發泡混凝土微結構的研究進展

樸春愛，權宗剛，唐玉嬌

(西安墻體材料研究設計院有限公司，西安 710061)

0 引 言

作為一種輕質多孔的優良保溫隔熱材料，發泡混凝土逐漸成為新型綠色墻體材料發展的重要方向之一，為實現建材的可持續發展提供了基礎，有效地緩解了耕地土地資源緊缺的問題，從而實現墻體材料的綠色資源化利用發展。與傳統墻體材料相比，發泡混凝土生產制備過程中通過內發氣與外發泡等物理化學反應易形成大量大小不均，直徑在100 nm～4 mm間的氣孔與氣孔壁組成的結合體，影響著其保溫性能、抗凍性能、力學性能等宏觀性能[1]。

因此，本文從發泡混凝土微結構出發，綜述了其孔結構的形成、組成、分布、優化等方面的國內外研究進展，對發泡混凝土孔結構的研究提供了理論基礎，指明了發泡混凝土性能優化的微觀結構理論，推動其商業化大規模使用。

1 發泡混凝土微結構的研究進展

發泡混凝土是一種集輕質、高強、防火及隔熱于一體的新型綠色砌筑混凝土，主要由膠凝材料(石灰、水泥基水硬性材料等硅酸鹽體系以及粉煤灰、粒化高爐礦渣等工業固廢基)、發泡劑(鋁粉、雙氧水以及表面活性劑)、外加劑、拌合水等組分，經混合攪拌、發泡成型、特殊養護以及切割制成[2-5]。發泡成型工藝是發泡混凝土成敗的關鍵工藝，影響著微結構的組成與分布，會導致混凝土的宏觀性能差異，決定其產品的質量。

當前，發泡工藝主要包括以下兩種[2,6-8]：(1)化學反應產生的內發泡工藝，發泡材料特殊的孔溶液環境觸發了攪拌混合過程填入的發泡劑，導致了大量不規則氣泡的形成與溢出(如圖1所示)[9-10]，形成大量空洞孔結構，從而使體積膨脹，生成發泡材料；(2)物理攪拌過程輸入的外發泡工藝，主要是指通過機械作用下將泡沫或者空氣直接引入新拌漿體中，可有效降低其質量，達到輕質需求。然而，物理攪拌的外發泡工藝因其工序繁瑣和高昂的成本等問題，并未得到大規模的推廣使用。因此，本文著重對內發泡工藝中孔結構的形成過程進行系統地闡述。

圖1 發泡工藝中氣泡的形成與溢出[9-10]Fig.1 Formation and overflow of bubbles on the foaming process[9-10]

1.1 發泡混凝土氣泡的研究

作為內發泡工藝的重要影響因素之一，發泡劑的物理化學反應直接影響著其孔結構的形成與溢出過程。當前，電石、銨鹽、鋁粉與雙氧水是發泡混凝土可能使用的發泡劑，易在水泥或者地質聚合物新拌漿體中,高堿性環境孔溶液下(pH值高于12),發生相互反應生產氣體，其反應原理如式(1)～(4)所示[11-13]：

電石：

CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑

(1)

(2)

(3)

雙氧水：

H2O2→H2O+O2↑

(4)

上述發泡劑因其本身的化學發應會在漿體內部生成大量細小、均勻、穩定的氣泡。然而，電石遇水反應劇烈，不僅會對漿體結構造成破壞，同時也會導致氣孔的調控機制的紊亂。銨鹽在水泥孔溶液的堿性條件下反應緩慢，氣泡形成速率降低，易出現塌膜的問題。鋁粉與雙氧水是當前廣泛使用的發泡劑，其反應速率易于調節，為孔結構的調控機制奠定了基礎，實現了發泡混凝土功能化設計。

發泡劑的摻入使新拌漿體中形成了大量的氣泡，因此氣泡的形成、傳輸和轉變過程成為了發泡混凝土早期的獨特歷程。由圖2可知[14]，氣泡反應初期由空氣以及氣泡囊壁組成了直徑較小的氣泡。然而隨著時間的延長，在氣泡-水-反應產物三相界面的作用下其直徑趨于穩定。反應初期，新拌漿體中反應產物并未大量形成，氣泡的形成與轉變過程主要受到氣泡-液體的二相界面作用，符合動態Rayleigh公式(如式(5)所示)[15-16]。由式(5)可知，氣泡直徑受其氣泡內部與介質壓力之間的差(PR)的作用，具體影響影響規律如圖3所示[16]。隨時間的增長，PR的增加提高了氣泡的質量，加快其運動，不斷向上浮動。反應中期，反應產物不斷堆積，阻礙部分氣泡的溢出并改變其(主要指D≥2 mm的氣泡)表面毛細力。研究表明[17]，凝膠孔隙度以及毛細管孔隙度的分布、尺寸、形貌均會導致氣泡表面毛細力的差異。如圖4所示，氣泡與直徑較大的凝膠孔或毛細孔作用時，兩者較薄的薄壁相互作用，增加了連通孔、并孔等有害孔出現的可能性。在不規則鋸齒狀、半開合凝膠孔與毛細孔的作用下，氣泡薄壁被破壞，其分裂成大量直徑較小的氣泡。隨反應的不斷進行，大量氣泡溢出、合并與破裂導致發泡混凝土混凝土硬化后形成大量的微孔結構，影響其力學性能與耐久性等后期性能。

圖2 氣泡結構[14]Fig.2 Bubble structure [14]

圖3 (a)氣泡直徑隨時間變化規律；(b)氣泡直徑與壓力間的關系[16]Fig.3 (a) Diagram of a bubble expansion in the liquid volume; (b) pressure distribution around an expanding bubble[16]

圖4 氣泡受凝膠孔隙度以及毛細孔的作用[17]Fig.4 Influence of bubble on the gel porosity and capillary porosity[17]

(5)

1.2 孔結構組成

由1.1節可知，反應初期，氣泡溢出、破裂、合并的過程導致后期形成了大量的孔隙結構，決定了發泡混凝土輕質、隔熱以及高強等優異特性。因此，本節結合國內研究進展對發泡混凝土的孔結構的組成進行研究。與普通硅酸鹽水泥混凝土孔結構中凝膠孔(D≤1.6 nm)、過渡孔(1.6 nm≤D≤100 nm)，以及未被水化產物填充的毛細孔(D≥200 nm)等孔結構[18]不同，發泡混凝土中孔結構分為微孔(亦稱凝膠孔，D≤2 nm)，介孔(亦稱顆粒間孔，2 nm≤D≤50 nm)[19]，及由于氣泡質量膨脹而形成的大孔(亦稱人工氣孔，D≥50 nm)[20]，具體形貌如圖5所示[19,21]。

圖5 發泡混凝土的孔結構組成[19,21]Fig.5 Pore structure composition of foamed concrete[19,21]

由上可知，發泡混凝土中宏觀多孔復合結構是其微結構和宏觀性能的決定性因素，影響其硬化構件的穩定性與使用性。然而，與傳統混凝土孔結構不同，孔壁為發泡結構提供穩定的的骨架結構，如圖6(a)所示。研究表明[22-23]發泡混凝土中孔壁結構富集了以托貝莫來石型的結晶、半結晶及無定形水化硅酸鈣復為主的產物，其形成過程與以下反應密切相關：(1)富鈣C-S-H的形成；(2)C-S-H 的轉變；(3)1.13 nm托貝莫來石的形成。高結晶度以及片狀的托貝莫來石孔壁結構可有效提高和改善發泡混凝土的力學性能和耐高溫特性。

圖6 發泡混凝土的孔壁結構的SEM照片[21-22]Fig.6 SEM images of pore wall structure on the foamed concrete

1.3 孔結構的分布

為使發泡混凝土成為一種新型綠色墻體材料，各種表征手法已廣泛用于其孔結構分布的研究中。光學法：基于Image Pro Plus軟件的圖像分析處理統計功能，SEM和高倍數光學相機的相互結合使用已廣泛用于量化發泡混凝土微觀孔結構分布，如圖7所示[24]。 壓汞法[25-26]：作為廣泛使用的孔徑分布以及比孔容積等孔結構特性測試，壓汞法已在發泡混凝土宏觀孔的研究中取得了一定的進展。然而，測試中壓力需求不僅導致發泡混凝土中部分孔結構被破壞，同時限制了孔徑測量范圍。氣體滲透法[27-28]：載氣流經連通孔結構時會發生物理吸附脫附現象，從而直接體現其孔的內部特性。總而言之，上述測試方法已應用于發泡混凝土二維孔結構的研究，為其優化提供了基礎，推動了材料的發展。

圖7 光學顯微鏡下發泡混凝土孔結構的分布[24]Fig.7 Distribution of pore structure of foamed concrete under optical microscope[24]

當前，隨著科學技術的發展，新型三維斷層掃描成像技術的出現為發泡混凝土孔結構的原位無損傷全方位檢測分析提供了可能。計算機斷層成像技術(X-ray Computered Tomography，X-CT)已廣泛應用于混凝土內部結構的無損檢測，以便獲得物體的三維空間圖像，進而對其孔結構進行定量化分析[29-31]。與X-CT技術單一的二維密度相比，Micro-CT[32-34](如圖8所示)較寬的測量范圍，更精確地量化了發泡混凝土孔結構中的各項異性、圓形度因子以及孔泡厚度等因素，為揭示孔結構與熱性能的內在聯系提供了理論基礎。隨著發泡混凝土孔結構研究的不斷深入，以及3D-TEM和3D-XRD等高精度技術的引入，發泡混凝土孔結構的研究將會加速，進一步闡明孔結構與混凝土性能的內在關系。

圖8 Micro-CT下發泡混凝土孔結構特性[32-34]Fig.8 Pore structure properties of foamed concrete under Micro-CT[32-34]

2 結論與展望

作為一種微孔結構的水泥混凝土輕質材料，發泡混凝土具有保溫隔熱、節約能源的優點，在未來的快速發展中，泡沫混凝土可能成為引導建筑節能的世界性大趨勢。發泡混凝土內部的孔結構顯著影響其力學性能、耐久性及熱性能，決定其商業應用的價值。盡管國內外學者對其內部結構得到大量的研究，但并未形成系統的歸納總結。本文從發泡混凝土微結構出發，詳細的介紹了氣泡的形成與遷移的過程，為微觀結構和化學發泡催化機制提供了指導與推進作用。孔結構檢測手段的發展推動了孔結構與混凝土性能的內在關系的研究進展。

隨著科技的發展與進步，發泡混凝土中孔結構的研究正朝著精準表征與高性能化的方向發展。然而，作為一種發泡工藝，發泡過程的實時調控與檢測是決定發泡混凝土質量的關鍵，影響者其后期性能。因此，未來的研究應著重于發泡混凝土的發泡過程調控、監測與檢測的綜合調控，為其性能優化與完善提供基礎，進而推動我國發泡混凝土的發展。