泡沫水泥砂漿性能及檢測方法研究進展

文/王毓晉 李慶冰 何澤文（.寧波交通工程建設集團有限公司；.長安大學材料科學與工程學院）

水泥砂漿是一種土木工程材料，往往用來做墻面鋪裝。普通的水泥砂漿難以滿足隔音降噪、保溫隔熱等需求，通過發泡技術制備的泡沫水泥砂漿具有良好的保溫性能和隔音性能。泡沫水泥砂漿是通過物理或化學發泡技術使氣體穩定存在于水泥體系中，經養護制得的含細密氣孔并具有一定強度的水泥制品。水泥泡沫砂漿質量輕，性能優異，保溫和隔音性能好。本文對近年來泡沫水泥砂漿的材料、發泡關鍵問題、性能及其對應檢測方法等方面的研究情況進行分析和匯總。

一、發泡材料及發泡技術

1.發泡劑

發泡劑是泡沫水泥砂漿的重要組成成分。通過發泡技術將預制的泡沫混入水泥體系中，或者在水泥中反應生成氣泡并使之穩定存在。發泡劑的含量和種類對泡沫的質量有關鍵影響。常用的發泡劑可以分為物理發泡劑和化學發泡劑[1]。其中，物理發泡劑包含松香樹脂類、表面活性劑類、蛋白質類及復合類；雙氧水、碳化鈣、銨鹽類及鋁粉等由于可以與水泥體系發生化學反應而產生氣泡，可歸類為化學發泡劑。

發泡劑種類不同，其特點也有所不同。松香樹脂類發泡劑制備簡單、價格低廉，但發泡效果整體較差；陰離子型發泡劑發泡較好，但是氣泡穩定時間過短，陽離子型發泡劑穩定性相較于陰離子型有所提高，但價格較高；非離子型發泡劑發泡穩定性好，但是發泡率相對較低；蛋白類發泡劑雖然發泡能力出色，泡沫尺寸均勻細膩，但難以獲取，且制備較為復雜；復合類發泡劑雖然能夠改善氣泡的穩定性，但制備較為復雜，且性能差異較大。

2.發泡原理

（1）物理發泡原理。物理發泡即在機械攪拌作用下，利用表面活性劑包裹空氣，氣泡的泡壁是由一種或者多種表面活性劑在液面上定向排列，形成穩定均勻的雙電層結構，既降低了界面張力，又由于同性電子相斥，避免了氣泡之間相互接觸碰撞而發生聚合。

（2）化學發泡原理。化學發泡是利用發泡劑與水泥之間的反應生成氣體。不同的物質與水泥反應所產生的氣體不同，通常有O2、H2、N2等。化學發泡所產生的氣泡穩定性較差，通過化學發泡方式制備泡沫砂漿時可能會產生較大收縮，難以控制。

3.發泡技術

根據發泡劑的種類不同，相應的發泡方式也可分為物理發泡和化學發泡。其中，物理發泡又可分為高速攪拌制備、壓縮空氣制備兩種方式[2]。

（1）物理發泡技術。高速攪拌制備法是采用高速攪拌機對發泡劑溶液進行高速攪拌以獲取泡沫，此種方法操作簡單，較為常用，但在實際工程中需要通過中間設備將泡沫混入水泥砂漿中，且在與水泥砂漿的拌和過程中難以避免部分氣泡破滅。壓縮空氣制備法是用空氣壓縮機將空氣和發泡劑壓入發泡筒內，在筒內將二者混合進行發泡并從筒內取出，此種方法的操作比高速攪拌制備法煩瑣，但發泡效率較高且能有效減少氣泡的破滅。

（2）化學發泡技術。化學發泡技術不需利用發泡機，直接將發泡劑與水泥材料混合,通過化學反應即可得到發泡材料，省時省力。但由于水泥體系主要以水泥為基體，水相并不充裕，通過此方法制備的氣泡的穩定性難以保證，實際操作過程中容易出現收縮和坍塌現象。

二、發泡水泥砂漿性能

作為建筑工程中用于涂覆內外墻面的重要材料，抗壓強度及黏附性能是發泡水泥砂漿的重要的力學性能指標。

1.抗壓強度

抗壓強度是泡沫水泥砂漿最為重要的力學性能指標之一，影響抗壓強度的因素很多，國內外學者對此做了很多研究。張磊蕾[3]采用蛋白質類發泡劑和硫鋁酸鹽水泥制作不同密度的泡沫混凝土，通過對抗壓試驗結果的分析得出“抗壓強度與其密度有緊密的關聯，隨著密度增大，抗壓強度不斷提高”的結論；而在密度提高的同時，砂漿內部的孔隙結構也在發生變化。對此，KEARSLEY 等[4]進一步驗證孔隙結構對抗壓強度的影響，認為孔隙率取決于干密度，與水泥品種無明顯關系；隨著干密度的減小，孔隙率增大，孔隙結構劣化，造成了砂漿抗壓強度的降低。關凌丘[5]通過測定不同齡期下的泡沫混凝土的抗壓強度，得出了同樣結論。水灰比、孔隙結構、發泡劑及礦物摻合料等因素均能影響泡沫水泥砂漿的抗壓強度，因此，通過多種手段對其強度的影響因素進行分析，并研究各因素之間的復合作用對強度的影響尤為關鍵。

2.黏附性能

黏附性能決定了泡沫水泥砂漿能否與墻體之間有良好的黏結能力。根據規范《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T70—2009），砂漿的黏附性能可通過抗拉黏結強度或者抗剪黏結強度進行測定。王學成等[6]采用抗剪黏結強度試驗方法，對不同發泡方式制備的泡沫保溫砂漿的黏附性進行測定，研究表明采用物理發泡技術制備而成的泡沫混凝土具有更強的抗剪黏結強度。目前，針對泡沫水泥制品的黏結能力研究并不廣泛，需對此進一步深入研究。

三、泡沫水泥砂漿性能檢測方法

砂漿性能的影響因素眾多，因此，需采用合適的檢測手段對泡沫水泥砂漿的性能進行檢測和表征。

1.孔徑尺寸及孔隙分布檢測技術

泡沫砂漿的孔隙結構對砂漿的強度、隔熱性能以及降噪性能均有影響。因此，對孔徑尺寸以及孔隙結構的評價和表征至關重要。鄧軍平等[7]利用光學顯微鏡對泡沫砂漿的截面進行觀察，較為直觀地反映出砂漿的孔隙結構，并研究其與隔熱性能的關系。除了利用光學顯微鏡，通過軟件對圖像進行處理可以進一步量化研究孔徑尺寸和孔徑分布。方永浩等[8]采用光學顯微鏡并用圖像處理軟件研究水泥粉煤灰泡沫混凝土的孔隙結構，研究了氣孔參數與不同配比泡沫混凝土的干密度和抗壓強度之間的聯系。孔隙結構和尺寸大小對砂漿的強度和隔音隔熱性能有直接影響。因此，應通過研究影響孔徑和孔隙結構的因素，對其結構和尺寸進行優化，從而提高其宏觀力學性能和隔音隔熱能力。

2.掃描電子顯微鏡檢測技術（SEM）

掃描電子顯微鏡（SEM）是一種微觀的分析手段，可以對水泥類材料的微觀形貌和組成的分布狀況進行觀測。高鶴等[9]為進一步研究穩泡劑對泡沫混凝土微觀結構的影響，選用了不同摻量的穩泡劑制備泡沫混凝土并利用SEM 對微觀形貌進行觀察。研究表明，摻入穩泡劑之后，泡沫混凝土內部氣泡尺寸變小，孔隙結構良好，封閉孔數量增多。SEM 能夠有效觀測孔隙的分布狀況以及氣泡的形態特點，并能夠觀測水泥漿體系的形貌特征。

3.X 射線衍射（XRD）

XRD 在水泥類材料中可用于檢測水泥水化產物的組成成分。梅軍帥等[10]利用XRD 分析了摻入了粉煤灰的珊瑚砂水泥砂漿不同養護齡期下的礦物相組成。通過與石英砂作為集料的水泥砂漿對比可知，摻入粉煤灰之后，XRD 圖像的CH 峰值明顯降低，表明粉煤灰的火山灰效應造成了水泥水化產物中Ca(OH)2的進一步反應，從而提高了砂漿的強度，由于珊瑚砂的主要成分為碳酸鈣，因此與標準砂漿相比，珊瑚砂漿的碳酸鈣峰值更高。XRD 可以從微觀角度分析不同類型的水泥水化產物的變化情況，也可研究不同外加劑或者摻合料以及不同類型集料對水泥砂漿的成分組成的影響。

4.紅外光譜分析（IR）

紅外光譜分析（IR）可以從化學角度對水泥材料的特殊官能團進行檢測，通過官能團峰值的變化研究水泥類材料水化產物的化學變化。梅軍帥等[10]利用IR分析了摻入了粉煤灰的珊瑚砂水泥砂漿不同養護齡期下的官能團變化情況。通過與石英砂作為集料的水泥砂漿對比可知，由于珊瑚砂的主要成分為碳酸鈣，珊瑚砂漿在碳酸鈣處的特征峰比標準砂漿更為顯著；通過IR 圖譜也可知珊瑚砂漿中的C-S-H 凝膠含量高于標準砂漿，表明珊瑚砂中的鈣鎂離子發生了水化反應，使得水化產物增加。

四、結論與展望

雖然泡沫水泥砂漿受到了廣泛的關注和研究，但針對泡沫砂漿的黏附能力研究相對較少。此外，由于發泡劑、水泥等種類差異較大，對泡沫水泥砂漿的配合比設計難以有統一的標準設計規范，在實驗過程中往往需要通過大量的實驗去設計配合比。而作為砂漿的重要組成部分之一的集料，對其用量、級配以及吸水性等因素對泡沫水泥砂漿性能的影響研究相對較少，對實際工程缺乏有價值的參考。因此，在后續研究中，應注重對集料以及黏附性能的宏觀和微觀研究。

泡沫水泥砂漿具有密度低、強度適宜等特點，可減少土木工程材料的消耗；泡沫使其保溫隔熱效果良好，同時具有良好的降噪能力。在當前和未來綠色環保及資源合理利用的大趨勢下，泡沫水泥砂漿在建筑領域應用潛力巨大。[本文系浙江省寧波市“科技創新2025”重大專項（項目編號：2019B10048）的研究成果。 ]