泡沫混凝土的研究現(xiàn)狀與制備技術(shù)分析

王升元 任 偉

（吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

0 引言

泡沫混凝土是指將預(yù)制好的泡沫通過機(jī)械攪拌的方法融入到由水泥、水、礦物摻合料、外加劑組成的料漿中，經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笫褂帽盟拖到y(tǒng)將其進(jìn)行現(xiàn)澆施工或澆筑成各種所需規(guī)格，然后養(yǎng)護(hù)而成含有大量封閉氣孔的新型建筑節(jié)能材料[1]。近年來，隨著我國建筑節(jié)能減排相關(guān)政策的頒布與實(shí)施，公眾對建筑節(jié)能的環(huán)保意識也逐漸加強(qiáng)。泡沫混凝土作為一種新型建筑節(jié)能材料，與普通混凝土相比，具有更加優(yōu)異的質(zhì)輕、保溫、隔熱、隔聲、抗震、環(huán)保、成本低等性能。不僅可以有效減輕建筑物的自重，還可以作為建筑墻體保溫材料，最重要的是能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)苯板保溫材料的諸多缺陷。本文僅就泡沫混凝土的研究現(xiàn)狀與制備技術(shù)進(jìn)行分析。

1 我國泡沫混凝土的研究現(xiàn)狀

我國在泡沫混凝土領(lǐng)域的研究應(yīng)用相對國外稍有落后，在20世紀(jì)50年代末，當(dāng)時(shí)前蘇聯(lián)先進(jìn)的泡沫混凝土技術(shù)和應(yīng)用實(shí)例傳到了我國，因泡沫混凝土具有質(zhì)輕、保溫、隔熱、隔聲、環(huán)保、成本低等特性，使泡沫混凝土得到了廣泛推廣。

相比普通混凝土的分類，泡沫混凝土的分類，各位專家學(xué)者說法不一。泡沫混凝土可按不同方式進(jìn)行簡單分類，列入表1。

表1 按不同方式對泡沫混凝土分類

國內(nèi)不少專家學(xué)者對泡沫混凝土性能展開了相關(guān)研究。賈艷濤等[2]通過在泡沫混凝土中摻入聚丙烯纖維和EPC顆粒分別發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的摻入量在一定范圍內(nèi)對泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度有提高作用，EPC顆粒的摻入可以有效地降低泡沫混凝土的容重，但也降低了其抗壓強(qiáng)度。Gong等[3]在泡沫混凝土中摻入礦渣粉和硅灰后使用SEM分析，發(fā)現(xiàn)其孔隙結(jié)構(gòu)比之前更加致密，孔隙率也有所降低，從而提高了泡沫混凝土的抗凍性。職紅濤[4]將研制的改性發(fā)泡劑摻入到礦渣硅酸鹽水泥中，發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)都有所改善，而泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)得到了顯著優(yōu)化。宋強(qiáng)等[5]對泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究并發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)成反比關(guān)系，而泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與密度成正比關(guān)系，與孔隙率成反比關(guān)系。近幾年，隨著我國建筑節(jié)能減排相關(guān)政策的頒布與實(shí)施，作為新型建筑節(jié)能材料的泡沫混凝土得到了飛速發(fā)展，在2020年我國泡沫混凝土總產(chǎn)量達(dá)到6000萬m3，仍居全球總產(chǎn)量第一位，尤其是在路橋工程、回填工程、現(xiàn)澆墻體與房屋整澆工程、屋面保溫隔熱層、現(xiàn)澆地暖絕熱層等應(yīng)用較為廣泛[6]。

圖1是泡沫混凝土在（a）墻體保溫材料現(xiàn)澆工程、（b）路橋路基加寬工程、（c）基坑回填工程、（d）屋面保溫工程中的應(yīng)用。詹勝文等[7]在中俄東線長江盾構(gòu)隧道項(xiàng)目中為了有效約束超長管道內(nèi)3LPE防腐管軸向位移的工程難題，利用泡沫混凝土填充約束管道軸向變形，不僅達(dá)到了預(yù)期效果，還為今后工程提供了借鑒資料。李聰聰?shù)萚8]在長隆宿舍項(xiàng)目使用泡沫混凝土取代陶粒作為衛(wèi)生間沉箱回填材料，提高了施工效率和防水性，同時(shí)在設(shè)備房地坪回填時(shí)使用泡沫混凝土取代一般混凝土不僅簡化了施工工序而且減輕其荷載。在2022年4月1日由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》正式開始實(shí)施，這標(biāo)志著作為新型建筑節(jié)能材料的泡沫混凝土的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)入到一個(gè)全新的階段。

圖1 泡沫混凝土在各工程上的應(yīng)用

2 泡沫混凝土的制備技術(shù)

2.1 原材料

泡沫混凝土的基本原料由水泥、水、泡沫構(gòu)成，為了提高泡沫混凝土各方面的性能會加入一定比例的外加劑、礦物摻合料以及會對發(fā)泡劑進(jìn)行必要的改性等。其中，常用的外加劑有早強(qiáng)劑、減水劑、速凝劑等，礦物摻合料有硅灰、粉煤灰、礦渣等。

2.2 泡沫制備工藝

泡沫混凝土的性能首先取決于泡沫的質(zhì)量，目前發(fā)泡工藝通常有3種，分別是[9]：

（1）采用發(fā)泡劑和水融合到一起，不借助外力使其與水泥攪拌自然發(fā)泡，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝較簡單，缺點(diǎn)是耗費(fèi)大量發(fā)泡劑，成本較大且泡沫不均勻、穩(wěn)定性差；

（2）采用高速攪拌機(jī)攪拌預(yù)制泡沫，將預(yù)制好的泡沫在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)加入到水泥漿體中，該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作比較簡單，有效地提高了發(fā)泡效率且泡沫較穩(wěn)定均勻，缺點(diǎn)是預(yù)制泡沫的產(chǎn)出量不好控制，在規(guī)定時(shí)間用不完易造成浪費(fèi)；

（3）采用壓縮空氣法預(yù)制泡沫，該方法通過空氣壓縮機(jī)制備的泡沫相比前兩種制備的泡沫更加均勻穩(wěn)定細(xì)膩，可以用多少制備多少，不存在浪費(fèi)問題，性能最優(yōu)。不管使用哪種工藝制備泡沫都應(yīng)符合泡沫的指標(biāo)參數(shù)。

2.3 泡沫混凝土的制備方法

泡沫混凝土的制備方法主要有兩種：（1）將預(yù)制泡沫與混合料漿通過砂漿攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑥亩纬膳菽炷粒唬?）將發(fā)泡劑與混合料漿攪拌同時(shí)進(jìn)行形成泡沫混凝土。本文主要介紹第一種方法。圖2為改性泡沫混凝土制備工藝流程圖。

圖2 改性泡沫混凝土制備工藝流程圖

泡沫混凝土在實(shí)際制備過程中受到多種因素的的影響，其中，水料比、發(fā)泡劑、外加劑對泡沫混凝土的影響較大。

（1）水料比。在制備泡沫混凝土的過程中，往往在配合比設(shè)計(jì)時(shí)使用水料比取代水灰比，原因在于在制備泡沫混凝土過程中，在加入水泥的同時(shí)，還會加入一定比例的礦物摻合料，例如礦渣、粉煤灰、硅灰等。這些礦物摻合料都具有一定的吸水性，會吸走一部分水泥所需的用水量，從而導(dǎo)致水灰比出現(xiàn)偏差。所以，在考慮水灰比的同時(shí)還需考慮水料比。在泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)過程中水料比是一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)，同時(shí)也是泡沫混凝土制備的關(guān)鍵因素[10]。

（2）發(fā)泡劑。泡沫混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣直接受發(fā)泡劑性能的影響，尤其是在制備高性能泡沫混凝土過程中起著關(guān)鍵性作用。在1937年，由美國人研究發(fā)明且在1938年獲得專利的“文沙”（Vinsol），是全球第一款混凝土發(fā)泡劑。從此人們對發(fā)泡劑的研發(fā)開展了一系列的研究，到目前為止常見的發(fā)泡劑有松香類、合成表面活性劑類、蛋白類和復(fù)合型等4類[11]，但對發(fā)泡劑進(jìn)行改性的并不多見。近年來，普通發(fā)泡劑制備的泡沫已經(jīng)不能滿足制備性能優(yōu)異泡沫混凝土的需要。國內(nèi)外不少專家學(xué)者利用納米粒子對發(fā)泡劑進(jìn)行改性以此獲得均勻細(xì)膩穩(wěn)定性更強(qiáng)的泡沫。以下主要介紹二氧化硅納米粒子改性發(fā)泡劑對泡沫的影響。杜儀[12]在自身配制的復(fù)合型發(fā)泡劑中加入一定比例的納米二氧化硅后發(fā)現(xiàn)其有效地提高了泡沫的密度、穩(wěn)定性，微觀結(jié)構(gòu)也得到了優(yōu)化。岳野[13]通過使用不同濃度的己胺對納米二氧化硅表面進(jìn)行不同程度的改性后對比發(fā)現(xiàn)，己胺濃度一定時(shí)二氧化硅顆粒含量越高，泡沫的穩(wěn)定性越好。Sonn等[14]通過活性比法和接觸角法使用二甲基二氯硅烷（DMDCS）對二氧化硅納米顆粒進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)二氧化硅納米顆粒表面疏水性和潤濕性對泡沫的穩(wěn)定性有一定的影響，隨DMDCS濃度的逐漸增加，其穩(wěn)定性先達(dá)到最大值然后慢慢下降。Zhu等[15]使用KH550、KH570和DMDCS三種不同硅烷偶聯(lián)劑對二氧化硅納米粒子進(jìn)行改性，通過FTIR和疏水性分析得出疏水性是影響泡沫穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，其中使用DMDCS對二氧化硅納米粒子改性后摻入泡沫中的穩(wěn)定性最為優(yōu)異。

（3）外加劑。泡沫混凝土受自身特性的影響，存在大量的微孔，雖然會使其本身具有輕質(zhì)、隔音、保溫等優(yōu)點(diǎn)，但也存在強(qiáng)度低、易收縮開裂、易塌方的缺點(diǎn)，所以在泡沫混凝土的制備過程中摻入適宜的外加劑，可以有效改善泡沫混凝土的和易性、孔結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)性能等[16]。近年來，有不少專家學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，各類外加劑對泡沫混凝土的性能都有一定的影響。管文[17]通過對聚羧酸減水劑、三聚氰胺減水劑、萘系減水劑實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，萘系減水劑對泡沫混凝土的效果最優(yōu)，它有效提高了泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)吸水率和干燥收縮率也有所下降。吳亞飛等[18]研究發(fā)現(xiàn)早強(qiáng)劑的摻入對泡沫混凝土的3d、7d強(qiáng)度有明顯提高，但對28d強(qiáng)度影響較小。楊之璋等[19]在泡沫混凝土中摻入一定比例的減縮劑，發(fā)現(xiàn)可以有效地抑制泡沫混凝土收縮的問題。胡馳等[20]發(fā)現(xiàn)摻入合適比例的速凝劑、促凝劑可以改善泡沫混凝土的氣孔分布范圍、縮小氣孔，抗壓強(qiáng)度也有所提高。

泡沫混凝土的制備是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，俗話說：“三分材料，七分施工”，要想得到高質(zhì)量的泡沫混凝土制品，在施工期間還應(yīng)注意“人（人員）、機(jī)（機(jī)器）、料（材料）、法（方法）、環(huán)（環(huán)境）”五項(xiàng)因素。簡單來說，不同的人員、機(jī)器的優(yōu)劣、材料質(zhì)量的把控、施工方法的不同、施工時(shí)環(huán)境的變化都會對泡沫混凝土的質(zhì)量帶來一定的影響[21]。

3 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)的增長，時(shí)代的變遷，人們節(jié)能環(huán)保意識越來越強(qiáng)，而泡沫混凝土作為一種性能優(yōu)異的新型建筑節(jié)能材料，將會得到更加廣泛的應(yīng)用。雖然，目前我國對泡沫混凝土的研究取得了一些不錯(cuò)的成績，但對改性泡沫混凝土的研究需要加強(qiáng)；對輕質(zhì)高強(qiáng)、功能多樣復(fù)合型泡沫混凝土制備技術(shù)的研究需要升級；泡沫混凝土制備設(shè)備需要向先進(jìn)的自動化、智能化發(fā)展。與此同時(shí)，人們對泡沫混凝土的認(rèn)識會更上一個(gè)臺階，對泡沫混凝土的分類更加細(xì)化，將其應(yīng)用于更多不同的領(lǐng)域，為綠色建筑添磚加瓦，錦上添花。