泡沫混凝土發泡劑與氣孔形成原理的研究

董紅偉 門亦昂 黃長生

河南董工建筑設計研究院（450018）

泡沫混凝土是按照特定的配合比制備膠凝材料漿體，同時將發泡劑溶液通過特殊方式制備成泡沫，再加入制備好的膠凝材料漿體中，經攪拌、澆筑、養護而成的一種輕質多孔的建筑材料[1]，其與普通混凝土材料最大的區別在于泡沫混凝土內部有眾多的閉口空結構，降低了材料的密度，具有良好的隔聲、保溫功能。同時，泡沫混凝土中通常會摻加粉煤灰、爐渣等工業廢棄物，以減少水泥用量，起到節能、利廢、環保的作用。因此，泡沫混凝土是一種極具利用前景的新型材料。

盡管泡沫混凝土在1923年就已經被申請了專利[2]，但是作為一種輕質非結構或半結構材料，泡沫混凝土近幾年才在我國得以發展。在過去的幾十年中，國內外學者對泡沫混凝土做了大量的研究，Valore[3]對泡沫混凝土的組成材料、生產方式和物理性能做了全面的研究。Jones MR與McCarthy A[4]總結了泡沫混凝土的應用歷史，組成材料及其性能。文章針對各種發泡劑的性能與發泡原理進行了綜述研究。

1 泡沫混凝土的特點

泡沫混凝土是將發泡劑引入膠凝材料、細集料、水體系中，通過物理發泡法或化學發泡法在混凝土內部產生微小密閉的均勻氣泡，形成一種具有良好性能的混凝土材料，其優點主要有以下幾點:

1.1 輕質

泡沫混凝土一般可以使建筑物自重降低25%左右，有些甚至可使自重降低高達結構物總重的30%~40%。因此用于高層建筑的內外墻材料和其它非承重結構材料，可以有效地減少高層建筑物的自重。

1.2 保溫隔熱

泡沫混凝土中含有大量封閉的細小孔隙，具有良好的保溫隔熱性能。用于建筑物墻體及屋面材料，具有良好的保溫節能效果。

1.3 隔聲耐火

泡沫混凝土內部含有大量封閉的多孔結構，作為建筑物樓層、高速公路隔聲板和地下建筑物頂層等建筑部位的隔聲層，具有良好的隔聲性能。同時，泡沫混凝土以水泥為主料，是無機不燃材料，達到A1級防火標準。

表1 不同種類水泥的主要礦物及特點

1.4 抗震性好

泡沫混凝土由于密度小、質量輕、彈性模量低，在地震載荷作用下所承受的地震力小，震動波的傳遞速度也較慢，且結構的自震周期長，對沖擊能量的吸收快，因而減震效果顯著。

1.5 其他性能

泡沫混凝土料漿自流平、自密實、施工和易性好，便于泵送及整平，與所有其他建材幾乎都有較好的相容性。在制作過程中可以大量摻加工業廢渣，不僅有效利用資源、變廢為寶，利于環保，而且還大幅降低了生產成本。

2 泡沫混凝土的組成材料

2.1 水泥砂漿

泡沫混凝土中的水泥砂漿的基本組分為膠凝材料、水、摻合料、集料等。

1）膠凝材料。水泥是泡沫混凝土產生強度的主要膠凝材料。在達到相同性能的前提下，泡沫混凝土中水泥用量越多，其水化時的水化熱量越大。

在制備泡沫混凝土時也經常使用多種水泥進行復合，以達到將各水泥特性取長補短的目的，但是多種水泥復合容易導致泡沫混凝土產生急凝的現象，因此使用需要謹慎。

2）摻合料。混凝土摻合料是為了改善混凝土性能，節約用水，調節混凝土強度等級，主要包括天然或人工的粉狀礦物質。泡沫混凝土中普遍使用的摻合料有硅微粉、粉煤灰、礦粉（高爐礦渣細粉）、天然火山灰（磨細沸石、凝灰巖粉）、石灰石粉、泡沫聚乙烯顆粒、窯爐的底灰、陶粒、廢舊玻璃等，有些可以用來減輕泡沫混凝土密度，變廢為寶；有些可以增加新拌泡沫混凝土的流動性、黏聚性和保水性，并能提高硬化泡沫混凝土的強度和耐久性。

3）集料。除了細砂作為泡沫混凝土的細集料外，輕質陶粒、膨脹珍珠巖、聚苯顆粒也可作為細輕質陶粒、膨脹珍珠巖集料填充在混凝土中以減輕泡沫混凝土自重或改善其他性能。

4）其他。為了改善泡沫混凝土的抗剪切性能，可在拌合物中添加一些短纖維材料如聚丙烯纖維、抗堿性玻璃纖維、聚乙烯醇纖維等材料。纖維在基體中起到抗裂作用，提高泡沫混凝土的抗剪承載力。

2.2 發泡劑

泡沫混凝土是將通過發泡劑水溶液制成的泡沫或干氣泡加入水泥砂漿中進行攪拌，通過澆筑養護而成的輕質多孔的保溫建筑材料。所以發泡劑對泡沫混凝土起著重要作用。

發泡劑的品種很多，一般可分為松香類發泡劑、合成類發泡劑、蛋白類發泡劑和復合類發泡劑。

1）松香類發泡劑。松香發泡劑最初是用作提高混凝土中含氣量的引氣劑，后來逐漸發展為泡沫混凝土用的發泡劑。松香類發泡劑的發泡倍數較高，但對泡沫長時間保持穩定的能力差。另外，松香皂類制作發泡劑時需要加熱，工藝比較復雜，因此，松香類發泡劑一直發展比較緩慢。

2）合成類發泡劑。隨著表面活性工業的迅速發展，合成類發泡劑層出不窮。合成發泡劑多為化工合成的精細化工產品，其摻量很小，但是起泡作用十分顯著。合成類發泡劑中陰離子類發泡劑應用最為廣泛，其發泡速度迅速，發泡倍數高，但所形成的泡沫穩定性差。

3）蛋白類發泡劑。蛋白類發泡劑發泡倍數居中，而泡沫穩定性好是其最大的優勢，可以達到幾個小時內不破滅。所以選用蛋白類發泡劑雖然價格高，但由于綜合性能好，是發泡劑市場中的重要產品。

4）復合類發泡劑。復合類發泡劑就是取長補短，發揮復合效應，充分發揮各種發泡劑的優點，以達到綜合性能最佳的目標。

3 泡沫混凝土的氣孔形成原理

當由發泡劑制成的泡沫順利混入膠凝材料漿體，經凝結作用固定在混凝土內，形成泡沫混凝土，才能最終體現泡沫的價值。泡沫在形成混凝土的過程中，將發生一系列變化，并對混凝土產生重要的影響。用發泡機制出的泡沫最終成為泡沫混凝土的氣孔一般要經歷以下幾個過程。

3.1 氣-液界面向氣-液-固界面的轉變

泡沫本來是氣-液兩相體系,由液膜包圍氣體。而膠凝材料漿體是水和膠凝材料顆粒形成的液-固兩相體系。泡沫混入膠凝材料漿體,二者就變成氣-液-固三相體系,即料漿由氣泡、水、固體顆粒三相組成。這一變化使氣泡的液膜隨之發生重大變化。

3.1.1 氣泡由單純的液膜變成液固復合膜

氣泡的膜層上大量黏附水泥等固體顆粒。原來的氣泡液膜很薄，只有幾納米，黏附固體顆粒后，液膜變厚。因而氣泡在進人水泥等膠凝漿體后，一般穩定性增加。單獨的泡沫只能存留幾十分鐘或者幾個小時，而混入漿體后,存留時間在延長，一般可延長2~3倍。為固泡創造了良好的條件。

3.1.2 氣泡受到的擠壓力變大

泡沫在單獨存在時，由于泡間液量很小只受到氣泡相互的擠壓力。因為泡沫很輕，所以其相互間的擠壓力極小。但當泡沫混入水泥漿體后，由于漿體的密度大，對泡沫的擠壓力較大。這種情況在重集料漿體內更為明顯。因此，若泡沫的液膜韌性差，不夠堅固時很容易被擠壓力破壞，引起泡沫的迅速破滅。從這一點講，穩定性差的泡沫在漿體內難以存留。泡沫的破滅往往從擠壓力較大的下部漿體開始。

3.1.3 氣泡的形狀發生改變

泡沫在混入漿體前雖也呈多邊形或不規則形,但變形小，形狀基本仍保持圓球形。但當其混入漿體后，由于不均衡擠壓力的作用，氣泡形狀發生較大的改變,不規則性增加。在這一轉變階段，泡沫的機械強度仍以液膜為主。

3.2 氣-液-固界面向氣—固界面的過渡

氣-液-固界面向氣—固界面的過渡從澆筑成型后或現場澆筑后開始，到漿體初凝后結束。該階段,也就是膠凝材料的靜停階段，黏附在氣泡膜上的膠凝顆粒慢慢生成膠凝物質，產生一定的強度，但強度仍然很弱不足以支撐泡沫體。因此，這時的泡沫強度是一種復合強度，既有泡沫初始的液膜強度，也有膠凝物質產生的附著層強度。在水化作用剛剛開始和初期，泡沫液膜的強度仍起主導的作用，而在后期接近初凝時，凝膠作用產生的強度則占主導地位。

這一階段是泡沫混凝土生產最關鍵的一個階段。盡快讓膠凝材料產生大量的膠凝物質來彌補因泡沫液膜逐漸減薄而喪失的泡沫強度，阻止泡沫在漿體初凝前破滅，是能否成功在下一步形成氣孔的技術核心。因此在這一過程中，采用快凝性膠凝材料，或者采用各種促凝措施等十分必要。

3.3 氣—固界面形成

氣—固界面形成階段泡沫將發生質的變化，泡沫層將由液—氣—固三相界面轉變為氣—固界面，泡沫變成氣孔，被膠凝物質固定在混凝土內，形成泡沫混凝土。

當膠凝材料初凝后，水化開始加快進行，大量水化熱使泡沫液膜的水分蒸發。同時膠凝材料的水化，需要大量的水，泡沫液膜及泡間的水被水化消耗。這就使泡沫的液膜逐漸減薄，最后完全消失。原來附著在氣泡膜上的水化生成物,在水膜減薄的過程中，逐漸取代水膜，形成了一個包圍氣體的膠凝層。當泡沫液膜消失時，膠凝層完全封閉了空氣，形成氣孔壁。于是泡沫完成了向氣孔轉變的全過程，最終形成了氣孔。而原來泡沫的液膜，也變成了堅固的混凝土氣孔壁。

4 結語

泡沫混凝土在我國應用較早，但是發展緩慢，究起原因，主要是在于研究的投入不夠及應用條件的制約。希望廣大業內同仁可以引導應用，引導消費，共同促進泡沫混凝土的發展。