我国泡沫混凝土的研究进展及工程应用

我国泡沫混凝土的研究进展及工程应用竺万发（湖北工业大学土木工程与建筑学院,武汉430068）摘要:泡沫混凝土凭借轻质高强、保温隔热、隔音环保等优良性能，广泛普及和应用于屋面、楼板地暖、非承重墙及热力管道等的保温层以及路桥空洞填充工程，其研究和开发利用在国内外也受到了越来越多的重视。本文主要对泡沫混凝土的发展历程、性能影响因素及应用领域予以综述，并对其未来的发展方向进行了展望，以推动泡沫混凝土的进一步研究与应用。关键词:泡沫混凝土;发泡剂;发展趋势;应用领域OntheStudyProgressandengineeringapplicationsoffoamedconcreteinChinaZhuWanfa(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068)Abstract:It’smoreimportanttopayattentiontoresearchanddevelopmentofthefoamedconcretewithgoodperformanceofhighstrengthandlightweight,heatinsulation,soundinsulationandenvironmentalprotectionwidelyappliedtoroof,floorheating,non-load-bearingwallandheatpipes,aswellasthevoidsfilledengineeringofroadandbridgeathomeandabroad.Thisarticlemainlyhasreviewedthedevelopmentprocess,performanceinfluencefactorandapplicationfieldofthefoamedconcretethatthedevelopmentdirectionwasdiscussed,inordertopromotethefurtherresearchandapplicationoffoamedconcrete.Keywords:foamedconcrete;foamingagent;developmenttrend;applicationfields1泡沫混凝土定义及分类泡沫混凝土是通过机械方法将发泡剂水溶液制出泡沫，在水泥浆或胶凝材料浆体中引入适量微小气泡，经混合搅拌制成泡沫料浆，然后成型或现浇，再经自然养护、蒸汽养护或蒸压养护所形成的一种多孔轻质材料[1]，适用于室内外垫层、建筑物保温隔热、非承重墙体或隧道、基坑填充等多孔现浇混凝土及其制品。相对于传统的加气混凝土分类方法，泡沫混凝土的分类更多、也更细化一些，按照分类标准不同，泡沫混凝土可以分为以下几种：（1）按泡沫混凝土干密度可分为十一个等级，分别用符号A03、A04、A05、A06、A07、A08、A09、A10、A12、A14、A16表示。（2）按泡沫混凝土强度等级可分为十个等级，分别用符号C0.5、C1.0、C2.0、C3.0、C4.0、C5.0、C7.5、C10、C15、C20表示。（3）按泡沫混凝土吸水率可分为八个等级，分别用符号5、10、15、20、25、30、40、50表示。（4）按泡沫混凝土种类可分为现浇泡沫混凝土和泡沫混凝土制品两类，分别用符号S、P表示。（5）按泡沫混凝土防火等级分为两级：A级和无防火要求，分别用A和缺省符号表示。另外，泡沫混凝土的分类方式还有很多，如：按照泡沫混凝土养护方式可以分为：自然养护泡沫混凝土、蒸汽养护泡沫混凝土、蒸压养护泡沫混凝土等。按照泡沫混凝土的胶结材料种类也可以分为水泥泡沫混凝土、石膏泡沫混凝土、火山灰质泡沫混凝土、菱镁泡沫混凝土等[2]。2泡沫混凝土发展历程泡沫混凝土在我国的发展始于20世纪50年代末，当时前苏联先进的泡沫混凝土技术和工程应用实例传到我国，开启了我国泡沫混凝土生产的发展热潮，并初形成规模。但后来由于中苏关系破裂和文化大革命的影响，我国泡沫混凝土生产及应用在随后的20年间基本都处于停滞阶段，其发展受到了极大影响。泡沫混凝土在我国的重新兴起，是从现浇开始兴盛并发展起来的。在20世纪90年代末，泡沫混凝土的屋面保温现浇技术率先从韩国传入国内，且在东部沿海一带快速发展并成功应用。在新世纪建筑节能和墙体材料改革的趋热，人们对建筑保温越来越重视，泡沫混凝土在近10年内获得飞速发展，并进入一个发展高峰期。在我国大多数地方，特别是有采暖要求的北方地区，都有泡沫混凝土的研究应用实例，其主要用于墙体保温隔热及用作地暖保温层，大大加速了泡沫混凝土的发展普及。由此，河北省出台了我国的第一部泡沫混凝土地暖保温层技术地方标准,对泡沫混凝土地暖技术进行了规范要求。我国在2009年颁布实施了《地面辐射供暖工程用发泡水泥绝热层、水泥砂浆填充层技术规程》，标志着我国泡沫混凝土的应用发展进入到了一个全新阶段。《2010年泡沫混凝土保温材料应用技术研讨论证会》于2010年3月3日在京举行，会议认为：研发超低密度、高性能泡沫混凝土是未来的发展趋势，进一步扩大其应用范围，发挥泡沫混凝土保温材料轻质、隔音、保温、防火、耐久、环保、安全、低成本等优越性能，能弥补传统保温材料得诸多缺陷。3泡沫混凝土研究进展3.1发泡剂研究进展制备泡沫混凝土，发泡剂是其必备基本材料之一，发泡剂主要对泡沫量、泡沫的稳定性和细密性以及发泡成本影响较大，其中，尤其是对泡沫量和泡沫质量影响最大。在很大程度上，发泡剂的泡沫掺量可以说是决定了泡沫混凝土的内部结构特征，而泡剂质量的好坏直接关系到发泡混凝土的质量，并最终影响泡沫混凝土的各项性能指标。所以说，对发泡剂的研究在制备泡沫混凝土过程中显得尤为重要。从时代上说，水泥轻质建筑材料发泡剂经历了四代，即：植物类、动物类、合成类和复合类。而随着泡沫制品以及泡沫混凝土发泡剂应用领域的不断扩大，对发泡剂作用效果的要求也越来越严格，有时一种发泡剂很难满足制品要求，需采用两种或两种以上发泡剂及配合不同类型的发泡助剂制成复合型发泡剂，满足特殊应用领域需要。目前，我国发泡剂正从第三代向第四代过渡，发泡剂由单一成分逐渐向多成分复合发展。但这仅仅是开始，复合技术还有待进一步的完善和提高，完全进入复合发泡剂的时代还需时日。总的说来，我国市场上使用的发泡剂主要以三种类型并时存在和应用，合成表面活性剂类约占60%，松香皂类约占30%，蛋白类和茶皂素类约占10%，其价格也相差极大，最贵的2.5万元/吨。即使是同一类发泡剂，由于其原料、生产工艺和有效含量不同，价格和性能也有很大的差别。市场上发泡剂主要以合成类为主，动物类次之，植物类最少。研究发现，复合类发泡剂具有良好的发泡性能、泡沫细小均匀、稳泡时间长，不仅能够明显的提高泡沫混凝土强度，还能显著提高泡沫混凝土生产效率。因此，复合型发泡剂是比较有前途的发泡剂，可以说不断对发泡剂进行改良研究是未来发泡剂的发展趋势。随着泡沫混凝土的高性能化，在今后一段时间内，对松香聚合物类发泡剂进行改性将是其研究方向之一，合成类、蛋白类以及复合类发泡剂也具有很好的发展前途。总的说来，发泡剂在国内尚处于初期阶段，许多人缺乏对发泡剂基本知识的了解，对发泡剂难以区别，选择无序，在使用上盲目的成分很大，我国也还没有出台有关发泡剂(泡沫剂)的专业技术标准及规程，对发泡剂应满足哪些要求尚没有统一的认识。这都是需要在以后试验研究中解决的关键问题。3.2水料比对泡沫混凝土性能影响在泡沫混凝土的实际生产中，配合比设计经常采用的是用水料比替代水灰比。这是因为，在泡沫混凝土的生产制备过程中，不仅仅单纯只使用了水泥，还使用了活性轻集料、微集料（如粉煤灰）或其它辅助材料（如石灰、石膏）等。而这些干物料均具有吸水性，需要用水去润湿。所以，单纯只考虑水灰比是不可行的。水料比是泡沫混凝土配合比设计中的一个重要技术参数，也是制备泡沫混凝土的关键因素。用水量不仅对泡沫混凝土的强度起着重要作用，而且其水量大小直接影响到着混合料浆的稠度，对泡沫混凝土的工艺性能有着关键影响。在泡沫混凝土生产制备过程中，用水量[3]对产品性能的具体影响主要有以下几点：（1）用水量对泡沫混凝土强度、吸水率和耐久性的影响：在泡沫混凝土凝结硬化过程中，由于多余的游离水不参与水泥的水化作用，从泡沫混凝土内部受到蒸发作用而跑出，是原来在泡沫混凝土气孔壁内所占据的空间成为连通型的孔隙，这些孔隙大大降低了泡沫混凝土的密实度，从而使其抗压强度随之降低。另外，在水在受热后体积会产生膨胀，产生膨胀压力，再加上蒸发力作用，使在未完全硬化的泡沫混凝土内形成极具危害性的毛细孔，增大泡沫混凝土的吸水性。同时，外部有害气体可以通过毛细孔进入泡沫混凝土内部，对其产生腐蚀作用，大大缩短泡沫混凝土制品的使用寿命，降低了泡沫混凝土的耐久性。（2）用水量对泡沫混凝土工艺性能的影响：当水量不够浆料过稠时，发泡剂不能充分均匀的分散到物料之间，并且浆料摩擦力过大，导致大量泡沫破灭，影响浆料的均匀性；当水量过多浆料过稀时，浆料容易产生离析现象，影响泡沫混凝土的浇注，导致成型后期塌模或达不到设计强度。同时，浆料过稠或过稀，还会影响浆体的流动性，影响泡沫混凝土的浇注稳定性。3.3外加剂对泡沫混凝土性能影响在泡沫混凝土中加入合适的外加剂，可有效改善足泡沫混凝土的和易性、孔结构特征、力学性能及其它特殊性能要求。如掺早强剂和速凝剂可以加快泡沫混凝土强度发展，掺憎水剂可以降低泡沫混凝土吸水率，掺膨胀剂可以减少泡沫混凝土收缩裂缝等[4]。樊小东等[5]研究表明：掺加一定量的三乙醇胺到泡沫混凝土料浆中，泡沫混凝土的早期强度有明显提高。李娟等[6]研究表明：泡沫混凝土吸水率随着憎水剂掺量的逐渐增加而增大，当憎水剂掺量过高时，憎水效果不再明显，泡沫混凝土吸水率降幅减小。同时，憎水剂对泡沫混凝土的力学性能基本无负面影响。另外，聚乙烯醇凭借其良好的粘结性能，常被用于混凝土中来改善水泥浆体与骨料的粘结性。研究表明添加水泥质量1.4%的聚乙烯醇，可使水泥浆与石灰石骨料的粘结强度提高4倍，与花岗岩的粘结强度提高1倍[7]。试验证明：聚乙烯醇对泡沫混凝土的干密度基本无影响，但可起到封堵填充泡沫混凝土气孔壁微裂纹的作用，阻止微裂纹的继续生长，提高泡沫混凝土的承载能力[8]。已有研究表明：在泡沫混凝土中掺加玻璃纤维可大大提高抗折强度；掺加膨胀珍珠岩和聚丙烯纤维的轻质保温隔热型泡沫混凝土砌块，保温隔热性能要明显优于传统普通混凝土，并且其柔韧性得到显著提高，从而也可避免墙体干缩导致的开裂问题；使用纤维来改善泡沫混凝土的力学性能，能够有效增大基材的强度和断裂韧性[9-12]。3.4孔结构对泡沫混凝土性能影响对于普通混凝土而言，孔是混凝土微结构中的重要组成之一。孔主要存在于硬化胶凝材料与骨料中以及二者的界面上，孔大致可分为原生孔隙和次生孔隙两类，次生孔隙多由原生孔隙发展而成，这些孔在混凝土中呈网络分布并受内外条件的影响而变化[13]。孔对混凝土宏观性能有着极为重要的影响，早期的研究只重视孔隙率单纯对混凝土材料性能的影响，但随着进一步的深入研究发现，孔结构比孔隙率对混凝土宏观行为的影响更为重要[14]。泡沫混凝土中含有大量的气孔，其气孔结构对泡沫混凝土的性能更是起着决定性的作用。泡沫混凝土的气孔结构主要包括孔径尺寸大小、均匀性以及孔隙率和孔隙形状，这些因素对泡沫混凝土的抗压强度和吸水性都有着重要影响。已有试验结果表明：泡沫混凝土孔径大小以0.5～1mm范围内较佳；气孔大小越均匀，泡沫混凝土强度越好；孔隙率应与泡沫混凝土的密度和强度相适应。孔的形状越是圆滑，变形就越小，受力也就越均匀，对泡沫混凝土强度就越有利[15]。4国内泡沫混凝土应用领域近年来，随着我国建筑节能相关政策的实施，政府和社会越来越重视建筑节能减排工作，墙体材料的改革也取得了显著的成就，而泡沫混凝土作为一种节能环保材料可谓倍受欢迎。从应用领域来看，泡沫混凝土在国内的主要应用仍然是建筑保温，其用量约占