工業固廢制備泡沫混凝土質量問題及解決措施分析

陳美嬋

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 前言

1 泡沫混凝土基本特性分析

工業固廢一般指工業生產活動中產生的固體廢棄物（如粉煤灰、礦渣、赤泥、有色金屬渣等），據相關研究報告顯示，2019 年我國工業固體廢棄物產量約為35.4億噸。為減少工業固廢對生態環境的影響，我國在工業固廢資源綜合利用中取得了一定的成績，2019 年工業固廢資源綜合利用率達55.02%。由于我國工業固廢堆存量巨大，資源綜合利用率與發達國家相比存在一定差距，工業固廢的處置仍然是我國實現經濟和環境的可持續發展中的重要一環。

泡沫混凝土是指在混凝土料漿中加入具有一定強度的泡沫，經過攪拌、硬化，養護而成的一種內部具有均勻、封閉氣孔的輕質混凝土材料[1]，其具有質量輕、保溫隔熱、吸音減震、高流動性、施工簡便等優點，廣泛適用于屋面或隔墻保溫、路橋填筑、港口及碼頭回填、隧道預留層等工程項目中。

由于泡沫混凝土生產技術簡單，應用要求不高，可使用粉煤灰、礦渣、建筑廢石粉等廢棄物作為生產原材料，符合國家環保經濟的發展方向，近年來行業使用量飛速增長。據統計，2019 年我國泡沫混凝土總用量約在5000 萬m3以上，使用量年均增長率約為15%～20%，居全球第一位[2]。然而，工業固廢成分復雜、質量參差不齊，其應用在泡沫混凝土中仍然存在一定問題。因此，本文對泡沫混凝土基本特性及參考依據進行介紹，對泡沫混凝土存在質量問題進行分析，并提出相關解決措施以供研究參考。

1.1 質量輕

泡沫混凝土所用原材料主要為水泥和集料，所用集料一般為顆粒較細、密度較低的粉體材料，制成混凝土料漿后可通過控制泡沫加入量來調節密度性能。按照行業標準JG/T 266-2011《泡沫混凝土》中的密度等級，其密度一般控制在300～1600kg/m3之間[3]，較普通混凝土約2400kg/m3的密度降低35%以上，用于建筑物中可有效降低自重。

1.2 生產及施工簡便

泡沫混凝土具有質輕、不含粗骨料、高流動度（160～230mm 或以上）等特點，生產及施工較為簡便，其生產工藝流程圖1 所示。

圖1 泡沫混凝土制備工藝

由圖1 可知，混凝土生產制備工藝主要包括干粉預混合、料漿攪拌、加入泡沫三部分，生產設備簡便且占地面積較小，方便于現場生產施工。目前其工程施工均采用泵送澆筑的施工工藝，其泵送距離可達500m，施工過程實現自流平，無需另外進行振搗和碾壓[4]，適用于大體積的填充澆筑工程，可有效節省人力物力。由于使用水泥作為膠凝材料，進行分層施工時，泡沫混凝土上下層結合良好，整體性良好。

1.3 隔熱保溫

泡沫混凝土內部存在大量均勻、封閉的圓形孔隙，形成一種網狀結構，此種結構中的空氣有效地阻隔了熱量的傳播，使泡沫混凝土獲得較低的導熱系數，一般其導熱系數可低至0.08～0.27W/(m·K)，具有良好的隔熱保溫效果。

1.4 吸音減震

泡沫混凝土的封閉多孔結構，使聲音經過材料的過程中發生多次反射而被吸收和減弱，使其獲得良好的隔音效果，有關資料顯示[5]，其吸音能力是普通水泥的5～8 倍；同理，泡沫混凝土的多孔結構能降低震動波的傳播速度，可吸收分散部分荷載，應用在周圍環境存在變形的工程中可起到緩解壓力的作用。

1.5 環保利廢

泡沫混凝土主要組成材料為水泥、細集料等無機材料，采用發泡劑為動植物蛋白或復合發泡劑，相對于有機保溫材料，具有無毒無害的優點；細集料可使用大量的固體廢棄物，有助于固體廢棄物的處理處置問題，符合國家環保經濟的發展需要。

2 存在質量問題

2.1 收縮

泡沫混凝土收縮問題與混凝土相似，是由于膠凝材料在硬化過程中發生化學反應，濕度和溫度發生變化造成體積縮減的現象，目前影響較大的主要為塑性收縮、干燥收縮等。其中塑性收縮一般發生在料漿硬化成型之前，干燥收縮主要發生在泡沫混凝土硬化后，兩者均為由于失水而導致的收縮。塑性收縮是由于料漿流動性較大，在施工環境溫度較高時，料漿表層水分蒸發較快，使混凝土早期體積發生收縮現象；干燥收縮主要為混凝土硬化后，水分通過內部毛細孔隙遷移蒸發所致；收縮導致泡沫混凝土內外發生不一致的形變，使其表面甚至是內部產生裂紋，影響混凝土力學性能和耐久性。

圖2 泡沫混凝土由于收縮產生裂縫

2.2 消泡

泡沫質量是影響泡沫混凝土性能的主要因素。目前市場上發泡劑種類繁多、質量參差不齊，存在強度較低、穩定性較差等情況。行業標準JC/T 2199-2013《泡沫混凝土用泡沫劑》對泡沫混凝土用泡沫劑提出了相關技術要求，針對穩定性采用了1h 沉降距和1h 泌水率進行表征。泡沫穩定性較差時，加入混凝土料漿中攪拌和泵送過程中出現消泡現象，一方面造成混凝土內部形成較大孔隙，影響混凝土結構均勻性，另一方面消泡后產生泌水，影響混凝土水灰比，使泡沫混凝土綜合性能造成較大影響。

2.3 分層

泡沫混凝土分層的主要原因包括膠凝材料用量不足、水灰比過大等造成料漿稠度不足，或是因為選用集料密度較高、顆粒較粗的因素，如選用工業固廢材料中含金屬量較高而又不經過處理均有可能出現此種情況。

3 解決措施

3.1 合理選擇原材料

由于泡沫混凝土的應用主要為非結構性的填充位置，大部分使用成本較低的廢棄物原材料，近年來國內對工業固廢應用于生產泡沫混凝土進行了相關研究，如陳小和利用鎳鐵渣粉制備現澆泡沫混凝土[6]，吳喜軍進行赤泥發泡混凝土的試驗研究及工程應用研究[7]，郭峻驛對粉煤灰微珠泡沫混凝土進行配合比試驗研究[8]等。工業固廢可用于生產泡沫混凝土，但其中有可能存在磷、SO4、重金屬等有害物質超標的情況，因此在使用工業固廢作為原材料時應經過合理研究，對其潛在有害因素進行分析，經過處理、配比優化等再進行應用。

3.2 選用優質發泡劑

發泡劑的選用是影響泡沫混凝土質量的重要因素，發泡劑按照生產原材料主要分松香樹脂型、動植物蛋白型、表面活性劑型和復合型發泡劑等[9]。國外如德國、日本、意大利等技術較為成熟，以采用蛋白類發泡劑為主，具有良好的發泡倍數和穩定性。相比之下國內蛋白類發泡劑原材料較為缺乏，其他類型發泡劑在單獨使用的情況下普遍存在一些弊端，如發泡倍數不足、穩定性差等，嚴重影響泡沫混凝土性能。

近年來復合發泡劑逐漸受到國內研究人員的重視，逐步開發出性能優良的復合型發泡劑，如孫天文[10]將動物膠、有機硅等加入到皂角松香酸陰離子表面活性劑，制備出MB 型微發泡劑；陳禮儀[11]在ABS 中加入脂肪醇硫酸鈉、脂肪醇聚乙烯醚制備出DF-1 發泡劑；郭平等[12]在聚乙烯醇中加入十二烷基磺酸鈉、十二烷基二甲胺氧化物與之復配，制備出發泡劑。由于復合發泡劑能顯著改善泡沫混凝土力學性能、原材料來源廣泛，并可根據使用要求優化部分功能，具有良好的應用效果和發展前景。

3.3 優化配比

泡沫混凝土主要依靠水泥作為膠凝材料提供強度性能，因此原材料配比中應使泡沫混凝土性能滿足要求的基礎上，再從經濟成本出發降低水泥用量。其他原材料如石粉、礦粉、粉煤灰等輕質集料，具有顆粒較細、需水量較大的特性，合適的水料比對泡沫混凝土影響至關重要。若水料比過小導致料漿稠度較高，泡沫難以與料漿混合均勻，在攪拌過程中受到阻力較大而破壞；若水料比過大，料漿稠度不足，容易出現塌模、氣泡逸出等現象，同時泡沫混凝土早期強度不足，失水后泡沫混凝土出現干縮現象，性能受到嚴重的影響。因此泡沫混凝土的生產應通過配比試驗，同時利用外加劑如減水劑、穩泡劑、纖維等進一步增強改善其性能。

3.4 改善養護條件

泡沫混凝土中由于不含粗骨料，早期強度主要靠水泥提供，因此早期強度較低，并且受養護環境影響較大。養護溫度過高、濕度低，造成混凝土中水分散失而產生裂紋，另一方面由于混凝土早期強度低，承受梯度應力能力較弱，使混凝土裂紋更加嚴重。因此施工過程中為減少早期干縮，使水泥水化充分，相對濕度應保持在80%以上[13]，可通過覆蓋塑料防水薄膜、表面處理、選擇合適的施工時間等措施。

4 總結

泡沫混凝土由于質輕、生產及施工簡便、隔熱保溫、吸音減震和環保利廢等優點，近年來受到廣泛應用，但目前仍然存在一定的質量問題，尤其在大量使用工業固廢作為生產原材料時，其質量問題更加突出。本文針對工業固廢制備泡沫混凝土質量問題進行分析，并提出相關建議性的解決措施，以供行業研究作參考。