（材料学专业论文）利用普通水泥制备免蒸养泡沫混凝土的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国墙体材料的改革与建筑节能政策的推行，节能型建筑材料的开 发和应用受到广泛的重视，国内大力发展节能、利废、保温、轻质、隔热等 新型材料，其中，泡沫混凝土砌块在非承重墙体材料中占有重要的地位。本 研究针对免蒸养工艺，以普通硅酸盐水泥作基材，选用传统的表面活性剂物 理发泡与矿物材料物理发泡相结合的新型发泡模式，采用预发泡的方法制备 不同容重的泡沫混凝土，并采用x 射线衍射仪、扫描电镜、水化电阻率、压 汞仪、导热仪等分析手段，对其进行性能测试和理论分析。 当泡沫混凝土基体材料的凝结时间与泡沫的稳定时间不相匹配时，会造 成发泡后的浆体塌陷。通过实验调节泡沫混凝土基体材料的凝结时间，结果 表明：在普通硅酸盐水泥中掺入一定量的特种水泥( 高铝水泥和快硬硫铝酸 盐水泥) 以及高铝水泥和碳酸锂的复合体系，均可以大大缩短基体材料的凝 结时间，从而小于泡沫的稳定时间，并且普通水泥一特种水泥复合体系2 8 d 强 度未出现倒缩现象，但水化3 天浆体有害孔数量增加。 实验研究了原材料以及工艺条件对泡沫混凝土性能的影响规律，得出： 选用高浓萘系减水剂可以提高泡沫混凝土的早期强度：通过掺入一定量的憎 水剂，可以改善泡沫混凝土的吸水率。通过正交实验分析，得出：泡沫掺量、 粉煤灰掺量和膨润土的掺量是影响泡沫混凝土性能的主要因素。 通过研究不同掺合料对不同容重泡沫混凝土性能的影响规律，得出：泡 沫混凝土的强度、抗冻性以及导热系数均随着容重的增加而显著增加，而吸 水率则随着容重的降低而显著增加。在泡沫混凝土中加入硅灰，引起泡沫混 凝土的成型水胶比增加，显著提高了泡沫混凝土的早期强度、，但同时引起吸 水率的增加，也不利于抗冻；当掺合料为粉煤灰时，提高了泡沫混凝土的抗 冻耐久性；当将原状粉煤灰磨细，使泡沫混凝土的后期强度增长较快，并大 幅度的降低了吸水率，但对其抗冻性影响不大。 关键词：泡沫混凝土普通硅酸盐水泥特种水泥矿物发泡剂 掺合料种类 a bs trac t t h ee n e r g y - s a v i n gb u i l d i n gm a t e r i a l sa r em u c hm o r ep o p u l a ra s t h er e f b r mo fw a l lm a t e r i a l sa n dt h ep u s ho fp o l i c yo fe n e r g y s a v i n g b u i l d i n g si n o u rc o u n t r y t h ea d v a n c e db u i l d i n gm a t e r i a l si n c i u d i n g e n e r g y s a v i n g ， w a s t e m a t e r i a l - u t i l i z i n g ， t h e r m a l r e t a r d a t i o n ，l i g h t d e n s i t y ，h e a ti n s u l a t i o na n ds oo na r ed e v e l o p e dw e l l t h ef b a m e d c o n c r e t ep l a y sag r e a tr o l ei nt h ew a l lm a t e r i a l s p o r t l a n dc e m e n tw a s u s e da sc h i e fr a wm a t e r i a l s ，a n dan e wf o a m t e c h n o l o g y w h i c h c o m b i n e st h et r a d i t i o n a ls u f f a c t a n ta n dm i n e r a la d d i c t i v e sw a sa d o p t e d t o p r e p a r ef o a m e dc o n c r e t ew i t hd i f f e r e n td e n s i t y t h es a m p l e sw e r e a n a l y z e dw i t hx r a yd i f j f r a c t i o n ( x r d ) ，s e m ，e l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y ，t h e s t r u c t u r eo fp o r ea n ds oo n i ft h et i m eo fs e t t i n go ff o a m e dc o n c r e t em a t r i xm a t e r i a l s c o u l d n tm a t c ht h es t a b l et i m e o ff o a m ，t h ep a s t em a sb r o k e n s o m e e x p e r i m e n t sw e r ed i dt oa d j u s tt h et h et i m e o fs e t t i n g i ts h o w e dt h a t w h e na d d i n gs p e c i a lc e m e n t sa n dt h ec o m p o u n d5 y s t e mo fh i g ha lu m i n a c e m e n ta n dl i t h i u ms a l ti n t op o r t l a n dc e m e n t ，t h et i m eo fs e t t i n gw a s r e d u c e ds h a r p l y ，a n ds h o r t e rt h a nt h es t a b l et i m eo ff o a m ，w h a t sm o r e ， t h e2 8 ds t r e n g t ho ft h ec o m p o u n ds y s t e mo fp o r t l a n dc e m e n ta n d s p e c i a lc e m e n th a d n ts h o wt h ep h e n o m e n ao fr e t r o v e r s i o n ，h o w e v e r ， t h en u m b e ro fd e s t r u c t i v ep o r ei n3 dh y d r a t i o np a s t ew a sm o r et h a n s i m p l ep o r t l a n dc e m e n t s i n f l u e n c eo ft h er a wm a t e r i a l sa n dt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so n t h ep r o p e r t i e so ff o a m e dc o n c r e t ew a ss t u d i e d i ts h o w e dt h a tt h e s t r e n g t ho ff b a m e dc o n c r e t ei n c r e a s e dw h e nu s i n gt h ew a t e rr e d u c i n g a g e n ti n c l u d i n gs m a l l e rn a 2 s 0 4 ，a n dt h ew a t e ra b s o r p t i o nw a si m p r o v e d w h e na d d i n gh y d r o p h o b e o r t h o g o n a lt e s ts h o w e dt h a tt h ea d d i t i o no f f 6 a m ，f l ya s ha n db e n t o n i t ew e r et h ek e yf a c t o r st of o a m e dc o n c r e t e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf i l l e rt y p eo nt h ep e r f o r m a n c e so ff o a m e d c o n c r e t ei nd i f f e r e n td r yd e n s i t yw a sr e s e a r c h e d i ts h o w e dt h a tt h e s t r e n g t h ，f t o s tr e s i s t a n c e ， t h ec o e f f i c i e n to fh e a t c o n d u c t i v i t y o f 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 f o a m e dc o n c r e t ei n c r e a s e da n dt h ew a t e ra b s o r p t i o no ff o a m e dc o n c r e t e d e c r e a s e da st h ed r yd e n s i t yi n c r e a s e d w h e na d d i n gs i l i c o nf u m e ，t h e w a t e r - s o l i d sr a t i o ，w a t e ra b s o r p t i o na n dt h es t r e n g t hi n e a r l ys t a g e i n c r e a s e ds h a r p i y ，b u tn o th e l pt of t o s tr e s i s t a n c e t h ef t o s tr e s i s t a n c e o ff o a m e dc o n c r e t ew a si m p r o v e dw h i l ea d d i n gf l ya s h w h e nf l ya s h w e r eg r i n d e dt of i n ea s h ，t h es t r e n g t hi nl a t e rs t a g ei n c r e a s e df a s t ，a n d t h ew a t e ra b s o r p t i o nd e c r e a s e ds h a r p l y ，b u tt h ei n f l u e n c eo nf r o s t r e s i s t a n c ew e r en o to b v i o u s k e yw or d s ：f o a m e dc o n c r e t e ； p o r t l a n dc e m e n t ； s p e c i a lc e m e n t ： m i n e r a la d d i c t i v e s ；f i l l e rt y p e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可 以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名： 日期 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1研究目的及意义 建筑节能已成为建设节约型社会的重点工作之一。国家发改委在节能 中长期专项规划提出：“十一五”期间，在全国范围内新建建筑严格实施节 能5 0 的设计标准：北京、天津则提出率先实施节能6 5 的标准；不少省、 区、市制订了适合本地区条件的民用建筑节能设计标准实施细则。建设部把 推广建筑节能技术摆在突出地位，把建筑节能技术列为重大科研计划。 在建筑中墙体材料用量居所有建筑材料之首，达到7 0 ，也是消耗原料、 能源的一类重要制品。随着建筑物向高层发展，减轻墙体材料的自重及提高 其保温节能的功效，已成为墙体材料改革及发展的方向。目f ； 建筑节能外墙 保温材料只有聚苯板材、挤塑板、泡沫硅酸盐板材、保温砌块。而加气混凝 土、泡沫混凝土、其它新型外墙保温材料急待研究、开发和利用。 近年来，我国也开始了免蒸养泡沫混凝土的技术研究，对泡沫混凝土的 研究大多针对采用特种水泥( 硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等) 制备泡沫混凝 土，这是因为发泡剂所产生泡沫的稳定时间有限，为了保证气泡不破碎就必 须缩短胶凝材料的凝结时间，但特种水泥价格昂贵且产量小、分布不广，限 制了这些成果的转化。用硅酸盐水泥作结合剂制备轻质泡沫混凝土的研究相 对较少，所制备的泡沫混凝土的质量也相对较差，很少在工程上得到应用。 因此结合地方原材料开展新型节能墙体材料的研究开发是非常必要和迫切 的。本实验以硅酸盐水泥为结合剂开发单一泡沫混凝土作建筑围护结构的新 型墙体节能体系的相关技术。 另外，本实验大量使用工业废料，既降低了成本又减小了固体废渣对环 境带来的威胁，变废为宝，符合国家建设节约型社会，提高资源循环利用、 改善环境、促进循环经济发展的方针，并且根据国家政策使用工业废渣3 0 以上可以相应减免税收的政策，因此本课题具有较大的社会效益和经济效益。 1 2泡沫混凝土的研究现状 1 2 1 概述 泡沫混凝土是将发泡剂产生的泡沫加入到含硅质材料、钙质材料、水及 各种外加剂等组成的料浆中搅拌，硬质颗粒粘附到泡沫外壳，使其变成互相 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 隔开的单个气泡，直径在1 2 5 0 0 5 m m 范围内，在常温下多孔混合料硬化凝结 形成坯体，或在蒸压、蒸养下硅质、钙质材料产生水热反应，形成胶凝物质， 逐渐变为具有一定强度和其他物理性能的多孔材料。泡沫混凝土气泡独立、 封闭，密度为：2 0 0 一1 2 0 0k g m 3 ，抗压强度在0 8 m p a 一8 m p a ，导热系数为 0 1 5 w m k o 2 1 4 w m k ，干燥收缩值在0 6 m m m 以内，吸水率小于2 0 ，还具 有可泵性，可直接将其浇注在建筑物的墙体、隔热层等特殊工程的构件中。 泡沫混凝土与普通混凝土、传统加气混凝土的截面对比示意图如图卜1 所 示。 s o l i dg 船s o b dg 猫 ( i ) ：普通混凝土 ( b ) ：传统加气混凝土( c ) ：发泡混凝土 图卜1泡沫混凝土与传统混凝土的内部结构比较 fig i 一1t h ein sid es tru c t u r eb e t w e e n f o a m e dc o n c r e t ea n dtr a ditio n aic o n cr e t e ( a ) ：e o n c re t e ：( b ) ：t r a ditio n aia u t o cia v e da era t e dc o n cre t e ： ( c ) ：f o a m e dc o n cr e t e 由对比图可以看出，三者存在明显的差异。泡沫混凝土相对于普通混凝 土具有密度小，形成固相成分与气相相互交织的结构，由于内部气孔的存在 具有保温、隔热等特点，抗冻性能优良：泡沫混凝土相对于传统加气混凝土具 有内部气泡结构均匀分布，孔径范围比较集中，缺陷更少，气孔率更大等特 点，从而可以明显降低应力集中造成的破坏现象。与加气混凝上相比，泡沫 混凝土具有更为杰出的性能：其一则是它的气孔大小可以人工控制。通过调整 泡沫剂与稳泡剂比例，控制搅拌时间与搅拌速度，根据不同的需要，制备出 孔径可控的多孔混凝土：其二，传统加气混凝土多用铝粉作为加气剂，当混凝 土制品达到初凝开始硬化时，仍会有少部分铝粉未反应结束，或者还没有来 得及反应，这时铝粉在与碱反应生成气体，不免会造成内应力的存在，甚至 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 引起体积开裂，而泡沫混凝土不会有这方而的问题存在一。 泡沫混凝土的多孔结构使其具有以下优良的物理性能：( 1 ) 多孔轻质，由 于引入大量空气( 孔隙率达7 0 一8 0 ) ，从而大大降低了材料密度，在建筑工 程中具有明显的经济效益；( 2 ) 保温隔热，泡沫混凝土的导热系数明显低于传 统建筑材料，其导热系数随着密度的变化而变化，如果材料处于潮湿的环境 中，则导热系数会增加，；( 3 ) 耐火隔音，泡沫混凝土是一种极好的吸音材料， 与实心砖墙相比，吸音能力大约是实心砖墙的5 1 0 倍，但隔音性能不如重质 材料。另外，泡沫混凝土是无机材料，是非燃性的，是一种很好的耐火材料。 包括美国材料协会在内的一些国家检测表明，1 5 c m 厚的泡沫混凝土墙耐火时 间可超7 h h l ，并且在高温下也不产生有害气体，因而具有良好的防火性能； ( 4 ) 抗水性，泡沫混凝土典型的优点是比传统的粘土砖和一般混凝土的吸水率 低，图卜2 列出了不同材料的吸水率1 。 w h a - i p 嘶霸f i l 蜘霉a 哪一c i 【m1 碍 1 c q 懈 图卜2不同材料的吸水率对比 1 2 2发泡剂研究现状 1 2 2 1发泡剂的种类及性能 泡沫混凝土在国内出现并不晚，但由于种种原因，其发展受到了限制， 其中发泡剂对泡沫混凝土性能的影响不可忽视。泡沫混凝土所用的发泡剂主 要有三种：铝粉类、表面活性剂类和蛋白类。铝粉类在制备泡沫混凝土过程 中，产生的泡沫不稳定，易上浮而破裂，因此目前应用较少件，。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 近些年来研究应用泡沫混凝土又有了新的进展，但到目前为止，国内泡 沫混凝土发泡剂基本组成是以合成表面活性物质为主，泡沫剂多为阴离子表 面活性剂。目前，国内泡沫剂的品种主要有：松香胶泡沫剂、废动物毛泡沫 剂、树脂皂类泡沫剂、水解血胶泡沫剂、石油硫酸铝泡沫剂等。泡沫剂总体 上说不够理想，如质量偏低、功能偏少，尽管有些发泡倍数够大，但稳定性 差、制品强度不高。日本、意大利进口的泡沫剂多为蛋白质类，质量好。我 国也有以动物蛋白质为主要原料的泡沫剂，其发泡倍数及稳定性较好，但因 原料来源有限，生产成本高，因此开发与应用受到制约。近年来我国相继开 发出一批性能优越的固体树脂泡沫剂和蛋白质泡沫剂，有：c o n a 型泡沫剂、 u 型发泡剂、c c w 一9 5 型固体泡沫剂、青海3 型、h j 一3 型磺酸盐系列微泡剂 等n “。发泡剂的种类和性质，在极大程度上决定了泡沫混凝土的性能。随着 发泡剂由铝粉类向有机表面活性剂类、再向蛋白质类的发展，泡沫混凝土的 制备技术和质量也相应得到改进和提高。 发泡剂质量的好坏直接关系到泡沫混凝土的质量。我国目前还没有发泡 剂的有关技术标准及规程，因此各单位都根据自己的情况对其质量进行表征。 例如：广东工业大学化工系对其自行研制的泡沫混凝土砌块发泡剂的泡沫性 能检测方法1 为：用泡沫沉陷距衡量泡沫稳定性。泡沫发生后，用下述方法 测量泡沫沉降距：取内径为6 c m ，高9 c m 的容器，盛满新发生的泡沫，刮平表 面，在泡沫上放一张纸，置于无风处，4 0 m i n 后量取泡沫沉陷距。用泡沫高度 衡量起泡力。取一定量的发泡剂，加一定量的水配成溶液，用电动搅拌机中 速搅拌l o m i n ，量取泡沫高度。 国外研究泡沫混凝土发泡剂研究较早，已有较成熟的产品，如美国、日 本、意大利等。国外的发泡剂多为蛋白质型，其做法比较固定，已有成熟的 技术指标及测试方法。衡量发泡剂的指标有发泡倍数、单位时间沉降量、泌 水量、稳泡时间等“”。泡沫的沉陷距和泌水量可用泡沫质量测定仪器测定。 该仪器由容器、玻璃管和浮标组成。容器底部有孔，玻璃管与容器的孔相连 接，玻璃管直径为1 4 m m ，长度为7 0 0 m m ，底部有小龙头。浮标是一块直径为1 9 0 m m 和重2 5 9 的圆行铝板。根据上端容器上的刻度，测定泡沫的沉陷距。根据玻璃 管上的刻度，测定由破裂泡沫所分泌出的容积即泌水量。其发泡倍数的测定 方法是将制成泡沫注满容积为2 5 0 m 1 ，直径为6 0 m 巾的无底玻璃桶内，两端刮平， 称其重量。发泡倍数m 按下式计算，： m = vy ( g 2 一g 1 ) 式中：m 一一发泡倍数： 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 v 一一玻璃桶容积( c m 3 ) y 一一泡沫剂水溶液密度( 近于lg c m 3 ) ； g 。一一玻璃桶质量( g ) ； g ：玻璃桶和泡沫质量( g ) 。 发泡剂起泡好、稳泡好是在空气中而言，不定保证在水泥浆中也如此。 张巨松n 引测定了不同发泡剂与水泥净浆搅拌后即泡沫混凝上的浇筑实验，得 出：促使水泥浆迅速凝结是确保发泡剂功能的重要方面。因此仅具有很好的 发泡作用和稳泡作用的混凝土发泡剂是不够的，还应该具有对水泥的促凝( 硬) 作用这样的发泡剂才真正能在泡沫混凝上中产生大量的稳定的小气泡。 1 2 1 2泡沫的形成 基于表面张力的作用，液体表面有自动缩小的趋势，因而纯静液体经搅 拌后并不能产生大量泡沫。在纯静液体中，两个气泡相碰就会毫无阻碍地结 合在一起，最后气泡全部破裂。但如果在液体中溶解一种能降低气一液界面 张力的物质。使之形成在组成上与其他液体有区别的且有一定机械强度的i 临 界层，那么两个气泡相碰时，这种临界层便可作为“缓冲层”防止气泡破裂“。 发泡剂因其分子结构的不对称性，能聚集在气液界面上，降低表面张力， 提高膜的机械强度，因雨在纯静液体中加入发泡剂后用搅拌、混合、吹入、 喷射等机械方法将气体带入就能制得泡沫”。 无论是纯水泥和水泥砂浆泡沫混凝土还是粉煤灰泡沫混凝土，其新拌混 凝土浆体的流动性和硬化混凝土的特性，在极大程度上有赖于引入的泡沫的 特性n ”。泡沫掺入混凝土后，即在混凝土中形成大量封闭的小孔。而孔结构 影响混凝土性能的三个最主要因素是：孔的形状、孔隙率和孔径分布。众所周 知，混凝土中气孔的形状越圆滑，受力就越均匀，越不容易产生应力集中， 对混凝土强度就越有利。随着混凝土孔隙率的增加，混凝土强度降低。在相 同孔隙率情况下，平均孔径越小，混凝土的强度越高“。另外，在泡沫混凝 土中，孔径大于l m m 的孔己属于有害孔，它将对混凝土的力学性能产生极为不 利的影响。因此孔径大于l m m 的孔的多少，对泡沫混凝土的力学性能具有很大 的影响。所以，进入混凝土的泡沫要尽量具备峰韧性、均匀性、分散性和小 孔径性，将泡沫制成均等的孔型、孔径非常关键。 1 2 2 3泡沫稳定性的研究 泡沫的稳定性是指泡沫生成后的持久性，即泡沫“寿命 的长短，泡沫 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 生成后的寿命( 用半衰期表示) 越长，泡沫越稳定，即形成泡沫的液膜能否保 持恒定，是泡沫稳定的关键，这就要求液膜有一定的强度，能抵抗外界的各 种影响而保持不变“。这包括两个方面：一是泡沫自身的持久性，由发泡剂 的质量决定；是泡沫在外界环境中以及和混凝土料浆混合时能保持不破灭 的性能，它不仅和自身性能有关，也取决于外界因素的影响。 ( 1 ) 泡沫自身的稳定性 泡沫破坏主要是因为液膜中的液体受重力作用或膜中各点的压力不同， 不断排液使膜壁变薄而破裂。目前普遍认为有两个方面的原因：泡沫中液体 的析出和气体穿透液膜扩散，泡沫自身的稳定性主要取决于液体析出的快慢 和液膜的强度，而增大溶液的粘度可以解决这两方面的问题。如果液体本身 的粘度较大，则液膜中的液体不易排出，液膜厚度变小的速度较慢，因而延 缓了液膜破裂的时间，增加了泡沫的稳定性l 一”。 稳泡剂的作用是使液膜有较大的粘度，从而阻碍液体的流动，使发泡倍 数明显降低，但稳定性却显著提高。常用泡沫稳定剂是高分子物质，如蛋白 质、淀粉、阿拉伯胶、琼胶及合成高分子物质等他。通常起泡好的泡沫剂稳 定性能不一定好，不一定适合做泡沫剂“，。蛋白质类动物毛发泡沫剂具有较高 的稳定性。一般情况下泡沫剂需要掺和稳泡剂来提高其稳定性，而当浓度不 同或加入不同种类的稳泡剂时。其发泡倍数和稳泡性能也不同，泡沫剂加入 稳泡剂后，其发泡倍数明显降低，但稳定性却显著提高“”。另外，泡沫的稳 定性还与时间有关，时间越长泡沫破裂的可能性越大。在实际应用中根据经 验和选择合适的稳泡剂来获得稳定泡沫。 一些试验研究表明：碱浓度对反应程度很重要。一般在2 0 一2 5 左右： 水溶性高分子化合物胶的加入能改变溶液粘性，有利于泡沫稳定；阳离子表 面活性剂三乙醇胺的加入有利于泡沫剂的起泡和稳泡性能心”，泡沫剂的极性 基和非极性基决定了泡沫剂的性能l z ”。 ( 2 ) 外界因素对泡沫稳定性的影响 压力和气泡大小的分布 泡沫在不同压力下稳定性不同，一般是压力越大，泡沫越稳定。这是因 为泡沫质量一定时，压力越大，泡沫半径越小：膜的面积越大，液膜变得越薄， 排液速度越低。有人认为，泡沫稳定性与压力的关系是气相中非凝析成分随 压力增加而增加的结果。m o n s a lv e 从理论上阐明，单位时间内泡沫数的减少 与最初气泡大小分布频率有关。气泡分布越窄、越均匀，泡沫越稳定。因此， 要获得稳定泡沫，应尽量使泡沫的气泡半径分布窄一些。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 温度的影响 温度对泡沫的影响也较大。般情况下，泡沫稳定性随温度升高而下降。 低温时，当泡沫液膜达到一定厚度时，泡沫就呈现亚稳状态，当温度特别低 时，将直接影响发泡倍数：高温时，泡沫的破灭由泡沫柱顶端开始，泡沫体积 随时间增长呈规律性减小。这是由于在最上面的液膜上侧，总是向上凸的， 这种弯曲膜对蒸发作用很敏感，温度越高蒸发越快，膜变薄到一定厚度时就 破裂了，因此大多数泡沫在高温下是不稳定的。 混凝上料浆的影响 泡沫最终要和料浆进行混合搅拌。在此过程中，料浆中成分的颗粒形貌 对泡沫的稳定性也有重要影响。料浆中颗粒( 粉煤灰、细砂等) 形状均匀，表 面圆滑，则和泡沫接触时可以认为是两个圆球的“面面接触”，这样泡沫本身 的“机械强度和“弹性特征可能很好发挥，不致产生应力集中，有利于 泡沫稳定：若颗粒形状各异，棱角分明，则接触时为“点面接触 ，这必然会 刺伤泡沫，产生应力集中从而导致泡沫破裂。另外，泡沫最终在混凝上料浆 中形成“密孔”，时间越长，泡沫破裂的可能性越大。所以，尽快促使发泡混 凝上凝结硬化是提高其稳定性的另一途径，一般可使用旱强硅酸盐水泥或添 加早强剂来达到目的。 从以上论述可以看出，影响泡沫稳定性的因素，不仅和其自身的性质有 关，也与外界环境有关，只有在实际应用中根据经验和实验选择合适方法来 获得稳定泡沫。受发泡工艺受的条件局限，新制成的泡沫不及时使用，泡沫 就要逐渐消失，泡沫不宜储存，对现场大面积的使用造成一定的局限。许希 明等人心3 ，针对发泡剂的特点研制开发了一种新型的发泡剂。其最大的特点是 能够存放，便于携带。它是利用气液交换器，在压缩空气的压力作用( 0 3 0 i p a ) 经过气体交换所研制成的啤酒状的液体发泡剂。 1 2 3发泡技术研究现状 近几年来，人们研究轻质混凝土、特别是免蒸养泡沫混凝土，首先都是 围绕发泡剂与发泡工艺进行研究与利用的。目前国内外生产泡沫混凝土的方 式主要有如下三种他们： 第一种是将发泡剂溶入水中，然后和水泥均匀搅拌。该种方法由于在水 泥浆中形成气泡，水泥浆粘度较大，且在搅拌初期料浆不均，一般不能充分 发挥发泡剂的作用，因此，需要的发泡剂量大，成本较高，且泡径不匀，仅 适用于微量弓l 气混凝土。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 第二种是采用高速搅拌叶片制取泡沫，国内的制泡技术目前主要是采用 高速搅拌机，即将发泡剂溶液倒入高速搅拌机中，然后用搅拌机的高速叶片 搅动发泡剂溶液来制取泡沫。然后用器皿将发好的泡沫取走，倒入水泥浆搅 拌机中拌制成泡沫混凝土。高速搅拌机发泡，其上下泡径不均，发完的泡沫 必须经过中间设备将泡沫倒入搅拌好的水泥浆中，中间环节会导致部分泡沫 破灭。另外，本方法特点是必须先发泡，然后才能使用，过剩的泡沫过一段 时间会破灭。 第三种是采用压缩空气制泡，国外多用此方法生产泡沫混凝土。利用压 缩空气将发泡剂溶液和压缩空气穿过一个特制的发泡筒，在发泡筒内的混合 室中进行混合，然后在压缩空气的作用下，将形成的泡沫吹出发泡筒，直接 投入水泥搅拌机中拌制泡沫混凝土。发泡筒内有的采用磁片，有的采用玻璃 球，有的采用铜网等。和前两种发泡工艺比较，压缩空气发泡设备比高速搅 拌机稍复杂一点，但压缩空气发泡，一方面发泡效率较高，将发泡剂溶液完 全吹制成泡沫。通过发泡筒后其泡径均匀，另一方面，可以将泡沫直接吹入 搅拌好的水泥浆中，减少了中间环节，更好地防止了中间环节导致的泡沫破 灭。此外，该方法是边搅拌水泥浆边发泡，需要多少泡沫就发多少，不存在 过剩和中间环节的问题。而高速搅拌机发泡，其上下泡径不均，发完的泡沫 必须经过中间设备将泡沫倒人搅拌好的水泥浆中，中间环节会导致部分泡沫 破灭2 “。 1 2 4 生产工艺研究现状 泡沫混凝土的生产方法有湿砂浆法和干砂浆法两种。湿砂浆法通常是在 混凝土搅拌站将水泥、砂与水等搅拌成砂浆，并用汽车式搅拌机运至工地， 再将单独制成的泡沫加入砂浆，搅拌机将泡沫及砂浆拌匀，然后将制备好的 泡沫混凝土注入泵车输送或现场直接施工。干砂浆法是将各干组份( 水泥、粉 煤灰等) 通过散装运输或传动系统输送至施工现场，干组份与水在施工现场拌 合，然后将单独制成的泡沫加入砂浆，两者在匀化器内拌合，然后用于现场 施工们( 2 7 l 。 搅拌时间的长短对泡沫混凝土的影响很大，试验结果表明：随着水化时 间的延长，泡沫混凝土的强度呈上升趋势，密度呈下降趋势，软化系数呈上 升趋势，气孑l 率变化不大。习志臻k 引根据水泥颗粒电位正负性在水化初期的 变化规律，得出以阴离子表面活性剂作为泡沫剂所生成的泡沫，与水泥颗粒 相结合的时闻定为水泥颗粒水化3 0 m i n 后，如此，水泥颗粒带负电，与泡沫混 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 合搅拌所生成的泡沫混凝土的各项性能良好。搅拌尽量减少泡沫破裂、过度 失水等问题。养护泡沫混凝土时表面的泡沫破裂是不可避免的，在水平和垂 直方向均可发生，但因表面干燥脱水出现的微裂纹却可设法避免，浇筑后应 用镘刀刮平，待凝固后盖上塑料布或喷洒表观养护剂，早期也可采用蒸养， 加快强度形成，养护期需经常浇水湿润，防止表面过度失水。 日本采用蛋白质物添加适量的阳离子表面活性剂配成的混合发泡刘，采 用现场浇注成型的工艺，研制成功现浇泡沫混凝土新工艺妇“。其所用发泡沫 是在蛋白质中掺入0 1 一5 的阳离子表面活性剂而配成，阳离子表面活性剂 使用季铵盐。其制备方法有三种：一种是将水、蛋白质物、阳离子表而活性剂 混合，经发泡机发泡，再注入水泥料浆中搅拌，制备泡沫水泥浆，现浇成型： 一种是将水、蛋白质物、阳离子表面活性荆混合，经高速搅拌机发泡，再注 入水泥料浆中，制各发泡水泥浆：另一种是按第一种方法发泡，一边加入少量 水泥，一边高速搅拌，制各发泡水泥浆，其中前一种制备方法较好。上述制 备方法生产的现浇混凝土不仅轻质、高强、耐火，更引人注目的是不需蒸压 养护，现浇即可成型，节能效果显著。 1 3泡沫混凝土的应用现状 1 3 1国内泡沫混凝土的应用现状 近年来，我国越来越重视建筑节能工作，随着与建筑节能有关政策的实 施，墙体材料改革取得了显著的成就，节能材料倍受欢迎。泡沫混凝土以其 良好的特性，已用于节能墙体材料中，主要应用于以下几个方面口o j ( 1 ) 泡沫混凝土砌块及各种轻质板材 泡沫混凝土砌块是泡沫混凝土产品中应用量最大的种材料，目前，我 国的泡沫混凝土砌块年产量在5 0 万m 3 左右。在我国南方温度高同照长的地区， 主要利用该砌块产品的隔热性能好和轻质高强的特点作为墙体和隔热层使 用；在北方主要利用其作为墙体保温使用，高温和低温地方均可体现泡沫混 凝土砌块的隔热保暖特长。 哈尔滨建筑大学开发研制了聚苯乙烯泡沫混凝土砌块，并用于城市楼房 建设。此种砌块是以聚苯乙烯泡沫塑料作为骨料，水泥和粉煤灰作胶凝材料， 加入少量外加剂，经搅拌、成型和自然养护而成，其规格为2 0 0 m m 2 0 0 咖 2 0 0 舢，可用于内、外非承重墙体材料，也可用于屋面保温材料b “。天津市人 民建材制品厂与美国的合资企业一一舒布洛克水泥砌块有限公司采用美国贝 西南科技大学硕士研究生学位论文第1o 页 塞尔设备全自动生产线生产泡沫混凝土砌块，其主要原料为经过破碎的粘土 陶粒与其他轻质细骨料进行精确级配，依照美国生产工艺进行制造。它在满 足使用要求的前提下可用较薄的砌块代替传统的较厚材料，降低墙体平米造 价；同时墙体重量减轻，也相应降低梁的荷载和基础的造价，并增加室内使 用面积，为开发商的房屋销售带来直接利益。另外，由于舒布洛克砌块外观 质量平整，内墙只需刮腻子即可交活，其外墙面抹狄均在1 2 m i n 之内，这都为 施工单位在节省材料和人工费方面带来直接的益处“。 ( 2 ) 作为补偿地基使用 现代建筑设计与施工越来越重视建筑物在施工过程中的自由沉降和自 重，建筑物自重的不同，在施工过程中将产生自由沉降差，在建筑设计中通 常要求在建筑物自重较低的部分作为辛l 、偿地基使用。选用泡沫混凝土就能较 好地满足补偿地基材料的设计要求。如选用轻质泡沫混凝土作填充料，这种 低密度的泡沫混凝土的强度可很好地控制在设计的允许范围内，并具有良好 的压缩性，确保建设工程的均匀沉降，补偿因自重引起的自由沉降差。例如， 在北京团结湖大厦的部分基础中，现场浇注了厚度为1 5 0 m m 、抗压强度在o 1 0 o 0 2 卿a 、密度 2 0 q k g t n 3 的泡沫混凝土，取得了良好的效果。据现场测试， 此种低密度泡沫混凝土的强度可很好地控制在设计的范围内，且具有良好的 压缩性。 ( 3 ) 在大型围护结构中的应用 轻质泡沫混凝土在大型围护结构中用作回填材料可降低垂直载荷，也可 减少填充材料对墙体的侧向荷载压力也可减少填充材料对墙体的侧向荷载压 力。这是因为泡沫混凝土是一种粘结性能良好的刚性体，它并不沿周边对墙 体施加侧向压力，也由于质量轻使沉降降低，维修费用减少，从而节省丌支。 用于减少侧向压力和减轻自重的泡沫混凝土的密度一般选用3 0 0 一5 0 0 k g m 3 。 ( 4 ) 其他 泡沫混凝土属多孔无机材料，不会燃烧，具有良好的耐火性，是一种良 好的隔音材料。在建筑物的楼层和高速公路的隔音板、地下建筑物作为隔热、 保温、防水、隔音使用。可提高建筑物的防火性能。如在地下油柜、油管、 煤气管以及供电电缆、供水管线的隔离使用可达到防火防水的目的。 1 3 2国外泡沫混凝土的应用现状 近年来，随着科学技术的发展，国外对泡沫混凝土进行了深入的研究与 开发。美国、英国、荷兰、加拿大等欧美国家以及r 本、韩国等亚洲国家充 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 分利用泡沫混凝土的良好特性，将它在建筑工程中的应用领域不断扩大，加 快了工程进度，提高了工程质量。其主要用途如下m 一： ( 1 ) 用作挡土墙 主要用作港口的岸墙。泡沫混凝土在岸墙后用作轻质回填材料可降低垂 直载荷，也减少了对岸墙的侧向载荷。这是因为泡沫混凝土是一种粘结性良 好的刚性体，它并不沿周边对岸墙施加侧向压力，沉降降低了，维修费用随 之减少，从而节省很多开支。 泡沫混凝土也可用来增进路堤边坡的稳定性，用它取代边坡的部分土壤， 由于减轻了重量，从而就降低了影响边坡稳定性的作用力。用于减少侧向压 力的泡沫混凝土的密度为4 0 0 6 0 0 k g m 3 。 ( 2 ) 修建运动场和田径跑道 使用排水能力强的可渗性泡沫混凝土作为轻质基础，上面覆以砾石或人 造草皮，作为运动场用。此类运动场可进行曲棍球、足球及网球活动。或者 在泡沫混凝土上盖上一层0 0 5 m 厚的多孔沥青层及塑料层，则可作f f l 径跑道 用。 ( 3 ) 贫混凝土填层 由于使用可弯曲的软管、泡沫混凝土具有很大的工作度及适应性，因此 它可用于贫混凝土填层。如对隔热性能要求不很高，一般平均厚度为0 0 5 m 如 对隔热性要求很高则平均厚度为0 卜0 2 m 。 ( 4 ) 用作夹芯构件 在预制钢筋混凝土构件时可采用泡沫混凝土作为内芯，使其具有轻质高 强隔热的良好性能；通常采用密度为4 0 0 一6 0 0 k g m 3 的泡沫混凝土。 ( 5 ) 屋面边坡 泡沫混凝土用于屋面边坡，具有重量轻、施工速度快、价格低廉等优点。 坡度一般为1 0 m m m ，厚度为0 0 3 一o 2 m 。 ( 6 ) 用作复合墙板 用泡沫混凝土制作成各种轻质板材，在框架结构中用作隔热填充墙体或 与薄钢板制成复合墙板。泡沫混凝土的密度通常为6 0 0 l ( g m 3 左右。 ( 7 ) 储罐底脚的支撑 将泡沫混凝土浇注在钢储罐( 内装粗油、化学品) 底脚的底部，必要时也 可形成一凸形地基，这样可确保整个箱底的支撑在焊接时处于最佳状态这 一连续的支撑可使储罐采用薄板箱底，同时凸形地基也易于清洁。泡沫混凝 土的使用密度为8 0 0 l o k g m 3 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 8 ) 管线回填 地下废弃的油柜、管线( 内装粗油、化学品) 、污水管及其它空穴容易导 致火灾或塌方，采用泡沫混凝土回填可解决这些后患，费用也少。泡沫混凝 土采用的密度取决于管予的直径及地下水位，一般为6 0 0 1 0 0 0 k g m 3 。 ( 9 ) 其它 泡沫混凝土也可用于防火墙的绝缘填充、楼面隔声填充、隧道衬管回填， 以及供电、水管线的隔离等方面。以充分利用其防火隔热的特性，维护管线 的使用安全。美国矿山局和西费吉尼亚废矿上地管理处合作，利用轻质泡沫 混凝上成功地封闭了一个9 1 m 深的废并筒。 1 4 用普通水泥制备泡沫混凝土存在的问题及解决措施 1 4 1 存在的问题 ( 1 ) 基体材料凝结时间与泡沫稳定时间不匹配 本实验采用普通硅酸盐水泥为结合剂制备泡沫混凝土，由于普通硅酸盐 水泥凝结时闯较长，其凝结硬化时间与泡沫的稳定时闯不匹配，导致发泡后 的浆体塌陷。 ( 2 ) 发泡剂的制约 泡沫剂总体上说不够理想，如质量偏低、功能偏少，尽管有些发泡倍数 够大，但稳定性差、制品强度不高。国内制取泡沫主要采用机械搅拌，受发 泡工艺条件的局限，新制成的泡沫不及时使用，泡沫就要逐渐消失，泡沫不 宜储存，对现场大面积的使用造成一定的局限。 ( 3 ) 泡沫混凝土吸水率高 泡沫混凝土在生产时引进大量气泡，原料以粉料和细颗粒为主，从而在 性能上表现出较高的吸水率和收缩率n ”，并且随着密度的降低，引进气泡量 增大，其吸水率和收缩率将不断增加，这严重影响了泡沫混凝土的使用效果， 制约其应用领域。 ( 4 ) 泡沫混凝土制品强度低 在泡沫混凝土的应用中存在的最大问题是：强度偏低，使得硬化表面开 裂，以至于出现粉化现象。密度为8 0 0 k g m 3 8 5 0k g m 3 的泡沫混凝土抗压强 度一般低于2 o m p a b ”。 1 4 2解决措施 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 ( 1 ) 研究采用以粉煤灰和硅酸盐水泥为主要原料，通过对粉煤灰进行活 性激发从而可以大掺量使用来降低成本。为了使化学发泡剂的稳定性能与混 凝土凝结硬化性能相匹配，通过在普通水泥中掺入一定量的特种水泥来调整 水泥浆的凝结时间，使化学发泡剂所产生的泡沫稳定存在大于泡沫混凝土凝 结硬化时间，以保证发泡后的浆体不塌陷。 ( 2 ) 通过传统的表面活性剂物理发泡与矿物材料物理发泡相结合的新型 发泡模式，采用预发泡的方法制备免蒸养系列泡沫混凝土。这种发泡方式充 分利用了表面活性剂发泡迅速、发泡效率高的特点和矿物发泡剂发泡稳定性 好、容易形成孤立、封闭的气孔的优点。 ( 3 ) 对于轻质混凝土，泡沫的引入减轻自重，但同时引起吸水率的增加 口”。p a u l j t i k a l s k y 等人研究表明泡沫混凝土抵抗冻融破坏的耐久性与混合 材性质、环境浓度、渗透深度和吸水率有关”。在泡沫混凝土中加入短的光 纤，会增加抗冲击强度，降低早期破裂和吸水率h “。b i n gc h e n 等“也同样得 出：加入纤维可改善轻质混凝土的工作性、机械性能、干缩性。o k a y a l p ， 研究得出在混凝土中加入0 5 6 的聚丙烯纤维，可以增加9 0 的拉伸强度和 2 0 的断裂模数，并且聚丙烯的加入不会显著影响其他力学性能。 ( 4 ) 自然界中存在着大量的天然生态材料，可以根据自然界天然材料的 机理来制备材料。例如碳强度最高但质量轻，而不是质量重的才具有高的强 度，这表明轻质混凝土的强度并不是注定很低，可以应用此机理来制备得轻 质泡沫混凝土。云母是天然的绝热材料，其原子结构采用最佳堆剁结构，孔 径是纳米级的。热源的传播是原子波长的震动，云母的孔径小于原子波长的n 倍，所以它具有良好的绝热性。我们可以根据云母的结构来设计泡沫混凝土， 即要求泡沫混凝土的孔径细小而均匀。这对发泡剂的要求就比较高，不仅要 泡沫细小而且要强度高。张巨松1 测定了不同发泡剂与水泥净浆搅拌后即泡 沫混凝上的浇筑实验，得出：促使水泥浆迅速凝结是确保发泡剂功能的重要 方面。因此仅具有很好的发泡作用和稳泡作用的混凝土发泡剂是不够的，还 应该具有对水泥的促凝作用。这样的发泡剂才真正能在泡沫混凝上中产生大 量的稳定的小气泡。 另外造成泡沫混凝土强度较低的主要原因是基体材料强度不够，因此加 强基体材料的强度是解决问题的另一个突破口。国外研究发现在基体材料中 加入光纤对抗折、抗压强度及吸水率等都有显著影响3 。提高泡沫混凝土的 强度也应当考虑以下几个技术途径：选择适宜的配合比；使用高效减水剂并 控制适宜的低水灰比；采用优质高效发泡剂；加强泡沫混凝土