段策1 李應權1 扈士凱1 羅寧2
（1建築材料工業技術監督研究中心，2北京中建國信科技開發中心北京 100024）
【關鍵詞】本文介紹了泡沫混凝土的研究現狀，包括泡沫混凝土的效能優點、發泡劑的研究與應用、生產工藝，指出了我國目前泡沫混凝土生產和使用過程中存在的問題，分析問題原因和施工操作上的影響因素，提出製備優質泡沫混凝土的可能途徑。
【摘要】泡沫混凝土；強度；收縮
0 引言
近年來，隨著我國牆體材料的改革與建築節能政策的推行，節能型材料的開發和應用受到越來越多的關注，泡沫混凝土是一種具有節能、利廢、保溫、輕質、隔熱等效能特點的材料。我國的專家、學者對泡沫混凝土進行了深入的研究和開發，其種類和應用領域在不斷擴大。
目前我國南方地區利用泡沫混凝土砌塊隔熱、輕質高強的效能特點，將其作為框架結構的填充牆，北方地區則主要用於牆體保溫和管道保溫等。此外，現澆泡沫混凝土用於屋面保溫層施工、地基補償等應用也在不斷發展[1]。
泡沫混凝土通常是將發泡劑溶液以物理攪拌的方法製成泡沫，將泡沫加入到鈣、矽制材料、水、外加劑等組成的料漿當中，經混合攪拌、澆注成型、養護而成的一種內部含有大量封閉氣孔的混凝土[2]，這種混凝土由於輕質多孔，具有良好的物理效能。
由於泡沫混凝土在效能上的優點，其應用廣泛，國際上有許多既擁有完善的配套裝置，又擁有完整的資料和經驗的專門承攬泡沫混凝土施工工程的大公司。相比之下，國內的公司還並不成熟，嚴重影響了泡沫混凝土質量及應用。
1. 泡沫混凝土的研究現狀
泡沫混凝土是多孔混凝土的一種。將發泡劑產生的泡沫加入到含矽質材料、鈣質材料、水及各種外加劑等組成的料漿中攪拌，硬質顆粒粘附到泡沫外殼，使其變成互相隔開的單個氣泡，混合料中的細孔分布得愈均勻、尺寸愈小，則泡沫混凝土強度愈高。在常溫下多孔混合料稠化凝結形成坯體，或在蒸壓、蒸養下矽質、鈣質材料產生水熱反應，形成膠凝物質，逐漸變為具有一定強度和其他物理效能的多孔材料[2]。
1.1 泡沫混凝土的特性
泡沫混凝土是一種輕質、保溫、隔熱耐火、隔音的混凝土材料，料漿可以自流平、自密實，施工和易性好，便於幫浦送及整平，與所有其它建材幾乎都有較好的相容性，且強度可調整[3]。顯著效能主要體現在以下幾個方面：
1） 輕質。泡沫混凝土的密度小，密度等級一般為300~1800kg/m3，常用泡沫混凝土的密度等級為300~1200kg/m3，近年來，密度為160 kg/m3 的超輕泡沫混凝土也在建築工程中獲得了應用。由於泡沫混凝土的密度小， 在建築物的內外牆體、層面、樓面、立柱等建築結構中採用該種材料，一般可使建築物自重降低25％左右，有些可達結構物總重的30％~40％。
因此，在建築工程中採用泡沫混凝土具有顯著的經濟效益。
2）保溫隔熱性能好。由於泡沫混凝土中含有大量封閉的細小孔隙，因此具有良好的熱工效能，即良好的保溫隔熱性能，這是普通混凝土所不具備的。通常密度等級在300~1200kg/m3範圍的泡沫混凝土，導熱係數在0.
08~0.30w/ (m·k)之間。採用泡沫混凝土作為建築物牆體及屋面材料，具有良好的節能效果。
3） 隔音性能好。泡沫混凝土屬多孔材料，因此它也是一種良好的隔音材料，在建築物的樓層和高速公路的隔音板、地下建築物的頂層等可採用該材料作為隔音層。
4）防火效能好。泡沫混凝土是無機材料，不會燃燒，從而具有良好的耐火性，在建築物上使用，可提高建築物的防火效能。
5）其他效能。泡沫混凝土還具有施工過程中可幫浦性好，防水能力強，衝擊能量吸收效能好，可大量利用工業廢渣，**低廉等優點[4]。
1.2 發泡劑的研究與應用
泡沫劑質量的好壞直接關係到泡沫混凝土的之類。發泡劑生成泡沫的質量以堅韌性、發泡倍數、泌水量等指標來衡量。泡沫的堅韌性就是泡沫在空氣中在規定時間內不破壞的特質，常以泡沫柱在單位時間內的沉陷距離來確定；發泡倍數是泡沫體積大於發泡劑溶液體積的倍數；泌水量是指泡沫破壞後所產生發泡劑溶液的體積[5]。
泡沫劑多為陰離子表面活性劑。目前，國內泡沫劑的品種主要有: 松香膠泡沫劑、廢動物毛泡沫劑、樹脂皂類泡沫劑、水解血膠泡沫劑、石油硫酸鋁泡沫劑等。
泡沫劑總體上說不夠理想，如質量偏低、功能偏少，儘管有些發泡倍數夠大，但穩定性差、製品強度不高。日本、義大利進口的泡沫劑多為蛋白質類，***。我國也有以動物蛋白質為主要原料的泡沫劑，其發泡倍數及穩定性較好，但因原料**有限，生產成本高，因此開發與應用受到制約。
表1[2]比較了幾種發泡劑的效能。
表1 常見發泡劑的效能
泡沫本身不穩定，會很快發生衰變。泡沫破壞主要是因為液膜中的液體受重力作用或膜中各點的壓力不同，不斷排液使得膜壁變薄而破裂。穩泡劑的作用是增大液膜粘度，阻礙液體的流動。
穩泡劑一般為膠類物質，常用的穩泡劑是高分子物質，如蛋白質、皂角甙、澱粉、阿拉伯膠、瓊膠及合成高分子物質等[3]。
1.3 膠凝材料
泡沫混凝土是一種大水灰比的流態混凝土，普通矽酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥、火山灰質復合膠凝材料等均可作為泡沫混凝土的膠凝材料，但是採用普通矽酸鹽水泥時，乾縮較大，而因其他兩種水泥具有早強、微膨脹、低乾縮等特點，用於泡沫混凝土能使其迅速凝結，降低泡沫破裂機會，提高泡沫混凝土效能。。火山灰質膠凝材料也具有高水化、低乾縮等特性，適合用於配置泡沫混凝土。
1.4 外加劑
泡沫混凝土具有乾縮大、吸濕性強等缺點，為彌補這些缺點應對其新增復合外加劑。復合外加劑應與膠凝材料相匹配，具有早強、減水、促凝等功能，如摻加膨脹劑，可減少收縮裂縫；摻加纖維材料，可提高抗拉強度；新增有機聚合物，可提高強度和降低吸水性；摻加適量的骨料可減小收縮；摻加粉煤灰和一些激發劑可加強強度發展。
1.5生產工藝
泡沫混凝土生產流程基本上是先將水泥、摻合料、集料、復合外加劑和水分別計量、攪拌混合，加入制得的泡沫溶液內繼續攪拌均勻，再注模、低幅震動密實、預養護、脫模、養護得到成品[7]。
當採用普通矽酸鹽水泥時，攪拌時間的長短對泡沫混凝土的影響很大。實驗表明，隨著水化時間的延長，泡沫混凝土強度呈上公升趨勢，密度呈下降趨勢，軟化係數呈上公升趨勢，氣孔變化率不大[8]。
2. 泡沫混凝土存在的問題及改善途徑
泡沫混凝土的效能受許多因素的影響，而且在我國迄今為止還沒有建立完善的泡沫混凝土施工規範，因此，造成實際施工中，由於用料、施工方法和管理等方面的因素，使配製的泡沫混凝土往往不盡人意，尤其是在使用效能上表現出一些不足：
1）強度偏低：泡沫混凝土的抗壓強度嚴重偏低，既不利於其工程應用，而且給製品的運輸增加了難度；
2）開裂：硬化泡沫混凝土表面開裂，導致吸收大量外來水分。
2.1影響泡沫混凝土強度的因素
泡沫混凝土中氣孔的引入一方面是賦予其輕質、隔音、保溫、高流動性等效能，但從結構和力學的角度看，同時也引入了大量的缺陷，從而導致硬化泡沫混凝土強度的大幅度降低。由於泡沫混凝土中的孔隙率一般高達50-70％，因此，泡沫混凝土的強度大大低於普通混凝土的強度。與普通混凝土一樣，泡沫混凝土的強度並不是乙個固定的數值，不同的膠凝材料種類、水泥用量、混凝土配合比、水灰比、泡沫用量、發泡劑、養護制度以及其它外加劑的採用與否等都影響泡沫混凝土的強度。
1）配合比的影響。如單獨使用水泥製備泡沫混凝土，則隨所用水泥強度等級的提高，泡沫混凝土的強度越大。但實際施工中往往要同時加入摻合料，如粉煤灰、矽灰、礦渣，和沙子。
混合材的加入會導致泡沫混凝土的早期強度降低，但對後期強度影響不大，若同時引入激發劑，則也可在一定程度上緩解早期強度的損失。當使用沙子作為細集料時，一般也不會引起泡沫混凝土的強度降低，反而對體積穩定性及減小收縮十分有利。
2）水灰比的影響。如果僅從泡沫混凝土內部結構變化分析，水灰比的提高必然會導致強度的降低。但是，大量的實驗證明，當水灰比在一定範圍內增加時，強度不僅不會降低，反而有提高的趨勢。
這是因為泡沫混凝土的製備有乙個泡沫的混合的過程，若需泡沫均與的分布於體系內，就需要料漿具有良好的流動性，而較高的水灰比正是保證良好流動性的必要條件。但在低水灰比的條件下，採取適當的措施也可以保證水泥漿具有良好的流動性，從而制得高強度的泡沫混凝土。
3)養護條件的影響。養護條件對泡沫混凝土的強度及強度發展均有重大影響。泡沫混凝土成型水灰比較大，故應加強早期養護，防止水分蒸發過快而導致的強度降低和開裂等，當養護溫度提高時，水泥的水化速度加快，泡沫混凝土早期發展迅速，但對後期強度有一定的負面影響。
4)外加劑的影響。泡沫混凝土中所涉及的外加劑主要有發泡劑、減水劑和摻合料的激發劑。發泡劑如上文所述對泡沫混凝土的影響較大，需選用對體系***小，發泡能力大，泡沫強度高的發泡劑；激發劑主要針對摻合料的加入會導致泡沫混凝土的早期強度降低，可減小降低的幅度，但是也會使最終強度有所降低；減水劑主要使得體系在較低水灰比之下也可將泡沫與料漿混合均勻。
由以上分析可以看出，提高泡沫混凝土強度的技術途徑主要有一下幾點：選擇適當的配合比並確保低水灰比；採用優質發泡劑和高效減水劑製備泡沫混凝土；加強早期養護。
2.2影響泡沫混凝土收縮開裂的因素
泡沫混凝土當早期養護不當、保水措施不夠時，會因其內部水分蒸發過快而導致體積收縮，從而引起表面開裂，開裂後的泡沫混凝土易吸水。吸水後的泡沫混凝土的強度及保溫隔熱性能明顯降低。
1)水泥用量和種類的影響。普通矽酸鹽水泥在水化硬化過程中固相體積是增加的，而水泥加水體系是收縮的。其次，水泥水化過程中還伴隨放熱，引起初始體積膨脹而冷卻時又收縮，導致表觀收縮量增大。
另外，水泥水化過程中還存在自收縮現象。所以，一般情況下如果其它條件基本相同，水泥用量增加，泡沫混凝土的收縮也會相應增大。並不是所有的水泥水化時都是收縮的，如膨脹水泥，其水化後體積不但不收縮，反倒有所增加，可以在一定程度上彌補體系的體積收縮。
但是膨脹水泥也會影響泡沫混凝土的其他一些效能。
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