泡沫混凝土生產應用現狀與前景分析

王靜文 劉旭照 尹澤飛 袁曉波

（鄂爾多斯應用技術學院 土木工程學院，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

泡沫混凝土是一大類以水泥基膠凝材料為主要基料，采用化學發泡或物理發泡工藝，制成的含有大量微小均勻獨立氣孔的輕質多孔材料的總稱[1]。泡沫混凝土也被稱為發泡混凝土、泡沫水泥或發泡水泥，屬于加氣混凝土中的一種。歐洲早在二十世紀初就發明了泡沫混凝土，但因生產方法局限，當時的泡沫混凝土并沒有引起廣泛關注。直至二十世紀七十年代，荷蘭率先使用泡沫混凝土作為路基回填材料，人們才逐漸意識到了其作為建筑材料的潛力。如今，泡沫混凝土的制備方法取得了很大的改進，泡沫混凝土的應用領域已經從傳統的保溫隔熱材料以及回填材料向一種多功能環保輕質建筑結構材料過渡。我國從二十世紀八十年代開始廣泛引入泡沫混凝土，其因輕質環保、隔音隔熱、減震消能、耐水阻燃、施工方便等優越性能正在成為我國備受關注的新型節能材料。

1 泡沫混凝土的生產

1.1 主要原材料及影響

不論是何種用途的泡沫混凝土，其主要原料均由膠凝材料、礦物摻合料、骨料及外加劑組成。

1.1.1 膠凝材料

泡沫混凝土的膠凝材料主要是水泥。由于市場上水泥種類多樣且性能各異，如何合理選用水泥品種是需要關注的問題，目前生產應用較多的依然是通用硅酸鹽水泥。就通用水泥的具體選擇上，一般優選強度等級更高、細度更好、熟料含量更高、凝結速度更快、混合材品種更少、穩定性更佳、低堿、低熱的水泥類型以獲得強度更高、水化更徹底、發泡更穩定等的綜合性能更好的泡沫混凝土。所以P·Ⅰ、P·Ⅱ型硅酸鹽水泥應當是通用水泥當中的最佳選擇，普通硅酸鹽水泥居其次。表1總結了幾種通用硅酸鹽水泥的優勢與應用于泡沫混凝土工業生產時的改進措施。隨著建筑材料進入多元化應用時期以及人們對通用水泥各自性能上的認識逐漸深入，改性硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽復合水泥、鎂質復合水泥等新型水泥正逐漸開始應用，促進泡沫混凝土膠凝材料向高性能化發展。

1.1.2 摻合料

常用于泡沫混凝土的摻合料有粉煤灰、硅灰與高爐礦渣。

表1 通用硅酸鹽水泥特性

粉煤灰對泡沫混凝土性能的提升機理可以歸結為三大效應：微集料效應、活性效應與形態效應[2]。在生產泡沫混凝土時加入粉煤灰可以增強泡沫混凝土的后期強度、改善和易性、緩解開裂及干縮且節約造價，只是需要適當控制粉煤灰摻量。一般認為當粉煤灰摻量上限約為水泥摻量的70%，超過此摻量后泡沫混凝土強度增長不再明顯[3]。

增加硅灰主要是為了增加泡沫混凝土的強度。他對泡沫混凝土強度的增加幅度要明顯高于粉煤灰、礦渣、火山灰等。硅灰極細，在加入水泥漿體后有如潤滑微珠一般填充到水泥顆粒之間的空隙之中，一方面使水流動的通道減少，提高漿體黏聚性，更有利于穩泡及減少成品泌水率，同時提高膠凝材料硬化體與氣孔壁的密實度，提升強度。硅灰的摻量一般不宜過高，否則發生強度退化。研究數據表明，硅粉對泡沫混凝土各項性能（發泡倍數、漿體穩定性、干表觀密度、抗壓強度、體積吸水率和導熱系數等）都有不同程度的改善，在配合使用高效減水劑后可使泡沫混凝土強度提升10%～20%。

高爐礦渣簡稱礦渣，其加入對泡沫混凝土最顯著的有利影響為降低水化熱及增強遠期強度。因為礦渣的水化活性只有在細度較大時才可以達到泡沫混凝土凝結速度要求，故在礦渣選用時要挑選礦渣微粉，并非普通粒化礦渣。值得注意的是泡沫混凝土本身干縮大，加入礦渣后可能會愈發加重干縮，此可以通過一些外加劑來改善。

1.1.3 骨料

泡沫混凝土中一般不加入骨料，因為骨料易在輕質料漿中沉淀并導致泡沫滅失。一般在設計干密度大于1200kg/m3時才會考慮使用粒徑不超過4mm的細砂作為骨料以適當增加泡沫混凝土的力學性能并減少干縮。

1.1.4 外加劑

發泡劑是泡沫混凝土所用最重要的外加劑，也是泡沫混凝土生產中僅次于膠凝材料的第二位原材料，它是在膠凝材料硬化體中形成氣孔的主要物質基礎。發泡劑有化學發泡劑和物理泡沫劑兩種：化學發泡劑的基本原理是在材料漿體中產生氣體形成無數微小獨立的氣泡，在泡沫混凝土實際生產中應用的大部分為雙氧水；物理泡沫劑通過降低液體表面張力等物理作用而導入氣泡，按照其在我國的演變歷程可以分為第一代松香樹脂類，第二代合成表面活性劑類，第三代蛋白類和第四代復合類。目前國內市場占有率較高的是合成陰離子表面活性劑型，蛋白類泡沫劑成本較高，但產生的泡沫氣泡直徑更小更均一，泡沫結構更穩定，在發達國家應用更多。圖1比較了四種市售泡沫劑性能，其中松香皂屬第一代松香樹脂類泡沫劑，十二烷基苯磺酸鈉是最常用的一種合成陰離子型表面活性劑，茶皂素是一種植物蛋白泡沫劑，動物蹄腳泡沫劑是一種優質動物蛋白泡沫劑。可以看出，單一成分泡沫劑在發泡倍數與穩泡能力兩方面的性能表現均不夠全面，這也就促使了第四代復合類泡沫劑的產生與發展，這是一類通過將不同類型泡沫劑復配實現較高的發泡倍數與較好的穩泡能力的泡沫劑，雖然目前市場占有率小，距離工業化生產也有一定的距離，但是具有相當廣闊的工業應用前景。

圖1 常見泡沫劑性能對比

除發泡劑外還有種類數量繁多的外加劑，如減水劑、緩凝劑、穩泡劑等，需要依據產品目標性能具體選用。

1.2 生產工藝

泡沫混凝土的生產工藝依據選用發泡方式不同一般有3種：物理發泡法、化學發泡法與攪打法。

物理發泡法將以表面活性劑為主的泡沫劑經發泡機發泡后制成泡沫，然后將泡沫加入攪拌好的水泥基料中并小心混合均勻，所以也叫預發泡法或混泡法，對應生產工藝流程如圖2所示。這種發泡方式可以通過調整泡沫摻量靈活控制成品密度，生產方式靈活，有利于場地現澆，但是由于消泡嚴重、穩泡性能不佳，施工質量往往不好控制；化學發泡法是采用雙氧水作為發泡劑，施工時將過氧化氫加入攪拌好的料漿中，經由化學反應在料漿中產生氣體形成氣泡，此方法也稱后發泡法，常用于泡沫混凝土制品生產。化學發泡法對混凝土的溫度、料漿的稠度有比較嚴格的要求；攪打法可用于蛋白類及表面活性劑類泡沫劑，主要做法是將泡沫劑與料漿在攪拌機里共同攪拌，通過機械攪拌引入氣泡，含氣量由攪拌速度與攪拌時間調節。

圖2 物理發泡法制備流程

1.3 質量控制

1.3.1 泡沫

泡沫質量是決定泡沫混凝土性能的首要因素，不論是哪種發泡方法制得的泡沫都需要符合要求。需要泡沫滿足的性能指標有三種：發泡倍數、沉降距以及泌水量，檢測工具如圖3所示，具體試驗方法參照《JT/T266-2011 泡沫混凝土》行業標準。一般要求用于施工的泡沫混凝土泡沫劑發泡倍數＞20，沉降距＜10mm，泌水量＜80ml。

1.3.2 濕密度

因為現澆泡沫混凝土在運輸及儲存過程中易消泡，其間對環境也有一定的要求，加之市面上泡沫劑種類千差萬別，故泡沫混凝土現澆質量很容易參差不齊。而密度等級不合格的泡沫混凝土一旦完成澆注，硬化后將對工程產生巨大損失，所以在澆注前檢測泡沫混凝土的濕密度對及時發現工程質量問題與調整配合比有重要意義。濕密度采取測定已知容積內漿體質量的方法測定。

1.3.3 工作性

盡管現有規范中并沒有對泡沫混凝土坍落度測試的必要性做明確說明，但是坍落度小于一定值的泡沫混凝土對澆注是極為不利的，尤其是當摻入纖維或輕骨料時，由摻量過大引起的料漿工作性變差問題在生產現場值得注意。

1.3.4 分層

攪拌不充分或者存放時間過久的泡沫混凝土料漿很容易發生分層現象，容重較輕的濕泡沫集中在料漿上層導致硬化后氣孔分布不均，嚴重影響材料品質。分層程度可以在生產過程中肉眼觀察或通過在硬化后試件的不同深度取樣檢查。

2 工程應用現狀

2.1 傳統應用

2.1.1 屋面保溫層

屋面保溫是我國應用較早的泡沫混凝土工程，目前應用也已經比較成熟。泡沫混凝土內部含有大量的密閉氣泡與微孔，因此兼具輕質與很好的熱工性能，其密度一般相當于普通混凝土的1/3～1/10左右，而導熱系數卻要比混凝土低得多，因此是建筑物屋面保溫的首選材料之一。應用比較多的有現澆泡沫混凝土屋面保溫層、泡沫混凝土隔熱板等，其中現澆泡沫混凝土屋面保溫層因為其良好的施工性還可充當找坡層，大大簡化施工工序。

2.1.2 地暖絕熱層

地暖絕熱層是地暖中用于阻擋熱量向下傳遞、減小熱損失的一種地面構造層，處于地暖管與結構層之間，主要應用的是泡沫混凝土優異的熱工性能。泡沫混凝土地暖絕熱層一般采用現澆，且能夠自流平施工，施工效率高。與最早流行的聚苯乙烯泡沫塑料板相比，泡沫混凝土地暖絕熱層在阻燃、承載力、使用壽命、環保、施工工序等方面具有明顯優勢，目前在我國已經有替代聚苯乙烯等泡沫塑料絕熱層的趨勢。北京、遼寧等多地最新發布的地面輻射供暖相關標準均采用了泡沫混凝土絕熱層。

2.1.3 泡沫混凝土外墻外保溫板

建筑外墻外保溫技術是我國建筑節能技術的主導方向。與泡沫塑料等有機保溫材料相比，泡沫混凝土具有防火、耐久、隔音、環保等顯著優勢。但是自2013年起，由于國家取消對建筑保溫材料必須達到A級防火等級的限定，B級保溫材料的擠壓直接導致了泡沫混凝土保溫板市場的大幅萎縮。當下泡沫混凝土保溫制品行業發展已經回歸理性，正在從密度、強度、導熱系數三個主要方面尋求轉型升級方向。我國現已生產出密度150kg/m3以下，導熱系數低于0.03W/（m·K），抗壓強度不低于0.12MPa的泡沫混凝土保溫板，生產工藝由最初以化學發泡法為主發展向物理、化學相結合等新工藝，產品形式也趨于多樣，正由非結構保溫向建筑結構自保溫的方向發展。

2.1.4 泡沫混凝土砌塊

泡沫混凝土砌塊是將泡沫混凝土制成規格較大的塊體以提高砌筑速度，適用于自保溫外墻與自保溫內隔墻，有良好的結構自保溫及隔音效果。泡沫混凝土自保溫砌塊密度通常低于700kg/m3，導熱系數低于0.15W/（m·K），厚度為200～400毫米，可滿足不同氣候地區建筑節能標準要求。泡沫混凝土砌塊塊型小、輕質、易施工，用作內隔墻可以有效增加建筑使用面積、減輕墻體自重，用作外墻時可以免去外墻外保溫的施工，因此具有很好的發展勢頭。不過因為承重能力較低，目前泡沫混凝土砌塊的產品定位主要還是保溫，而不是結構，一般用于框架結構非承重墻體構造，不能用于承重墻，所以并不能完全取代傳統砌體結構。

2.2 升級應用

2.2.1 泡沫混凝土墻體

泡沫混凝土墻體澆注是將泡沫混凝土漿料直接澆筑于墻體模版內制成泡沫混凝土保溫墻體的施工工藝，分為免拆模墻體、拆模墻體兩種。免拆模墻體是由豎向輕鋼龍骨與橫向斷橋龍骨為支撐體系，以固定于龍骨兩側的無機面板為永久性模版，然后經由面板上預留的澆注孔向空腔內現澆泡沫混凝土，凝固后成一體的復合保溫墻體，應用于免拆模墻體的泡沫混凝土密度一般小于700kg/m3。由于模版本身是墻體的組成部分，免于拆除，故而大大簡化施工工序，并有效減少了泡沫混凝土干縮開裂的影響；可拆模墻體在澆注后需把模版拆除，因而對泡沫混凝土密度、強度、導熱系數的要求比免拆模的更高一些，密度一般大于700kg/m3，主要用于自承重墻體。近年來還出現了一種鋼網模構架泡沫混凝土復合墻體，其是利用拉伸鋼網替代傳統墻體模版，現澆泡沫混凝土凝固后使鋼網與泡沫混凝土墻體表面牢固結合而成的復合墻體。鋼網模構架泡沫混凝土復合墻體不但解決了泡沫混凝土墻體空鼓、開裂的技術難題，而且由于施工便捷、高性價比正逐漸成為現澆泡沫混凝土自保溫復合墻體的主流技術體系[4]。

2.2.2 回填工程

泡沫混凝土由于良好流動性的優勢可以被應用到各種回填工程當中，尤其是當作業空間過于狹小，施工人員與機具無法到達時。與混凝土相比，泡沫混凝土回填灌漿施工簡便、凝結速度快、管道上浮力小，澆注完成后不需額外振搗，綜合成本更低；與土、砂石等粒狀回填材料相比，泡沫混凝土回填體荷載傳遞路徑明確，回填密實度更高，無需碾壓即可回填密實，具有更高的回填效率及填體質量。目前泡沫混凝土已經開始被用于舊建筑排污管道、水井、地下室回填及隧道、采空區、地下洞穴、管線等回填工程，在一些隧道工程中也應用到泡沫混凝土進行工程減荷回填。

2.2.3 地基工程

泡沫混凝土可用于補償地基、運動場基礎、機場跑道等。泡沫混凝土作為補償地基不僅在強度方面滿足地基的設計要求，而且在控制沉降及抗凍方面也展示出優異的性能；采用泡沫混凝土為輕質基礎建造的運動場具有施工簡單、耐久性好等特點，通過在其上覆蓋草皮或塑膠層可滿足各種運動需求；泡沫混凝土彈性模量低、吸能性好、應變率效應顯著[5]，作為機場跑道地基時可以大大降低高強度振動對路基的損傷，逐漸成為機場阻滯系統的主要材料。

2.2.4 道橋工程

泡沫混凝土由于質輕、自立性好、易于施工、造價低廉且相較于普通回填材料較高的強度，目前在高速公路加寬擴建、路基減荷、臺背回填、擋土墻工程、橋梁減跨等工程均有應用，在道橋維護工程中也可被用來整治基礎脫空、橋臺背跳車等不良現象[6]。

2.3 新興應用

2.3.1 預制泡沫混凝土板裝配式建筑

裝配式建筑是指由預制部件在工地裝配而成的建筑，有節能、環保、工期短的主要優勢，是當今建筑業的最大熱點之一。泡沫混凝土由于輕質、保溫、隔音、環保等天然優勢，可以與裝配式建筑進行很好的結合。泡沫混凝土在裝配式建筑中的應用形式主要是框架式鑲嵌板建筑，就是指主體框架（以鋼筋混凝土框架、鋼框架為主）與工業化生產的各種不同構造形式的泡沫混凝土復合墻板、樓板、屋面板所組成的建筑，具有自保溫、自重輕、空間分割靈活、施工速度快等諸多優點，可被用于中低層建筑、工業廠房與農業設施。

2.3.2 泡沫混凝土減震層

目前地下工程的抗震方法以加固圍巖、強化襯砌等傳統方法為主，通過設置減震層來減輕隧道等地下結構震害的方法是近年來學者提出的新理念。泡沫混凝土在地震作用下能吸收圍巖的變形，消能減震，同時還有較好的施工性與耐久性，能夠適應隧道等地下結構所處的地質環境與現場施工要求，是一種理想的地下結構減震材料[7]。

2.3.3 泡沫混凝土防護結構

地下人防與軍事工程對結構的抗爆性能都有特殊的要求。以泡沫混凝土為吸能層的鋼筋混凝土復合防護結構對子彈沖擊及爆炸沖擊波有很好的吸收作用，可以大幅度減少爆炸的破壞力，且造價低廉，可以大面積使用，有很高的軍用及民用價值。

2.3.4 透水型泡沫混凝土

帶有連通孔隙且開口率達80%以上的泡沫混凝土具有很好的透水及過濾功能，可以用于海綿城市建設、透水磚、生態植草地面、垃圾無菌無害化覆蓋處理、化工過濾、沙河水過濾等。

2.3.5 景觀與裝飾工程

泡沫混凝土在園林景觀與裝飾工程領域的應用在我國尚屬新興領域，但是發展的勢頭非常好。泡沫混凝土因為成型快、易加工，可以很好的代替傳統混凝土進行大體積景觀造型的填充，實現生動的外形且節約造價；也可以經深加工制成泡沫混凝土保溫裝飾一體板，克服傳統外墻外保溫系統易破損與裝飾性差的缺陷；也可以用于生產各種藝術擺件、裝飾線條，且有比石膏更輕的自重與更高的強度；還可以很容易的制作水上漂浮景觀，并實現無圖栽培。

3 問題與展望

目前，泡沫混凝土行業正處于轉型升級的關鍵時期。雖然我國泡沫混凝土年產量高居世界第一，但行業總體距離發達國家還是有一定的距離，主要表現在以下幾個方面。

3.1 產品種類單一

雖然泡沫混凝土的應用領域逐漸拓寬，工程量也日益加大，但從生產及應用比例上看還是以傳統應用為主，高端、高附加值應用嚴重短缺，低檔次惡性競爭充斥著整個行業，導致泡沫混凝土的優勢遠沒有得到充分利用。要扭轉這種局面，唯有多元發展，及早開發拓展新興應用市場。

3.2 產品性能難以保證

國內泡沫混凝土制備技術還不成熟，核心外加劑的研發力度還不夠，產出的泡沫混凝土普遍存在密度高、強度低、干縮大、導熱系數偏大、成本高的問題，難以為市場廣泛接受。從原料、工藝等方面入手進行質量控制、研制高效發泡劑與外加劑、積極利用工業廢料降低成本并提高產品性能是泡沫混凝土實現高性能化的必經之路。

3.3 工藝陳舊，難以實現產業化

國內泡沫混凝土生產設備，施工工藝多數仍沿用傳統的混凝土施工工藝，缺少與泡沫混凝土工藝特性有機結合的切實可行的施工工藝，使應用領域長時間局限于對工藝要求不高的地暖絕熱層與填充工程中。此外，國內泡沫混凝土企業規模小，數量多，生產經營模式粗放。所以，全行業必須加大對新技術的研制力度，整合資源，齊頭并進研發新設備、新產品，早日向高端產業化邁進。

4 結語

泡沫混凝土的各項原料會對成品性能產生直接影響，所以不僅應當根據目標性能合理選用原料種類并控制用量，而且需要在生產的各個環節進行嚴格的質量控制。應積極研發高效發泡劑與外加劑以優化泡沫混凝土性能，同時應合理設計配合比，改進生產工藝，升級機具，實現國產泡沫混凝土高性能化與產業化；應盡早開辟多元化發展道路，開發新產品，將產業結構由目前的以傳統應用為主調整向高技術含量、高附加值應用靠攏，促進行業的轉型升級。