基于泡沫混凝土性能影響的研究與分析

肖文淇，趙洪凱

（吉林建筑科技學院，吉林 長春 130114）

泡沫混凝土是通過發泡劑發泡，并將泡沫與水泥漿體完全混合而制成的一種新型建筑材料。在制備過程中產生了大量的封閉氣孔，氣孔內的空氣有效地阻止了熱傳遞，起到了保溫效果[4-5]。此外，泡沫混凝土中不僅有封閉的氣孔，同樣還會產生一些開孔的氣孔，這些開孔的氣孔能夠吸收聲音，而封閉的氣孔阻礙聲音的傳遞，這種既能吸聲又能隔聲的性能使得泡沫混凝土在市場中有很強優勢[6-7]。因此，進一步提高泡沫混凝土的性能是目前研究的重點，能夠使其被廣泛應用，起到環保節能的效果[8]。

1 泡沫混凝土的優勢

泡沫混凝土具有較高的流動性、良好的隔熱性能、低水泥含量和低骨料使用率而被認可。在建筑施工中被廣泛應用于節能環保、降低生產運輸和人工成本等方面[9]。泡沫混凝土具有以下優勢。

1） 密度小

泡沫混凝土的應用領域相對較廣，在進行灌漿保溫時，通常采用密度約為400 kg/m3的泡沫混凝土；用作非結構構件時，采用密度約為600 kg/m3，而密度在1 200 kg/m3～1 950 kg/m3范圍時，通常作為結構構件。在具體的應用與實踐過程中，泡沫混凝土能夠有效實現建筑自重的降低，給工程開發帶來可觀的經濟效益。

2） 導熱系數低

由于泡沫混凝土的閉孔結構，導致其質量相對較輕，導熱系數通常為0.66 W/(m·K)，密度1 600 kg/m3。通過試驗可知，熱導率與密度成反比關系，即隨著密度體積相對增加，絕熱性相對降低。因其具有良好的節能效果，通常作為墻體或屋面材料[10]。

3） 耐火性能優良

共詞分析法 （Co-word analysis）是信息計量學的一種重要研究方法，常用在文獻計量學領域探測某一學科或主題的研究熱點或學科結構等，其基本原理是：當兩個能夠表達某一學科或主題的專業術語在同一篇文獻中出現時，表明這兩個詞具有內在聯系，共同出現的次數越多，表明這兩個術語關系越緊密， “距離”越近。根據兩個術語的這種 “距離”，利用現代多元統計方法和工具，研究者可將一個學科內的重要關鍵詞進行分類，歸納出某學科領域的研究熱點、學科結構等信息 [1]。

現有的研究工作表明，泡沫混凝土的耐火范圍接近普通混凝土，然而在高溫下，會因高蒸發率而產生過度收縮。泡沫混凝土的組成成分或配合比是決定耐火性能的重要依據，經試驗表明其密度與耐火性成反比。據報道，950 kg/m3和1 200 kg/m3的混凝土可以分別承受3.5 h 和2 h 的火災[11]。

4） 隔聲性能優異

泡沫混凝土隔聲性能相對較高，主要是其擁有細胞狀的微觀結構[12]，同樣也受到泡沫含量、泡沫數量、孔隙大小和分布及其均勻性的影響[13-14]。然而隔聲性能和反射頻率基本取決于混凝土質量的實際剛度，即表面密度。基于固體壁面聲阻理論，聲反射頻率依賴壁面厚度及其容重，因此，當混凝土墻較厚時，它反射的聲音比蜂窩墻能吸收要高[15]。

2 泡沫混凝土的國內外研究現狀

下本基于水泥類型的劃分、發泡劑類型的選擇及摻合料的應用等方面，闡述了國內外涉及泡沫混凝土性能的相關探討與結論。

2.1 水泥類型對泡沫混凝土性能的影響與研究

不同的水泥類型對泡沫混凝土的相關性能影響較大。Zhang Z 等[16]以F 類粉煤灰為原料，替代部分礦渣水泥，用攪拌發泡工藝制備出聚合物泡沫混凝土（GFC）。通過改變泡沫摻量的多少，制備幾組不同密度的GFC。經試驗測得，GFC 28 d 的干密度為585 kg/m3～1 370 kg/m3，導熱系數為0.15 W（/m·K）～0.48 W（/m·K），在相同密度和強度下，其保溫性能優于普通硅酸鹽水泥泡沫混凝土。Pan Z 等[17]同樣采用了攪拌發泡工藝，制備出密度在150 kg/m3～300 kg/m3的超低密度泡沫混凝土，而原料選用的是普通硅酸鹽水泥，另外適當的引入化學外加劑和物理外加劑，調節新拌水泥漿體的流變性能和硬化速度，以及硬化泡沫混凝土的物理性能。經試驗測得養護齡期為28 d 的泡沫混凝土導熱系數為0.05 W（/m·K）～0.07 W（/m·K）。

2.2 發泡劑類型對泡沫混凝土性能的影響與研究

泡沫質量的優劣和發泡劑存在直接的關系。Ramamurthy K 等[18]認為，NaOH，NaCl 和 Na2CO2的加入提高了SLS 泡沫混凝土的泡沫密度、泡沫穩定性和粘度，這主要是共同離子效應作用的結果。Hajimohammadi A 等[19]報道了黃原膠（XG）穩定劑能夠有效地提高泡孔液膜的粘度，此外在整個測試期間，0.45%的XG 濃度完全阻止了引流。Kuzielova E等[20]比較了 FN1 蛋白“低濃度”、“正常濃度”和“微波超聲處理系列”制備的泡沫混凝土。經處理的系列產品和較低濃度的發泡劑相比于普通發泡劑具有更高的泡沫穩定性。此外，Cai J K 等[21]對YX-M-8 發泡劑、木質素添加十二烷基硫酸鈉和木質素添加YX-M-8 型發泡劑進行了比較，認為從秸稈中提取的木質素和YX-M-8 混合的發泡劑效果要優于YX-M-8 發泡劑。Li T 等[22]，Ma C 等[23]和 Fu X J 等[24]分別對磷酸鎂水泥泡沫混凝土進行了試驗分析，采用3 種不同的發泡劑進行試驗研究，發現在密度同為650 kg/m3的情況下，采用NaHCO3作為發泡劑的MPC 泡沫混凝土的導熱性能最好，為0.078 W（/m·K），而其他2 種發泡劑H2O2和鋅粉制成的MPC 泡沫混凝土的導熱系數為0.226 W（/m·K）和0.19 W/（m·K）。這說明在密度及制備工藝相同的情況在，采用不同的發泡劑對泡沫混凝土的性能有一定的影響。

2.3 摻合料對泡沫混凝土性能的影響與研究

由于泡沫在制備過程中會產生聚結和歧化現象，導致泡沫很難穩定且完整存在，那么怎樣才能使泡沫不破碎、不消泡是目前需要研究的主要問題。通過查閱文獻可知，目前一些國內外學者對泡沫穩定性研究處于初級階段，雖然有些研究對泡沫的穩定性起到了一定作用，但其他性能相對降低。

She W 等[25]研究發現，采用納米粒子和有機表面活性劑產生耦合反應，改變了氣液界面中的表面張力，從而完成了泡沫混凝土超穩定性的制備與應用；同時研究了納米改性泡沫材料在泡沫混凝土中的加固和穩定機理。Yoon H S 等[26]通過試驗結果發現，氣凝膠顆粒均勻附著在孔壁上，與普通泡沫混凝土相比，納米氣凝膠泡沫混凝土的導熱系數約為普通泡沫混凝土的30%~50%，其24 h 的吸水率降低了75%。Wang X 等[27]通過改變泡沫體積的相對高度，研究了硅灰顆粒對泡沫體積穩定性的影響。通過密度、抗壓強度、黏度、強度及重量等試驗，研究了不同齡期硅灰摻量對泡沫混凝土性能的影響比率、掃描電鏡（SEM）及孔徑分布的分析。結果表明，由于在發泡階段加入了硅灰，從而使得泡沫的泡孔更加完整穩定。

3 發泡方法

需要明確的是，當采用一定質量的發泡劑時，通過發泡而產生最大量的泡沫，即為發泡能力。而對于泡沫穩定性，可將其理解為在泡沫不發生破裂消失前，能夠穩定存在的最大時間區間。目前所使用的發泡方法及測定方法主要包括以下類型。

1） 高速攪拌法

高速攪拌發泡法，也叫做Waring-Blender 法。通常量取100 ml 的發泡劑溶液，緩慢倒入1 L 的量杯中進行高速攪拌，轉速一般在1 000 r/min 以上，直到發泡劑溶液的體積不在發生變化為止。

目前此方法在國內制造泡沫時運用較多，同時歐洲等其他國家運用此方法也相對普遍。主要是由于此法操作簡捷，重現性較好，能夠相對準確地體現出發泡劑的起泡能力及泡沫的穩定性。因此采用高速攪拌法發泡對制造泡沫混凝土來說利用率相對較高。

2） 壓縮空氣法

壓縮空氣法主要是采用空氣壓縮機，進而完成對泡沫的制備。適量的發泡劑溶液加入發泡機中，同時調節空氣的壓強，使其產生高壓氣流，使得形成的泡沫吹出[28]。壓縮空氣法制備的泡沫大小均勻，且發泡劑利用率高，但由于設備成本較大、工藝復雜，一般不予以使用。

此法與上述的高速攪拌法相比，設備復雜，但其發泡效率相對較高，泡沫的質量也相對較好；其次，壓縮空氣法是將泡沫直接吹進攪拌好的水泥漿料里，防止泡沫與空氣直接接觸，從而避免泡沫消泡，減少了中間環節，使得泡沫相對穩定。

3） 羅氏法

羅氏法，也叫做Ross-Miles 法，其命名來源于羅氏泡沫儀的應用。在試驗中的溫度要控制在40℃左右，發泡劑溶液同樣加熱至40℃，隨后量取200 ml 加入滴管內，打開滴管活塞使其流出；溶液完全流出后記錄具體的泡沫高度，通常用H0表示，這一數據能夠有效反映發泡劑的發泡能力；當泡沫高度達到H0的1/2 時，計時暫停，這種狀態下的時間用T1/2表示，稱之為泡沫半衰期，即泡沫穩定性。

此法在嚴格定義的條件下能夠分別研究泡沫排水和泡沫穩定的主要過程，同時在毛細管恒壓下能夠測量出泡沫的穩定性和壽命，此外還能表述出所有的泡沫特性。因此，羅氏法主要應用在科研、教學等相對要求較高的領域。

4）其他方法

除以上3 種方法外，一些研究部門還會使用震蕩法或者將羅氏法與震蕩法相互結合等相關方法來完成對泡沫劑的發泡處理。對于震蕩法來講，其主要原理是通過發泡劑溶液的高速震蕩來獲取大量的泡沫，基于發泡高度來測定其發泡能力，泡沫高速下降1/2 時所用的時間即為泡沫穩定性。此前同濟大學曾用過震蕩法來制備泡沫，但由于每次的震蕩頻率及角度問題導致誤差較大，影響試驗結果，所以沒有被廣泛應用。

4 存在的問題

隨著建筑行業的快速發展，泡沫混凝土的應用范圍越來越廣，但仍然面臨許多問題，通過查閱目前的成果來看，雖然泡沫混凝土具有保溫、耐火、隔音等優異性能，但泡沫的穩定性仍較難控制，在泡沫混凝土的制備過程中，內部產生一些大孔徑的氣孔，且孔徑分布不均勻，同時還會出現連通孔、塌孔等現象，這使得泡沫結構相對不穩定，從而導致其無法在日常的工程實踐中得到廣泛應用。正因為泡沫穩定性差的原因，使得泡沫混凝土出現強度低、整體性差及收縮大等問題，導致在應用方面受到一定限制。因此，研制新型泡沫混凝土仍需持續發展，可通過摻加外加劑改善泡沫混凝土的基本性能，進而達到控制泡沫混凝土質量穩定性的目的。

5 結語

綜上所述，泡沫混凝土因其具有質量輕、保溫性好、隔聲性能優異等特點，廣泛應用于工程領域。①由于泡沫混凝土性能參數眾多，本文主要對幾種典型的優異性能進行了介紹，分別從密度、導熱系數、耐火性和隔聲性能進行了綜述。②分析泡沫混凝土國內外的研究現狀，分別從水泥類型，發泡劑類型和摻合料3 方面對泡沫混凝土的性能進行了分析與研究。③針對幾種不同的發泡方法：高速攪拌法、壓縮空氣法、羅氏法等進行了介紹，簡要論述了3 種不同制備方法的工藝及特點。④目前泡沫混凝土尚且存在一些問題，穩定性差是限制其普遍推廣使用的主要問題，因此提高泡沫混凝土的穩定性將是未來的研究方向。