發泡混凝土微結構的研究進展

摘要：由于聲屏障技術進步一直受限于吸聲材料的技術，耐久性和經濟性是考量吸聲材料技術進步的主要指標。發泡混凝土作為一種輕質多孔的優良保溫隔熱材料，其輕質多孔的特點有作為吸聲材料的特制，如能對其微結構進行研究形成一種聲屏障吸聲材料，將很有市場潛力。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。因此，本文從發泡混凝土微結構出發，綜述了氣孔結構的形成、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，推動其在聲屏障領域大規模使用。

關鍵詞：發泡混凝土;微結構;研究進展

1緒論

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。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： （ 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，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[1]。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。

2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氣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。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。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。氣泡直徑受其氣泡內部與介質壓力之間的差（ PR） 的作用。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，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。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[2]。

3孔結構組成

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），及由于氣泡質量膨脹而形成的大孔 （ 亦稱人工氣孔，D≥50 nm）。

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骨架結構。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[3]。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。

結束語

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，進而推動發泡混凝土在聲屏障領域的發展。

參考文獻

[1]羅立群，程琪林.加氣混凝土制備工藝影響因素分析[J].建筑節能，2015，43（ 10） ： 40-44.

[2]肖俊華，詹滿軍，陳秀蘭.雙氧水對鎂系無機泡沫材料性能和孔結構的影響[J].材料導報，2017，31（ 24） ： 96-102.

[3]左迎峰，王 健，肖俊華，等. 鎂系無機發泡材料強度和孔結構調控研究[J].建筑材料學報，2018，21（ 3） ： 394-401.

資助課題編號：中國鐵設重點課題 鐵路聲屏障高性能輕質水泥基復合吸聲材料研發和混凝土表面降噪性能研究（721654）

作者簡介：周繼超（1982年7月-），男，漢族，天津薊縣，碩士研究生，中國鐵路設計集團，聲屏障綜合技術。