陶粒泡沫混凝土的研究進展及應用

于斐凡 武立偉 王茁伊 郭雪源

(華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山 063200)

上世紀末開始，我國建筑行業步入了一個蓬勃發展的新階段，同時也形成了資源浪費、環境污染等問題。據不完全統計，我國在建筑工程領域方面的能源消耗總量占到了社會能源總消耗量的近30%[1]。為了減輕建筑消耗造成的經濟發展負擔，我國制定了一系列關于建筑節能設計、管理的法律條文與規范。同時節能減排國策的推行，使建筑行業迎來了一次重大革新。在此階段，涌現出許多新型建筑節能材料，輕骨料混凝土之一的陶粒泡沫混凝土備受關注。

陶粒，是用黏土或頁巖等物料制作而成的球形或橢圓形顆粒。其表面光滑、內部孔隙大，具有密度小、硬度高、耐火性好等優點。在泡沫混凝土漿料中摻入一定量的陶粒，不但可以降低水泥用量，還能夠增加泡沫混凝土的強度。陶粒泡沫混凝土以其密度低、硬度高、保溫隔熱、節能環保等優點逐步成為新型建筑節能材料的研究重點。

1 國內外研究現狀

目前建筑結構的發展主要有兩個方向：一是大跨度建筑；二是超高層建筑。無論是大跨度建筑還是超高層建筑，面臨的重要問題就是給結構減重，由于常規混凝土的密度高自重大，在整個建筑中難以全面應用。陶粒泡沫混凝土作為一種新型建筑材料，以其制備的砌塊和保溫墻體具有密度小、強度高、保溫隔聲性能好等優點，在建筑保溫和高層建筑中具有較好的應用。此前，國內關于陶粒泡沫混凝土的生產廠家有近1 000余家，但是陶粒泡沫混凝土在國內并沒有被大范圍推廣應用，原因主要是目前國內陶粒泡沫混凝土的制備廠商大小規模不一和缺乏系統的生產規范，小規模企業的生產質量參差不齊，質量難以保證，阻礙了陶粒泡沫混凝土的發展與應用。

美國、加拿大、日本和意大利等西方發達國家在泡沫混凝土方面的應用主要體現在建筑墻體和擋土墻以及海上石油平臺等方面。但總體上國際方面可借閱的經驗有限，相關方面的研究文獻和報道也較少。

2 陶粒泡沫混凝土的性能與制備優化

2.1 陶粒泡沫混凝土的性能

陶粒泡沫混凝土又被稱為陶粒發泡混凝土，是指以陶粒、水泥、發泡劑、粉煤灰、水等材料，按照一定比例充分混合攪拌、澆筑成型、養護而成的輕集料混凝土。具備泡沫混凝土導熱系數低和陶粒混凝土強度高等特點，是一種優化的輕集料混凝土產物。其物理性能顯著，與普通混凝土形成明顯的對比，具體對比結果如表1所示。

表1 陶粒泡沫混凝土與普通混凝土物理性能對比

由表1可以得知，陶粒泡沫混凝土的干密度遠低于普通混凝土，在實際的工程應用中，可以有效控制構件重量下降30%～60%，并且陶粒泡沫混凝土的強度較好，可以應用于隔墻等非承重的構件。相比于一般的混凝土，陶粒發泡混凝土的導熱系數更低，僅有普通混凝土的10%左右，熱量損失少，保溫效果更好，能夠滿足墻體和樓板的保溫隔熱要求。同時和一般的混凝土相比，陶粒泡沫混凝土的燃燒等級為A1，也屬于優質的防火材料。而吸水率對于混凝土來講，既是優點也是缺點，陶粒泡沫混凝土的吸水率明顯大于普通混凝土，在抗滲工程或者構件中，要避免陶粒泡沫混凝土的使用；相反，陶粒泡沫混凝土可以應用在吸水性要求高的工程中。除此之外，陶粒泡沫混凝土自身的多孔結構使其擁有優異的隔聲性能。

2.2 陶粒泡沫混凝土的制備與優化

目前國內陶粒發泡水泥的生產方式主要分為物理發泡與化學發泡。化學發泡方式操作簡單，但制備的混凝土質量難以控制。在現階段的行業生產中，絕大多數企業使用的都是物理發泡方法。相比于化學發泡方式，物理發泡的方式更容易控制陶粒在混凝土中的分布，制備的陶粒泡沫混凝土質量普遍更高，性能更優異，并且物理發泡方式的成本相對更低。其制備流程如圖1所示。

圖1 陶粒泡沫混凝土制備流程

陶粒本身存在吸水特征，因此在生產陶粒發泡混凝土之前，需要對陶粒進行預濕處理[2]，趙洪春等通過試驗研究發現，對陶粒進行預濕處理能夠有效避免由于陶粒吸水而造成泡沫破滅的現象，而且預濕之后的陶粒在進行混凝土生產時，也明顯改善了陶粒和泡沫水泥漿料拌合物的穩定性，同時研究發現過度吸水的陶粒也會因為水分析出而導致混凝土中的泡沫破滅。因此綜合考慮混凝土的穩定性和經濟效益，預濕處理1h為比較合理的時間。

由于現場攪拌混凝土容易造成環境污染和混凝土強度不達標等問題。自2004年起，商品混凝土取代了以往的現場攪拌混凝土。對于陶粒泡沫混凝土而言，采用商品混凝土的運輸方式也存在一定的弊端。在運輸過程中陶粒極容易發生上浮，使混凝土出現分層，不僅會降低混凝土拌合物的和易性，同時施工質量也難以保證。針對陶粒泡沫混凝土運輸過程中陶粒上浮的現象，易秋[3]等通過試驗研究得到了較為合理的改善方法，通過預先對陶粒表面包裹水泥砂漿，提高陶粒的密度來減少陶粒上浮的現象，通過這種方法不僅提高陶粒本身的強度，利用處理后的陶粒制備的混凝土強度也有所增強。

3 陶粒泡沫混凝土性能研究

3.1 泡沫摻量對陶粒泡沫混凝土性能的影響

陶粒泡沫混凝土中的泡沫,是通過使用發泡機把特定含量的發泡劑溶液引入氣體形成的。泡沫的含量會直接影響到陶粒泡沫混凝土的內部結構。研究發現，泡沫使用量越多，混凝土硬化后的孔隙率越大。高宇甲[4]等通過試驗對摻入不同泡沫體積的陶粒泡沫混凝土進行研究，結果表明，在陶粒發泡混凝土中摻入泡沫的體積越大，其抗壓強度越低，干密度越小。

雖然泡沫的摻入會降低混凝土自身的密度，使其質量減輕，但是泡沫對于混凝土的抗壓強度性能來說屬于不利影響因素。因此在實際生產應用中，在滿足混凝土所需的性能要求下，要盡可能減少泡沫的用量，避免混凝土抗壓強度過度損失。

3.2 陶粒和水泥摻量對陶粒泡沫混凝土性能的影響

陶粒與水泥是陶粒泡沫混凝土的主要組成部分，對其性能的影響也最大。兩種材料的摻量與陶粒發泡混凝土的強度、密度、保溫隔熱等性能之間存在著相互制約的關系。陳益[5]等人開展了關于陶粒與水泥摻入量對陶粒泡沫水泥強度影響的試驗研究。發現隨著陶粒摻量越來越多，混凝土的抗壓強度曲線呈現先上升后下降的趨勢，當陶粒的摻量達到0.87m3/m3時，混凝土抗壓強度值最高。同時，試驗發現水泥摻量越多，陶粒泡沫混凝土的抗壓強度越高，當水泥摻量增加到一定程度，混凝土抗壓強度的增長速度逐漸變慢，最終趨于平緩。因此，在保證混凝土強度的基礎上，可以選擇盡可能多的增加陶粒的摻量，不僅可以減少水泥的用量，降低經濟成本，還可以減輕陶粒泡沫混凝土的自重。

3.3 粉煤灰摻量對陶粒泡沫混凝土性能的影響

粉煤灰最初作為一種火力發電的生產廢料，并未被引入建筑行業的生產應用當中。但隨著對其研究的增多，逐步在水泥和混凝土制品的生產中得到了廣泛的應用。尤其是摻加粉煤灰后生產的混凝土展現出了良好的物理性能，使其在混凝土生產中的應用備受關注。在文獻[4-5]中，筆者通過深入研究各種配合比對陶粒泡沫混凝土性能的影響，得出了摻入粉煤灰可以增強陶粒泡沫混凝土的整體強度。其根本原因是，由于粉煤灰中的SiO2、Al2O3等活性物質與水泥發生水化反應生成膠凝性物質，加強了混凝土內部之間的粘結效果。而粉煤灰摻量對陶粒泡沫混凝土整體強度的影響趨勢和陶粒摻量的影響相同，最佳的粉煤灰摻量為30%-40%，但實際生產中的最佳配合比還需要進行進一步的調整。

4 陶粒泡沫混凝土的應用與前景展望

對于我國東北地區來說，常年降雪，年平均溫度低。在此種情況下，建筑材料的外立面保溫就變得尤為重要。一般情形下墻體的保溫處理包括三種：外墻外保溫、外墻內保溫和外墻自保溫。外墻外保溫的材料大多為有機材料，如發泡聚板(EPS)、擠塑聚板(XPS)等，但這些材料防火性差、施工周期長、透氣性差。而外墻內保溫技術雖有較長的使用歷史，但熱橋效應處理較為麻煩，且造價較高，不符合綠色經濟的發展要求。外墻自保溫則有效克服了前兩種技術的不足，施工方便，對環境污染較小，性價比高。將陶粒泡沫混凝土與外墻自保溫技術相結合，可以有效達到要求保溫節能65%的性能指標。

在當前節能減排的新形勢下，要根據綠色建筑的發展需要，降低對環境的污染與資源的浪費。利用黏土生產陶粒的方式對環境的污染較大，許晴瑩[6]等發現工業廢料磷石膏生產的陶粒可以用來制備陶粒泡沫混凝土砌塊，造價低的同時合理利用了工業廢料，實現廢棄物的二次利用，達到資源可持續發展的目標。

目前，建筑行業基本上處于飽和狀態。在未來幾年內，建筑行業的施工重點可能會轉移到大面積的舊城區改造與加固上，陶粒泡沫混凝土以其輕質高強、保溫隔熱的特性，在建筑保溫工程中或將會有更好地應用。此外，自2015年開始，我國推出了海綿城市的試點計劃，目地在于使城市在面對雨水等自然災害時具有更好的彈性。在已試點成功的城市來看，雨水過后的道路和廣場路面積水明顯減少，成效較為顯著。可進一步利用陶粒泡沫混凝土輕質高強，吸水性好等特點，在可滲透的道路和廣場等地方鋪設陶粒泡沫混凝土磚，加強路面的透水效果。在這新一輪的發展形勢下，陶粒泡沫混凝土或將迎來新的發展機遇和挑戰。

5 結 語

陶粒泡沫混泥土相較于普通混凝土而言，原材料的獲取途徑更加廣泛，具有較大的發展潛力和空間。為了進一步擴大陶粒泡沫混凝土的應用范圍，還需要不斷優化制備工藝，確定更加合理的配合比。雖然陶粒泡沫混凝土正處在發展初期，大范圍的推廣和使用可能還需要較長一段時間，但我們仍需要不斷提高陶粒泡沫混凝土的各項性能，加強在耐久性方面的研究，早日實現陶粒泡沫混凝土在各個領域的應用。