輕質泡沫混凝土材料性能研究

俞佳美 邵夢婷 王震 周永進 朱稼峰

摘? ?要：輕質混凝土材料為特殊混凝土的一種，具有比一般混凝土較低的單位重，透過摻入大量氣泡或輕質粒料與水泥漿均勻混合而成，硬固后混凝土空隙體積占總體積25%～75%，輕質混凝土大致區分為三類，分別是無細料混凝土、輕質粒料混凝土和發泡混凝土，以輕質粒料混凝土、輸氣或發泡混凝土及空心混凝土最為常見。利用輕質粒料取代天然砂石降低混凝土單位重稱為輕質粒料混凝土，將空氣引入水泥漿體降低其單位重的混凝土稱為輸氣混凝土，透過大量輸氣混凝土的研究、制造和應用成果，才能確立泡沫混凝土的技術。

關鍵詞：輕質? 泡沫? 混凝土? 材料

中圖分類號：TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（a）-0048-02

1? 引言

發泡混凝土的相關研究最早出現在公元1923年，當時主要用于輕量、半結構材料。發泡混凝土亦可被稱為“發泡水泥” 或可稱為“泡沫混凝土”，其為輕質混凝土中的一項特殊材料，對于發泡混凝土的定義，發泡混凝土指利用物理方法產生泡沫，將泡沫添加到水泥漿或水泥砂漿中，經拌合均勻后澆注硬化，一種內部含有大量獨立封閉且均勻分布氣孔的多孔材料。

2? 發泡機制

欲制造穩定的發泡混凝土取決于許多因素，如：發泡劑的種類、泡沫的制程、空隙分布的均勻性、材料的選擇和配比設計等，而后仍需透過反復試驗確立其工程性能。一般輕質建筑材料常見的制造方式有下列3種。

2.1 機械發泡

將空氣藉由高速攪拌的方式夾帶入水泥漿體或他種混合物中，使用的輸氣材料如： 發泡劑產生的泡沫、輸氣劑或預先拌合的穩定含氣漿體等。

機械式方法中最常見的即為添加發泡劑，發泡劑屬于界面活性劑（Surfactants）的一種，表面具有較高活性以降低液體的表面張力，使水膜不易破裂，并且在攪拌過程中空氣容易混入液體中，讓液膜表面的雙電子層包圍空氣形成氣泡，再由多個獨立氣泡組成泡沫。界面活性劑根據其水溶液的親水性原子團的特性，大致可分陽離子型、陰離子型、兩性離子型及非離子型等四種。發泡劑依類型及成分的不同，其發泡能力與泡沫穩定性也有所差別，依實物應用分類可分為松濃度的發泡劑水溶液中均勻分散，增加液體與氣體間的接觸面積形成泡沫。

發泡劑的發泡機制可分為預發泡方式和混合發泡方式。將欲被發泡的基底結構材料，如水泥漿體，與已制造出的穩定泡沫均勻混合，稱為預發泡方式;混合發泡方式則是以界面活性劑與水泥漿體混合，在拌合的過程中產生氣泡，從而在混凝土中形成蜂窩狀的多孔隙結構。界面活性劑產生的泡沫結構必須是穩定、牢固的氣泡以抵抗從水泥漿體包裹的壓力，至初凝后，泡沫會在混凝土中形成龐大的空隙骨架[1]。影響發泡穩定性的因素，可歸納為：

（1）水泥漿體黏稠度： 影響泡沫成形表面。

（2）界面分離壓力： 存在于吸附離子、非離子界面活性劑和聚合物的相鄰界面。

（3）發泡劑濃度。

2.2 化學發泡

主要取決于外加劑的種類及其產生的化學作用，或是與原先存在于水泥漿中的特定化合物產生反應，形成氣泡空隙均勻分布于漿體中。

使用的廣泛材料如： 鋁粉、過氧化氫（俗稱雙氧水）、次氯酸鈣（漂白粉的主要成分）或高錳酸鉀。化學發泡成型的關鍵在于發泡劑的發泡速率需與漿料凝結硬固的速率相一致達到動態平衡，以得到最佳發泡效果。在均勻分散于漿體中的發泡劑與激發劑反應作用下，當氣體壓力大于漿體的極限剪切應力時，氣源加速膨脹不斷產生氣體形成眾多獨立氣泡，膨脹過程中漿體稠度亦緩慢增加，造成膨脹所要克服的阻力不斷增大，同時，反應物持續消耗則膨脹的潛在動力變小，待漿體逐漸硬固后，水泥漿的體積變化也隨之趨緩[1]。

近年來環保議題日趨高漲，廢棄物回收再利用儼然成為熱門的話題，在發泡混凝土中所使用的金屬鋁粉原料，是在軋制鋁箔過程中產生的鋁屑，鋁屑經過機械研磨成片狀鋁粉（Aluminum flake powder）。片狀鋁粉被廣泛應用于輕質混凝土中，其外觀為銀灰色，具備高亮度、高純度（鋁純度達 99.4 % 以上）及良好黏著度等特性[2]。工業用片狀鋁粉平均細度20～45，比表面積3～6m2/g，依使用途徑不同，要求規格也不近相同[3]。在“下水污泥灰發泡混凝土的輕質化與隔熱特性”的研究中，利用金屬鋁粉為水泥漿發泡材料，當水泥在混凝土中與水進行水化反應時，得到鈣硅水化物（C-S-H膠體）及氫氧化鈣（Ca（OH）2CH）（）等產物，其反應機制如式（2-1），氫氧化鈣溶于水解離為Ca2+Ca2+與OH-離子，其反應機制如式（2-2），大量OH-離子使水泥漿體呈現堿性，添加的金屬鋁粉在堿性水泥漿環境中的不穩定行為，即會引起化學反應生成鋁酸鹽和氫氣，其反應機制如式（2-3），水泥漿體包裹釋放出的氫氣造成體積膨脹，水化作用持續進行亦使發泡反應不斷產生氫氣，終凝時遂成多孔洞的蜂窩結構。

另一種化學添加劑則是采用高錳酸鉀（KMnO4）及過氧化氫（H2O2），使用高錳酸鉀（KMnO4）與過氧化氫（H2O2）作為發泡劑，利用高錳酸鉀水溶液與過氧化氫混合發生化學反應產生氧氣，其反應機制如式（2-4），無機聚合物漿體包裹生成的氧氣達到多孔化的效果，藉以提升材料隔熱能力。此外，可利用高錳酸鉀（KMnO4）與過氧化氫（H2O2）氧化還原反應生成的氧氣作為化學發泡的氣源具良好效果，相較于他種物質反應過程，其反應速率與氣體釋放體積較容易控制，可得到較佳的發泡效果。

2.3 超額水量法

采用低漿量設計，由膠結材和粒料以及較一般相同體積混凝土多數倍的水量所組成，經過高壓蒸氣養護與硬固過程后，透過超額水量的蒸散，將使材料獲得較低的密度及形成眾多細微且分散的空隙。這種材料制作方法所制成的混凝土常被稱作輕石灰混凝土（Light-lime Concrete），而石灰通常是指水泥膠結材料。

3? 發泡輕質材料性質

發泡輕質材料因為內部含有大量細小、封閉、均勻的氣孔，是一種多孔性材料，由于其特殊的材料結構特性，具有輕質、保溫隔熱、隔音耐火等性能，因此受到產學界的重視，而近幾年更是針對其材料性質投入相關研究與應用。在發泡輕質材料性質中，材料的組成與配方、發泡方式與制程等皆直接影響到內部孔隙大小與分布，進而會影響了發泡輕質材料性能。將水泥基材料的孔隙分為三種，分別是凝膠孔（Gel proes）、毛細管孔（Capillarypores）和大孔（Macropores），其中凝膠孔與毛細管孔是由空氣引入水泥漿中形成的空隙，大孔則是因漿體壓實度不足而形成，但是這三種空隙都會造成混凝土的抗壓強度降低。添加飛灰不但可使混凝土中的細粒料均勻分布，對于發泡輕質混凝土中的氣泡空隙分布有更佳效果，當飛灰粒徑愈小，愈能提升空隙分布的均勻度，并會在氣泡表面形成類似鍍膜的效果，防止氣泡間相互合并及重迭造成連通孔泡的情形發生，而孔隙率直接影響混凝土的收縮及潛變行為，但對于抗壓強度較 無直接的關系。依不同比例的飛灰摻入卜特蘭水泥，并添加預先發泡好的泡沫制成發泡輕質混凝土，發現提高飛灰摻量會降低混凝土中的氣泡孔徑，導致抗壓強度增加，因此，不影響發泡輕質混凝土的早期強度。

4? 結語

長期受到凍融作用的環境中，使用多孔隙發泡混凝土的建筑物較一般混凝土建物擁有較佳的耐久性，且能達到工程性能標準;由于混凝土中孔隙易含水，當外界氣溫降至冰點時，孔隙內的水結成冰使體積增大，體積膨脹將對孔隙壁產生極大壓力，當氣溫回升時，冰融化成水壓力驟減，如此一來在長年凍融反復作用下，混凝土易從內部產生裂縫延伸至表面后，終致構造物破壞毀損。抗壓強度、滲透深度及吸水率等都是影響發泡混凝土抗凍融能力的影響因素，但相較之下，發泡混凝土的單位重及透氣性影響程度較小。輸氣劑的有效輸氣量為混凝土體積的 4%～8%，輸氣量愈多抗凍融能力愈加，但是輸氣過量反而會導致混凝土強度降低。

參考文獻

[1] 喬禺森.無機鹽對磚粉泡沫混凝土性能影響的研究[J].混凝土，2014（9）：27.

[2] 董素芬.再生EPS顆粒對磚粉泡沫混凝土性能影響的研究[J].混凝土與水泥制品，2014（9）：51.

[3] 吳麗曼.粉煤灰對超輕發泡混凝土孔結構及吸聲性能的影響[J].硅酸鹽通報，2014（9）：31-33.