變性，泡沫混凝土可有效緩解爆炸對下部結構的沖擊，所以可應用于抗爆坑道結構建設中。國外還利用泡沫混凝土吸收鉆井平臺鉆井作業時產生的高頻振動。

未來，泡沫混凝土除了應用于功能材料的制造，如用于防電磁輻射、抗爆吸能等方面，還將應用于生態覆蓋，包括道路邊坡防滑坡植草覆蓋、沙土地防沙植草覆蓋、垃圾場植草覆蓋、巖石裸露區植草覆蓋等。

3 結語

目前，人們對泡沫混凝土的性能、生產設備、生產工藝等方面的研究還不夠成熟，因此泡沫混凝土的生產、應用在一定程度上受到了阻礙。但隨著建筑節能減排政策的實施和國內外對其性能研究的不斷深入，泡沫混凝土必將以其質輕、環保、保溫隔熱、降噪隔音等優越性能在眾多領域得到越來越廣泛的應用。

1 王明軒，李應權，遲碧川.2015泡沫混凝土行業發展報告[J].混凝土世界，2016，（4）：18-23.

2 Kearsley E P，Wainwright P J. Ash content for optimum strength of foamed concrete[J].Cement &Concrete Research，2002，32（2）：241-246.

3 張 鑫.粉煤灰水泥基泡沫混凝土的配合比試驗研究[D].淮南：安徽理工大學，2016.

4 史星祥.蛋白質型發泡劑的制備及其對泡沫混凝土性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2013，（11）：23-28.

5 牛云輝，張玉蘋，蔣 俊.發泡劑對泡沫混凝土氣孔結構及性能的影響[J].混凝土世界，2016，（9）：60-63.

6 張 偉.利用廢棄粘土磚制備泡沫混凝土的試驗研究[D].包頭：內蒙古科技大學，2014.

7 趙懷霞，楊 雷，羅樹瓊，等.外加劑對超輕質泡沫混凝土性能的影響[J].新型建筑材料，2015，42（1）：52-55.

8 王朝強，譚克鋒，徐秀霞.纖維對泡沫混凝土性能的影響[J].西南科技大學學報，2013，28（3）：11-15.

9 石 川.泡沫混凝土及其復合墻板的研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

10 熊清清.泡沫混凝土墻體材料性能及其微觀結構研究[D].天津：河北工業大學，2014.

Study Progress and Applications of Foamed Concrete

Niu Zhenhua1, Liu Yongde1, Wan Dongjin1, Ma Chuang2, Liu Nan2
(1. College of Chemistry, Chemical and Environmental Engineering, Henan University of Technology; 2. Collaborative Innovation Center of Environmental Pollution Control and Ecological restoration, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450001, China)

In recent years, the application of foam concrete in the engineering more and more widely. It is a kind of porous material, with light, thermal insulation, sound absorption, non-combustible, earthquake and other excellent features, can better meet the building energy efficiency and improve building safety requirements. Therefore, many scholars have studied the effect of blending agent, foaming agent, aggregate, admixture, fiber and microporous structure on foam concrete. At present, the foam concrete has been widely used in building energy efficiency, structural reduction and basic backfill and so on. This paper reviews the progress and application of foam concrete.

foam concrete; building energy efficiency; structural reduction; basic backfill

TU528.2

A

1008-9500(2017)09-0093-03

2017-07-19

本文系河南省協同創新中心“環境污染治理與生態修復”開放基金課題（項目編號：XTCX-022）的階段性研究成果之一。

牛振華（1991-），男，河南平頂山人，碩士研究生，從事環境工程技術及其應用工作。