泡沫混凝土基本理論研究

　　【摘要】泡沫混凝土是利用物理方法制備泡沫，再將泡沫加入到膠凝材料、粉煤灰、填料、水及各種外加劑組成的料漿中，經(jīng)攪拌、澆注成型、養(yǎng)護而成的多孔輕質材料。由于泡沫混凝土中含有大量封閉孔隙，所以有輕質、保溫、隔熱、耐火及隔音的性能?，F(xiàn)如今泡沫混凝土是混凝土大家族中的一員，近年來，國內(nèi)外都非常重視泡沫混凝土的研究與開發(fā)，使其在建筑領域的應用越來越廣。泡沫混凝土是一種內(nèi)部含有大量細小、封閉、均勻分布氣孔的多孔性材料，具有輕質高強、隔熱保溫、防火、隔音、抗水減震等特性。普遍應用于高層建筑墻體制作、保溫和襯墊等工程中。

　　【關鍵詞】泡沫混凝土 多孔材料 外加劑 建筑領域

　　1  泡沫混凝土的微觀結構

　　泡沫混凝土制品是由許許多多大小不等的氣孔和氣孔壁組成的結合體。氣孔由泡沫在料漿中形成，并在硬化過程中固定在混凝土中?？组g壁系由水化產(chǎn)物、未反應的材料顆粒和孔間壁內(nèi)的孔隙組成?？紫兜拇嬖?，既改變了制品的密度，又影響了制品的強度。同時，也提高了制品的保溫性和抗凍性。泡沫混凝土從宏觀上看是由氣孔和孔壁組成的，硅鈣質泡沫混凝土的孔壁包含大小不等的硅質材料微粒、參與反應后剩下的殘核和水泥粒子尚未水化完畢的部分。在這些物料固體顆粒之間，匯集大量的水化產(chǎn)物和形狀、大小不同的微孔或縫隙，并形成一個由硅質材料顆粒組成的骨架，水化硅酸鹽膠體和結晶體黏附在其周圍，包括有各種微小孔隙等缺陷的不均質固液氣三相堆聚的結構。在氣孔壁的結構中，各種材料和物料之間，不僅是物料顆粒間的直接接觸或者機械嚙合，而且還有在高壓、高濕、高熱條件下，各物料之間產(chǎn)生化學反應形成的更為堅硬水化產(chǎn)物的結合。這也是氣孔壁能承受外力作用的最主要的原因。泡沫混凝土在大泡沫量的情況下，雖孔隙率非常高，但仍有比較理想的使用強度，可滿足各種需要。它的強度主要來自膠凝材料自身產(chǎn)生的膠凝作用。它所用的膠凝材料一般要求膠凝作用強，特別是高孔隙率產(chǎn)品，所以一般以大摻量的高標號水泥、含量80%～85%的鎂水泥為膠凝材料，在低泡沫摻量時也可使用高強石膏。如果膠凝材料的胺凝作用不強，泡沫混凝土的強度就無法保證。對膠凝材料的技術要求有三個：一是膠凝材料的大摻量，一般要大于50%；二是高膠凝力；三是早強性好，凝結快。

　　水泥作為主要的鈣質材料在泡沫混凝土中使用時，它是泡沫混凝土料漿中Ca(OH)2的主要來源。水泥的凝結硬化作用使泡沫混凝土料漿逐漸稠化并最終凝結硬化形成坯體，水泥施放出來的 Ca(OH)2與硅質材料中的SiO2和Al2O3，反應生成水化硅酸鈣和水化硅酸鋁，水泥在泡沫混凝土獲得強度方面起著重要的作用。砂子作為細集料，它是泡沫混凝土中SiO2的主要來源，在與水泥水化過程中的Ca(OH)2與細砂中的SiO2和Al2O3反應生成水化硅酸鈣和水化硅酸鋁，形成泡沫混凝土的“骨架”，在泡沫混凝土起著重要的作用。利用細砂生產(chǎn)的泡沫混凝土用水量小，所以泡沫混凝土的強度比較高，干燥收縮比較小，泡沫混凝土不易開裂等特點。

　　2 泡沫混凝土的氣孔結構

　　泡沫是形成泡沫混凝土的基礎，所以發(fā)泡劑的質量會直接影響泡沫混凝土的質量。泡沫的穩(wěn)定性好，泡沫液膜堅韌，機械強度好，不易在漿體擠壓下破壞或過度變形。另外，它有良好的自我保水性，液膜上的水分不易在重力作用及表面張力作用下流失，可長時間保持泡沫液膜的厚度和完整性，從而可使泡沫長時間不破滅。泡沫的均勻性好，泡沫的泡徑基本相近，泡徑范圍小。泡沫的泌水率小，泡沫自制成后，向外逐漸泌水量少，很好的保證泡沫中的氣泡數(shù)量和泡沫混凝土的氣孔率。羥丙基纖維素和化工原料甲酸鈣，主要是控制泡沫混凝土的粘度、水化速度和保水性能，由于細砂的比重比較大，不易在泡沫混凝土形成均勻體，容易離析沉降，通過加入該材料，可以保證泡沫混凝土在短時間內(nèi)水化，混凝土不離析，不塌模。

　　在原材料中除膠凝材料外，泡沫的質量對泡沫混凝土的影響也是至關重要的。泡沫是一個個氣泡組成的聚集體。氣泡不等于泡沫，但可組成泡沫。泡沫的形成是先形成單個氣泡，再由穩(wěn)定的單個氣泡組成泡沫。這些獨立的封閉的氣泡對泡沫混凝土的保溫性、隔音性、抗震性等方面有顯著的體現(xiàn)?；炷翆饪椎闹饕夹g要求有六個方面：

　　(1)氣孔必須是封閉性的，而不是連通性的泡沫混凝土目前的主要用途是保溫隔熱，具有良好的保溫性和隔熱性，失去這個性能其應用價值會大大降低，這就要求它的熱導率和傳熱系數(shù)均很低，且越低越好。封閉性氣孔由于空氣不流通，熱量不會以空氣為載體流失，因而熱導率就非常低，保溫隔熱性優(yōu)異。而連通孔可使空氣透過，形成空氣的流動而帶走熱量，降低了保溫性和隔熱性，也就不保溫、不隔熱。因此，為保持泡沫混凝土保溫隔熱的技術特點，它的氣孔形態(tài)必是封閉的、不連通的。

　　(2)氣孔的形狀應接近于球形，變形不能太大   泡沫在料漿中受到物料的擠壓產(chǎn)生一定的變形，不會再保持非常規(guī)矩的正圓球形。但由于泡沫質量的不同，這一變形會有很大的差別，機械強度較好的優(yōu)質泡沫，由于可抵抗較大的擠壓力，變形很小，基本上仍保持宏觀的近似球形。那些機械強度較差的劣質泡沫，抵抗不了物料的擠壓力，就會變形很大而不能形成近似的球形。物體的形狀越圓滑，受力就越均勻，抗壓力就越大。若氣孔不是近似的球形，那它的抗壓力就很低，整個混凝土的抗壓強度也隨之降低。因此，要盡量提高泡沫的機械強度，使用穩(wěn)定性好的優(yōu)質泡沫，使之形成圓球形的氣孔，以提高泡沫混凝土的強度。

　?。?）氣孔應大小均勻  氣孔的均勻性對泡沫混凝土的強度影響也非常大。氣孔越均勻，泡沫混凝土的強度就越好。這是因為，當泡沫混凝土受壓時，壓應力最容易向大孔集中，導致大孔破裂。一個個破裂的大孔貫穿，就形成了泡沫混凝土的裂縫。當氣孔大小一致時，各個氣孔可以均勻受力，壓力分散于各個氣孔而不會集中。而當氣孔大小不均時，大孔受力就大，而小孔受力就小，這樣，應力就會集中到大孔上，所以，大孔往往比小孔先破裂。

　　提高泡沫混凝土的強度，保持氣孔的均勻性是重要的技術措施。

　?。?）氣孔尺寸不能太大  在泡沫混凝土的孔隙率相同時，孔徑小的泡沫混凝土的強度明顯高于孔徑大的。因此，泡沫混凝土的強度與孔徑成反比。在一般情況下，孔徑每增大1mm，泡沫混凝土的強度就下降15%～20%;所以，泡沫混凝土的孔徑不宜超過1mm，大多應在0.1～1mm之間。歷來的研究都有相同的結論：泡沫混凝土大于1mm的氣孔已屬于有害孔，這種大孔越多，泡沫混凝土的力學性能就越差。泡沫混凝土應嚴格控制孔徑，不要使它大于1mm。即使必須使用大孔泡沫混凝土時，孔徑也應小于3mm。有些讀者認為氣孔越大，泡沫棍凝土的密度越小，這是不對的。密度與氣孔的大小無關，小孔數(shù)量多，也同樣可實現(xiàn)低密度，而強度卻能保持較高的水平。

　　(5)孔隙率應與強度相適應   孔隙率與密度及強度都有直接的關系，并產(chǎn)生雙重影響?？紫堵试礁?，密度越小，但強度也越低。強度與密度成正比，二者基本是一致的，強度隨密度而下降，密度隨孔蹤率而下降。在低密度的情況下就不可能會有高強度?？紫堵屎兔芏葢撆c強度相適應，二者應統(tǒng)一考慮。為了保證一定的強度要求，就不能一味的為降低密度而提高氣孔率。

　　（6）孔間壁應薄而密實，機械強度高  泡沫混凝土完全依靠孔間壁的支撐作用產(chǎn)生強度，它們是強度的主要來源。同時，孔間壁又影響密度，它越厚則密度越大?？组g壁薄則泡沫混凝土密度低，孔間壁高強則泡沫混凝土的強度也高。要實現(xiàn)這一點，孔間壁應該密實度高些，壁內(nèi)孔隙要少，最好沒有?？组g壁應以膠凝材料的水化產(chǎn)物為主體，水化產(chǎn)物越多越好，沒有反應完全的顆粒越少越好，選用優(yōu)質高標號膠凝材料，并使用增強劑，濕熱養(yǎng)護，并少加填充料。

　　由這些氣泡形成的泡沫具有其液膜堅韌、機械強度好，不易在漿體擠壓下破滅或過度變形。另外，它有自我保水性，液膜上的水分不易在重力作用及表面張力作用下流失，可長時間保持泡辣液膜的厚度和完整性，從而可使泡沫長時間存留而不破滅。在漿體初凝后被固定在泡沫混凝土內(nèi)，形成氣孔。假如泡沫穩(wěn)定性不好，則大部分或少部分泡沫在澆注后破滅，形成的氣孔很少，甚至在澆注后不久就使?jié){體塌陷，即俗稱塌模，造成澆注完全失敗。液膜在漿體內(nèi)不易破裂，不易形成因破裂后氣體的串通所形成的連通孔。因此，它最終形成的是理想的封閉孔。泡沫穩(wěn)定性越差，封閉孔就越少，而連通孔則越多。因此，泡沫的穩(wěn)定性不能僅僅以澆注后不塌陷為標準，而應該以澆注后不塌陷、最終形成的氣孔近似球形、互不連通。

　　3  泡沫混凝土的基本工藝

　　泡沫混凝土生產(chǎn)的基本工藝流程是將水泥、砂子、外加劑和水分別計量，攪拌混合，然后加入制成的泡沫通過混合室攪拌均勻，注模、預養(yǎng)護、脫模、養(yǎng)護得到成品。自然養(yǎng)護的砌塊，拆模后應堆放起來繼續(xù)硬化，并灑水養(yǎng)護28d為至。泡沫混凝土制作的技術關鍵主要是掌握好發(fā)泡劑、水泥、外加劑、水的用量，泡沫混凝土單位體積質量，泡沫劑和外加劑的選用及其與其它材料的相互關系。

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　　【作者簡介】第一作者彭康,男,1985年11月生，擔任易能科技有限公司技術部經(jīng)理。

作者：尹哲學 彭康　（常州易能科技有限公司）