泡沫混凝土研究进展

1、泡沫混凝土研究进展摘要:泡沫混凝土以其独特的性能以及在建筑保温中的广泛应用,得到了较高的重视与快速的发展。本文综述了泡沫混凝土的原材料、制备工艺、性能、配合比设计方法,总结了国内外泡沫混凝土的应用及泡沫混凝土与传统的保温材料的对比,并提出了目前研究中存在的问题。关键字:泡沫混凝土;原材料;制备;性能;配合比设计;应用;进展Progress in foamed concreteAbstract: Because of the unique properties and the wide appliance on thermal insulation, foamed concrete receiv

2、e much attention and get rapid development. In this paper, materials, preparation technology, properties, mix design are summarized. The appliance of foamed concrete at home and abroad as well as the contrast between foamed concrete and traditional thermal insulation materials is analyzed. The probl

3、ems current studies exist are referred.Key words: foamed concrete; materials; preparation; properties; mix design; appliance; problems在自然资源日益减少、自然环境遭到破坏的今天,如何减少材料对自然资源的依赖,降低材料在制备、使用中的能耗,加大材料的回收与再利用成为全社会共同关注的焦点。在建筑领域,对于建筑在使用中能耗的降低也越来越受到人们的重视。在建筑墙体外侧外挂、粘贴外保温板材,或涂抹保温砂浆层,以构建外墙外保温体系,能够有效起到保温、隔热的作用,提高冬季供暖

4、以及夏季制冷的效率,有效降低建筑使用过程中的能耗。在我国,外墙外保温体系应用最多的是聚苯乙烯泡沫(EPS、XPS、聚氨酯硬泡体(PU等有机保温材料。虽然具有轻质、保温效果好等优点,但其易燃、易老化、耐久性差等缺点同样制约着这类材料的发展。而随着近年来多次发生的建筑外墙外保温材料引起的火灾事故,如北京央视新址附属文化中心、上海胶州路教师公寓、沈阳皇朝万鑫大厦等火灾事故等,建筑外墙外保温体系的耐火性问题也得到了空前的重视。在这样的背景下,泡沫混凝土作为一种理想的无机不然保温材料也得到了较快的发展。泡沫混凝土是将发泡剂溶液通过机械方法制成的泡沫,加入到含硅和钙的材料(水泥、粉煤灰、矿渣粉、石灰和石英

5、砂等、外加剂、纤维及水等制成的料浆中,经混合搅拌、浇筑成形和养护而成的一种轻质多孔建筑材料。它与普通混凝土在原材料上最大的区别在于其不使用粗集料,同时引入大量均匀分布的气泡,使得新拌阶段和硬化后的泡沫混凝土能表现出许多特殊的性能,如新拌浆体流动度大、易泵送,硬化后质轻、保温隔热、隔音吸声、不燃和抗震等。泡沫混凝土不仅可以作为黏土砖的替代品之一,也可以用于其他一些普通混凝土不能胜任的具有特殊性能要求的场合。因此,近年来泡沫混凝土得到极大的推广应用,并且越来越受到研究者的青睐。资料统计显示,2009年,我国泡沫混凝土的年产量由2008年的500万m3增加到600万m3,2010年,我国应用泡沫混凝

6、土浇筑的建筑保温层面积超过1亿m2。1 原材料泡沫混凝土的基本原材料为水泥、骨料、水和发泡剂。为改善泡沫混凝土的性能,常在此基础上添加一定量的活性掺合料、纤维和其他外加剂等。1.1 水泥泡沫混凝土选择最多的胶凝材料是普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥;另外还有选择镁质发泡水泥(氯氧镁水泥作为无机胶凝材料的,它是由轻度煅烧菱镁矿(MgCO3得到的菱苦土(MgO及氯化镁水溶液反应生成的气硬性凝胶材料。水泥作为泡沫混凝土的主要胶凝材料,起胶结作用,是其强度的主要来源。由于泡沫混凝土引入大量气泡,如果发泡剂溶液产生的泡沫稳定性不好,成型后的制品中的泡沫将在水泥料浆硬化前破裂,导致塌模和表面裂缝

7、。普通水泥价格低,但凝结较慢,因此,宜采用高强度等级早强硅酸盐水泥和早强、快硬特种水泥(如硫铝酸盐水泥和铝酸盐水泥等。也可在普通水泥中掺入一定量的高铝水泥和碳酸锂,以调整水泥浆的凝结时间。乔欢欢1等以普通硅酸盐水泥作基材制备泡沫混凝土,为了与泡沫的稳定时间相匹配,研究采用在普通水泥中掺入一定量的高铝水泥和碳酸锂来调整水泥浆的凝结时间。其研究表明,掺入8%的高铝水泥,初凝时间20 min,加入高铝水泥2%的碳酸锂后,初凝时间仅12 min。XRD、孔结构分析表明:在普通水泥中碳酸锂,有LiH ( AlO225H2O 沉淀物生成,加速了铝酸钙的水化,但水化3 d 浆体有害孔数量增加。1.2 发泡剂

8、发泡剂生成的泡沫最终在混凝土中形成的孔形结构会对混凝土性能产生较大影响;孔径越小,孔形越圆,孔分散越均匀,泡沫混凝土的性能越好。发泡剂性能的好坏影响新拌浆体的含气量、流动性和浇筑体的体积稳定性,最终会影响硬化体的表观密度和强度。因此,发泡剂是生产泡沫混凝土的关键技术之一。发泡剂的种类主要有:松香类、合成类表面活性剂、蛋白类和复合型。松香类是第一代发泡剂。这类发泡剂主要有松香皂和松香热聚物类。合成类表面活性剂是第二代发泡剂。这类发泡剂易起泡,发泡倍数高,但是存在泡壁薄、稳定性差以及对混凝土强度影响大等缺点。蛋白类是第三代发泡剂。这类发泡剂分为植物蛋白和动物蛋白两类,植物蛋白发泡剂包括茶皂素型和皂

9、角苷型,动物蛋白发泡剂包括水解动物蹄角、水解废动物毛和水解血胶三类。复合型是第四代发泡剂。这类发泡剂不再是单一的组分,而是由多种功能组分复合而成。王梅等2以菜籽粕为原料,采用氢氧化钠、乙醇、硫酸铵提取的菜籽粕蛋白质溶液与水以体积比2:1 混合作基液,分别掺入一定量不同类型的表面活性剂进行复配,制备蛋白质类混凝土发泡剂。通过测定复配体系的发泡高度和稳泡时间优化复配方案,并测定复配前后泡沫性能最优时试样的表面张力和黏度。结果表明,在乙醇提取液中掺入3.0 g/L SDS + 0.5 /L CTAB + 210g/L SDBS进行复配时增效作用最好,发泡高度达110 mm,稳泡时间47h。复配后发泡

10、剂的表面张力由43.47 mN /m 降低到25.75mN /m,黏度由4.20 mPas增加到4. 50 mPas。通过对比表明,复配发泡剂的性能在发泡性和稳泡性方面已经超过某些市售发泡剂。石行波等3分别以NaOH和Ca(OH2作为碱水解催化剂水解废弃猪蹄角粉。对2种碱水解催化剂做了对比,通过正交实验对水解条件进行优化。在100、1.5%的Ca(OH2溶液中反应6h制得了一种起泡力强、稳定性高的发泡剂。分别加入一定量不同类型的表面活性剂、明胶或阿拉伯树胶粉进行复配,试验结果表明,表面活性剂会降低发泡剂的稳定性,以明胶加入量为0.1%时复配效果最好,发泡体积达510 ml,稳定时间30.33

11、h。王翠花等4以牛蹄角为主要蛋白质原料,在适量Ca(OH2和少量NaHSO3存在的条件下,成功地合成出蛋白质型泡沫混凝土用发泡剂,并就几种表面活性物质和胶状物质对该发泡剂制得的泡沫稳定性的改性效果进行了研究。实验结果表明,添加的3种物质对该发泡剂的泡沫稳定性均有不同程度的改善,其中烷基苯磺酸盐的改善作用最明显,当改性剂在发泡液中的添加量为6.7g/L 时,发泡倍数为16.7,泡沫稳定时间大于3 h。尹冰等5以氢氧化钠、盐酸和人发为主要原料制备XK型动物蛋白混凝土发泡剂,以十二烷基苯磺酸钠(LAS、十二烷基硫酸钠(SDS和明胶3 种稳泡剂对合成发泡剂进行复配改性,并对复配发泡剂的稳泡性能进行了分

12、析研究。结果表明,这3种稳泡剂能不同程度提高合成发泡剂的泡沫稳定性,其中以LAS与明胶复配的改性作用最好。王翠花等6采用添加少量表面活性物质和胶状物质于蛋白质型发泡剂中,用发泡倍数和泡沫体积随时间的变化作为发泡剂性能评价指标,探讨了它们对发泡剂的发泡性和泡沫稳定性的改善效果。实验结果表明,添加的4 种物质对发泡剂的泡沫稳定性均有不同程度的改善作用。其中烷基苯磺酸盐的改善作用最明显,当其掺量为0.2g/30mL 发泡液时,发泡倍数为16.7,泡沫稳定时间大于3h。石行波等7制备了一种动物蛋白发泡剂,并用其进行泡沫混凝土实验,并采用表面活性剂发泡与矿物材料发泡相结合的新型模式。探讨了水灰比、粉煤灰

13、、泡沫量以及矿物材料掺量对泡沫混凝土的影响,确定了各组分的最佳掺量。在此条件下制得了一系列泡沫混凝土砌块,其容重为581772kg/m3,抗压强度为3.06.0MPa,吸水率为19%28%。李军伟8研究了活性污泥蛋白质的发泡性能,探讨了三乙醇胺和十二烷基苯磺酸钠2 种改性剂对发泡剂发泡性和泡沫稳定性的改善效果,并将其应用于制备泡沫混凝土砌块,结果表明,活性污泥蛋白质浓度为2%,搅拌转速1000r/min,搅拌时间15 min时,发泡剂的发泡性能和泡沫稳定性较好;三乙醇胺、十二烷基苯磺酸钠对发泡剂的发泡性能和泡沫稳定性有改善作用,三乙醇胺的最佳掺量为2%,十二烷基苯磺酸钠的最佳掺量为0.7%。丁

14、起9以十二烷基硫酸钠和皂素溶液为主要原料制备复配发泡剂,加入适量的明胶溶液并采用非离子表面活性剂十二烷基聚氧乙烯醚进行改性,制备了SDS 高效混凝土发泡剂,并对发泡剂的性能进行了分析研究。结果表明,SDS 高效发泡剂的稳定性较好,黏度高,泡沫泌水速度降低。将研制的SDS 高效发泡剂应用于泡沫混凝土砌块的生产,取得了较好的效果。发泡剂最基本的两大性质是起泡能力和泡沫稳定性。发泡剂的选择应在保证一定的起泡能力的基础上,重视其泡沫稳定性。泡沫是气体分散在液体中的粗分散体系,由于体系存在着大量的气-液界面,属于热力学不稳定体系,所以泡沫最终还是趋于破坏的。造成泡沫破坏的主要原因有重力排液、表面张力排液

15、和气泡内气体的扩散。泡沫稳定性主要取决于液体析出的快慢和液膜的强度,增大溶液的粘度和液膜的粘弹性,可以解决泡沫因上述原因造成的自身破裂问题,如掺加具有泡沫稳定性的表面活性剂和胶状物。泡沫稳定性的另一方面是泡沫在外界环境中以及与料浆混合时能保持不破裂的性能,它不仅与其自身性能有关,也取决于外界因素的影响。高波等10分析了发泡剂泡沫的稳定性,阐述了发泡剂的性能优劣是影响发泡混凝土生产的关键,而其自身性质和掺入方式都对混凝土性能产生较大影响。Ranjani I S11等研究了十二烷基硫酸钠、十二烷基醚硫酸钠等四种合成类表面活性剂制出的泡沫是否适合用于泡沫混凝土的制备,并以此来评价其起泡能力和泡沫稳定

16、性,并且试验测定了发泡剂的浓度和制泡时采用的压力对泡沫的密度和稳定性的影响。李英全等对12聚合物水泥泡沫材料的关键组分聚合物、泡沫剂及多种专用外加剂的制备及其性能进行了研究,设计开发了配套使用的新型发泡机,通过材料配方与制备工艺的优化集成,制备了性能优异的聚合物水泥泡沫保温材料,并通过SEM、XRD 等对泡沫材料进行了分析研究。结果表明,聚合物水泥泡沫材料是一种技术性能、经济和社会效益都十分突出的新型节能保温材料,在实现建筑节能的同时,可保证防火安全和使用寿命。1.3 骨料制备泡沫混凝土骨料通常分为普通集料、轻骨料和超轻骨料三类,包括砂、陶粒、碎石屑、膨胀聚苯乙烯和膨胀珍珠岩等。根据泡沫混凝土

17、密度和强度要求,决定是否采用骨料和采用哪类骨料。骨料品种和表观密度对泡沫混凝土强度影响明显。为保证泡沫混凝土密度,用轻骨料比用普通骨料可使水泥浆体形成的结构更致密。泡沫混凝土抗压强度通常较低,抗压破坏通常发生在含有大量气孔的水泥基基体中。与普通混凝土相比,使用密度较低的骨料将明显提高泡沫混凝土抗压强度。赵维霞等13采用粉煤灰和膨胀珍珠岩双掺技术,配制出性能稳定的泡沫混凝土。结果表明:掺入粉煤灰和膨胀珍珠岩,可明显提高混凝土的匀质性,减少离析和泌水,获得匀质的混凝土拌合料。当水胶比为0. 45时,掺入15%25%的粉煤灰和膨胀珍珠岩,早期强度可提高5%。孙文博等14研究了陶粒掺量、泡沫掺量、水泥

18、掺量、砂率、用水量、粉煤灰掺量对陶粒泡沫混凝土强度的影响,并确定了各组分的最佳掺量。研究结果表明:陶粒泡沫混凝土在配制时,陶粒掺量、泡沫掺量、砂率都有其最佳值,而增加水泥用量并不能显著增加该混凝土的强度。从降低陶粒泡沫混凝土的成本出发,应以粉煤灰代替部分水泥,且应采用超量取代法。袁俊15研究了水泥、粉煤灰、膨胀珍珠岩和发泡剂的不同用量对屋面材料体积质量、抗压强度、导热系数等性能的影响,并用熟石灰作为激发剂改善屋面材料性能,得出体积质量为700 kg/m3级别的泡沫混凝土屋面材料,其28d强度最高可达3.61MPa,导热系数最低至0.15W/(mK,具有较好的使用性能要求;综合考虑强度和导热系数

19、因素,确定合理的配合比为水泥:粉煤灰:膨胀珍珠:工业熟石灰:减水剂:发泡剂=475:216:22: 29:2.4:0.4。Remadnia A等16利用粉碎废弃塑料瓶颗粒为轻骨料取代砂子,制备超轻泡沫混凝土,研究发现掺加塑料瓶细颗粒可以改善拌和物的流动性,并且制备的超轻混凝土具有良好的保温性。俞心刚等17对影响煤矸石泡沫混凝土干表观密度、抗压强度的主要因素进行了研究,结果表明,重庆中梁山煤矿煤矸石的热活化最佳煅烧温度为750 ;水料比对干表观密度有很大影响;随泡沫剂用量的增加,煤矸石泡沫混凝土流动度下降,干表观密度降低,抗压强度显著下降;煅烧煤矸石的研磨时间对煤矸石泡沫混凝土的干表观密度和抗压

20、强度影响很大。蔡安兰等18以建筑垃圾、普通水泥、废泡沫塑料(EPS和发泡剂为原料制备泡沫混凝土,研究了建筑垃圾用量对泡沫混凝土抗压强度、干表观密度和导热系数等物理性能的影响,结果表明,采用激发剂的情况下,建筑垃圾用量达到70%(质量百分数,可以制得干表观密度为860 kg/m3、28d抗压强度大于3MPa、导热系数小于0.20W/(mK的泡沫混凝土,可作为非承重围护结构的保温材料使用。1.4 掺合料泡沫混凝土常使用的活性掺合料有粉煤灰、矿渣粉等。同时,也可在其中加入非活性掺合料,降低生产成本。粉煤灰是一种火山灰质活性材料,由于其本身的化学成分、结构和颗粒形状等特征,在混凝土中掺入粉煤灰可产生粉

21、煤灰效应,即活性效应、形态效应和微集料效应。另外粉煤灰对混凝土内部的界面也产生影响,称为界面效应。由于粉煤灰来料方便,有政策优惠,所以其在泡沫混凝土材料研发和工程应用中比较广泛。一般来说,泡沫混凝土的强度会随粉煤灰掺量增大而不断下降,其吸水率也会随掺灰量增加而不断升高。矿渣是高炉炼铁过程的熔融物经淬冷得到的副产品,属于第一类矿物掺合料,矿渣粉颗粒表面粗糙,棱角尖锐,需水量较大。矿渣粉对和易性的贡献不及粉煤灰,但活性比粉煤灰高,在相同掺量时,掺矿渣粉的泡沫混凝土早期强度一般都比单掺粉煤灰的高,流动性变小,但其7d 抗压强度稍大。在泡沫混凝土中掺入一定量的矿渣微粉,能提高泡沫混凝土的抗压强度,但过

22、多的掺量反而会降低强度。Kearsley E P19等用粉煤灰大体积取代水泥制备泡沫混凝土,研究结果表明,粉煤灰最高取代率至67%对泡沫混凝土的抗压强度没有明显的影响,他们得出的结论是泡沫混凝土的抗压强度主要受密度影响。Kunhanandan E K等20研究了粉煤灰作为填料与砂子以不同的比例混合掺加时对泡沫混凝土性能的影响,研究发现泡沫混凝土浆体的稠度主要受粉煤灰替代率影响,而流动性能主要受泡沫体积影响,对于一定密度的泡沫混凝土,用粉煤灰替代砂子有利于提高抗压强度。方永浩等21研究了粉煤灰对水泥粉煤灰泡沫混凝土的干体积密度和抗压强度的影响,结果表明用粉煤灰取代水泥会降低泡沫混凝土的抗压强度,

23、其影响程度随混凝土孔隙率的增大而减小。杨久俊等22从粉煤灰中提取厚壁高强微珠并与水泥和自制无机高分子热聚物发泡剂预混合,制成流态泡沫混凝土,在常温常压养护下,600kg级抗压强度可以达到57MPa,700kg 级达到10MPa以上,明显高于同级别的铝粉加气混凝土的强度,8001600kg级达到承重材料的强度。夏清等23以普通硅酸盐水泥、粉煤灰为主要原料,配以发泡剂、膨胀珍珠岩、石灰和硅酸铝纤维等外加剂,制备了泡沫混凝土质轻质墙材。采用正交及对比试验方法研究了原料配合比对轻质墙材密度、28 d 抗压及抗折强度的影响,结果表明加入1%2%的N发泡剂,水泥及粉煤灰的掺量在38%50%之间时,轻质墙材

24、的各项性能指标优于国家新墙材标准。陈兵等24研究了硅粉对泡沫混凝土强度的影响,得出了硅粉能显著提高泡沫混凝土的抗压强度,且泡沫掺量越大,其增强效果越显著。乔欢欢等25以普通硅酸盐水泥为结合剂,用粉煤灰和硅灰取代砂和部分水泥,研究掺和料种类对泡沫混凝土抗压强度、吸水率以及抗冻性的影响。结果表明:泡沫混凝土的性能不仅与孔隙率有关,还与基体材料中掺合料的种类有关。加入硅灰可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

25、对抗冻性影响不大。张喜等26研究了高碱玻璃纤维、磷渣、陶粒、建筑废弃细粉对泡沫混凝土的性能影响,得出了4 种不同掺合料的活性从大到小排列为建筑废弃物细粉、高碱玻璃纤维、磷渣、陶粒。4种不同掺合料对于泡沫混凝土的表观密度影响:高碱玻璃纤维降低了泡沫混凝土的表观密度,其余3种掺合料均增大了表观密度,增大程度从大到小排列为陶粒、磷渣、建筑废弃物细粉。综合表观密度和强度评定4种掺合料对泡沫混凝土作用最好的为建筑废弃物细粉。1.5 纤维在泡沫混凝土中可用木纤维、竹纤维、聚丙烯纤维、纤维素纤维和尼伦纤维等多种低模量纤维。掺加纤维可以显著提高泡沫混凝土的劈裂抗拉强度,并且干缩率也明显下降。陈兵等24研究了聚

26、丙烯纤维对泡沫混凝土性能的影响,结果表明采用掺加微硅粉和聚丙烯纤维技术,可以制备表观密度在800 1500 kg/m3,而抗压强度达到10 50MPa的结构用泡沫混凝土;微硅粉的掺入对于泡沫混凝土早期抗压强度发展具有较大贡献,而粉煤灰的掺入对于泡沫混凝土长期抗压强度的获得具有贡献。泡沫混凝土抗压强度随泡沫掺量的增大呈近线形减小,对于给定泡沫掺量的泡沫混凝土,微硅粉的掺加能较大幅度地提高其抗压强度,最高可以达到25%。聚丙烯纤维能显著提高泡沫混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度,聚丙烯纤维对泡沫混凝土抗压强度提高幅度随泡沫掺量的不同而有较大差异,随着泡沫掺量的增大,聚丙烯纤维对泡沫混凝土抗压强度提高幅

27、度增大,最大可以提高45. 0%。因此,对于低抗压强度的泡沫混凝土,采用掺加聚丙烯纤维是一个有效的增强途径。泡沫混凝土具有较高的干缩特性,其90 d干缩值达到(1300 170010-6。对于相同配比的泡沫混凝土,微硅粉的掺入对其干缩性能无明显影响,而聚丙纤维的掺入对其收缩性能有显著改善,其90 d 的干缩值仅为(700 110010-6。宋斌等27对掺加粉煤灰、纤维、激发剂的水泥基泡沫混凝土强度进行了力学实验,结果表明,添加0. 5% 聚丙烯纤维后可使泡沫混凝土的强度提高40% 以上,添加50% 粉煤灰后使强度降低40%,使用化学激发剂后,使添加50% 粉煤灰的水泥基泡沫混凝土的强度提高20

28、% 以上。王立久等28以磷酸镁水泥或碱矿渣水泥作为结构面板,植物纤维泡沫混凝土作为芯材制成的三明治结构,来代替现今常用的外墙墙体材料,并对其适用性和经济性进行了分析。1.6 外加剂为满足泡沫混凝土和易性及某些特殊性能要求,泡沫混凝土中须加入不同种类外加剂。如掺早强剂和速凝剂以加快泡沫混凝土强度发展;掺憎水剂以降低泡沫混凝土吸水率;掺膨胀剂以减少收缩裂缝等。牛云辉等29以PO32.5水泥、级粉煤灰为主要原料,采用外加剂单因素试验研究方法和塌模试验,研究了四种外加剂对泡沫混凝土性能的影响。结果表明:聚羧酸减水剂最佳掺量为2.5%,速凝剂最佳掺量为3%,PP 纤维最佳掺量为0.4%,稳泡剂最佳掺量为

29、0.06%。通过四种外加剂相互耦合,制备的泡沫混凝土能有效解决泡沫混凝土现浇承重墙体时容易出现的塌模、开裂等问题。俞心刚等30以普通硅酸盐水泥为粘合剂,用煤矸石和粉煤灰部分水泥,研究掺加不同的早强剂对此种泡沫混凝土的强度、吸水率以及孔结构的影响。结果表明:早强剂的种类对此这种泡沫混凝土的强度、吸水率以及孔的结构形态有显著的影响。张磊蕾等31对内掺憎水剂F、内掺有机硅和表面刷涂有机硅等3种降低吸水率的方法进行了试验研究。结果表明,掺憎水剂F 可显著降低泡沫混凝土的吸水率,内掺有机硅改善吸水性能的效果次之,刷涂有机硅的效果较差。管文32通过聚羧酸减水剂、三聚氰胺减水剂和萘系减水剂在泡沫混凝土中应用

30、效果的比较表明,萘系减水剂的综合效果最好。萘系减水剂可提高水泥的分散性及泡沫混凝土的7 d 和28 d 抗压强度,掺加萘系减水剂后泡沫混凝土的自然干燥收缩率降低,同时质量吸水率和体积吸水率都呈下降趋势。张磊蕾等33研究了乙烯-醋酸乙烯酯聚合物乳液(简称EV A乳液对泡沫混凝土力学性能、收缩性能和孔结构的影响,结果表明:EV A乳液能显著提高泡沫混凝土的抗折强度,使抗压强度先提高后降低; EV A乳液掺量越大,龄期越长,改善泡沫混凝土收缩的效果越好;随EV A乳液掺量的增加, 100m内小孔数量逐渐减少,100200m气孔数量逐渐增加,400m以上大孔数量逐渐增加,孔径呈增大趋势。袁伟等34研究

31、了外掺HPMC(纤维素醚对泡沫混凝土性能的影响。结果表明,HPMC的加入能显著提高新拌泡沫混凝土浆体的保水率,对硬化泡沫混凝土的失水速率有一定影响;其次,HPMC的加入能有效改善新拌泡沫混凝土的保坍性,同时提高其对温度变化的适应能力;另外,掺加HPMC的硬化泡沫混凝土试件抗压强度显著降低, 28d 抗压强度仅为未掺HPMC试件的80%左右,但在自然养护条件下,掺HPMC试件的强度随HPMC的增加而有所提升。2 制备方法2.1 制备工艺泡沫的稳定性对泡沫混凝土的性能、质量、成品率、合格率等起决定性作用,因而要获得优质泡沫混凝土,必须选用能生产稳定性泡沫的发泡剂。大小分布不均的泡沫容易破裂,即泡沫

32、泡径分布均匀有利于泡沫稳定;泡径越大,浇筑稳定性越差,且泡沫混凝土强度越低;此外,泡径越大,泡沫混凝土连通孔越多,保温性也越差,且吸水率增高,导致抗冻性变差。泡沫混凝土的生产分为预先制泡法和混合制泡法。混合制泡法是把表面活性剂与基料混在一起,在料浆制备的过程中,同时产生泡沫而形成泡状结构的混凝土;混合制泡法所需泡沫须坚韧稳定以承受料浆的压力,直到料浆初凝,以形成孔隙中充满气体的结实骨架。预先制泡法包括基料的制备和稳定泡沫的预制,然后将泡沫融入基料中;预先制泡法生产的泡沫分为湿泡沫和干泡沫两种,泡沫稳定性主要受临近界面压力的影响,其发泡剂用量较混合制泡法少。在泡沫混凝土浇灌入模硬化后,可观察到明

33、显沉陷和坍陷现象。一般而言,用湿养护的泡沫混凝土的后期强度较用空气养护的高,较高温度(如40 湿养护条件下制品后期强度较普通湿养护条件下高,且湿养护的成本较低。因此,尽管湿养护条件下混凝土制品的早期强度增长较为缓慢,但在实际应用中湿养护已被广泛接受。高压蒸汽养护对提高泡沫混凝土制品强度及降低干缩非常有利,如采用高压蒸汽养护的制品干缩较湿养护下降12%50%。国外的泡沫混凝土生产大部分采用现代化的蒸压工艺,自动化程度高,产品质量好。2.2 发泡方法按照气泡产生的机理不同,我们可以把气泡分为化学发泡气泡和机械发泡气泡。化学发泡特点就是物质发生了化学反应, 产生了新的气体物质,所发出的气泡中的气体为

34、单一类型气体,例如由双氧水受热产生的气体为纯氧气,由铝粉反应产生的气体为纯氢气,此外化学发泡还有一个重要特征就是气泡本身无泡壁,气泡的稳定存在必须借助以水泥等材料的水化物为稳泡基材(如图1a ,气泡的泡径大小会随着压力的不同和发泡物质的多少而不断地变化,很难控制,但一般我们视这种气泡为闭孔结构,具备高防渗性能, 加气混凝土中的气泡就是采用化学发泡而制得。 机械发泡的特点就是利用机械充分搅拌或者剪切泡沫混凝土专用的表面活性剂或表面活性物质的水溶液,它是一种物理作用,不产生新的物质,气泡是由于在机械的作用下,利用表面活性物质或者表面活性剂的特殊性能来包裹空气, 气泡中的气体就是空气,气泡的泡壁是由

35、一种或者多种表面活性剂或者表面活性物质和水的一种稳定的双电子层结构(如图1b ,气泡的泡径大小可以按照某种方法去控制,一般情况可以控制泡径在0.1 mm 左右,非常均匀和稳定,气泡结构是否开孔或闭孔,是与表面活性剂和表面活性物分子微观质结构和使用方法有直接的关系。泡沫混凝土制品就是采用机械发泡所发出泡沫与混凝土浆料搅拌、成型和养护而制成的。泡沫混凝土中所使用的泡沫是由专用的表面活性剂或表面活性物质溶液在机械的搅拌或剪切作用下包裹空气而成型的。表面活性剂和表面活性物质的微观分子结构由性质截然不同的两部分组成,一部分是与油有亲和性的憎水基,另一部分是与水有亲和性的亲水基。因为具备这种结构特点,表面

36、活性剂和表面活性物溶解于水中后,亲水基受到水分子的吸引,而亲油基则受到水分子的排斥。为了克服这样的不稳定状态,表面活性剂或者表面活性物只有占据到溶液的表面,亲油基伸向气相中,亲水基深入到水中。理想状态下,表面活性物质和表面活性剂在油水界面的排列微观示意图。单个的气泡是由稳定的双电子层结构包裹空气而形成的。扈士凯等35对泡沫自身的容重、掺量、孔径分布等因素对泡沫混凝土性能的影响进行研究,结果表明:泡沫容重对泡沫混凝土的强度等性能有很大的影响,泡沫容重在70g/L90g/L 时最为合适;随着泡沫掺量的增加,泡沫混凝土的干表观密度及强度逐步降低;泡沫孔径分布不均匀,对泡沫混凝土的力学性能有负面影响。

37、李清等36研究了HPMC 稳泡剂对泡沫混凝土泡沫稳定性、坍落度、体积稳定性、密度、强度等性能的影响,结果显示HPMC 稳泡剂有效稳定泡沫、改善泡沫混凝土性能,并以此为基础获得了泡沫混凝土的相对最优配方。李书进等37研究了2 种不同稳泡剂对粉煤灰泡沫混凝土发泡倍数和泡沫稳定时间的影响,得出掺入十二烷基苯磺酸钠和阿拉伯树胶均可提高发泡倍数,在掺量为00.8%范围内,随着掺量的增加发泡倍数有提高的趋势。两种稳泡剂可同时提高泡沫的稳定性,且掺量相同的条件下,阿拉伯树胶的改性作用更加显著。3 泡沫混凝土的性能3.1 强度Ashby 和Gibson 根据孔壁弯曲机制,通过量纲相似分析的方法,对各向同性多孔

38、材料,建立了图2 所示的立方体模型。图2中l 表示立方体的边长,t 表示棱边的尺寸,t s 表示闭(a (b 图1 化学制泡、机械制泡气泡微观示意图口胞面的厚度。模型的建立是以多孔材料为各向同性为前提。对于闭孔材料,压缩模量来自3个部分的贡献:第1部分为棱边的弯曲,与开孔泡沫相同;第2部分来源于膜(气孔壁的拉伸,棱边的弯曲引起气孔壁发生形变;第3 部分为闭孔的内部气体压力。泡沫混凝土的抗压强度的模型可采用Gibson-Ashby 模型中的脆性多孔材料的抗压强度模型,式(1适用于开口孔穴的多孔材料,式(2适用于闭口孔穴的多孔材料。crfs0.2 s 2/3 (1 crfs0.2 s 2/3+ 1

39、 s (2 式中,cr 为抗压强度,Pa ;fs 为孔壁断裂强度,Pa ;为孔棱中的材料分数;* 为材料的表观密度,kg/m 3;s 为材料的实际密度,kg/m 3。而泡沫混凝土气孔绝大多数是闭孔结 构,除非有特殊的设计要求。所以式(2适用于泡沫混凝土。周顺鄂等38制备了一系列的泡沫混凝土,对泡沫混凝土的压缩力学性能进行了测试,研究了泡沫混凝土压缩应力-应变曲线的特征,分析了影响泡沫混凝土压缩性能的相关因素,并运用Gibson-Ashby 模型对抗压强度进行了模拟,通过拟合得出了抗压强度与相对密度的方程,确定了表征孔棱材料分数和孔壁断裂强度的微观结构参数。研究表明,泡沫混凝土压缩过程分为4 个

40、阶段,即平台阶段、密实阶段、屈服阶段和衰退阶段,其压缩力学性能受到基体材料、容重和气孔形态及分布等因素的影响;Gibbson-Ashby 模型拟合的结果具有较高的合理性,对分析泡沫混凝土微观结构力学性能有较大的帮助。李龙珠等39采用正交试验法研究泡沫混凝土的制备工艺对其强度性能的影响,研究结果表明:在泡沫加入量、水灰比和养护条件三因素中,影响泡沫混凝土抗压强度的主要因素为泡沫加入量,较优的组合7d 和28 d 抗压强度分别达到0.7MPa 和1.4MPa 。泡沫混凝土的强度随着泡沫加入量的增加而降低,水灰比在较适宜的范围内对强度的影响不大,考虑到经济条件及可行性养护条件宜采取自然养护。王武祥4

41、0研究了泡沫混凝土绝干密度与抗压强度之间的关系,研究表明,在组成、配比和制备工艺相同时,泡沫混凝土抗压强度与绝干密度之间具有良好的相关性。通过控制泡沫混凝土湿密度,进而控制绝干密度,可达到控制抗压强度的目的。泡沫混凝土配合比设计可依据固定原材料重量法和固体混合料体积法进行。即控制单位体积泡沫混凝土浆体中固体组分量和固体组分比例优化。在组成、配比和制备工艺相同的前提下,泡沫混凝土抗压强度与绝干密度之间具有良好的相关性。通过检测泡沫混凝土湿密度,进而控制泡沫混凝土绝干密度,从而达到控制泡沫混凝土抗压强度的目的。在水泥粉煤灰泡沫水原料体系泡沫混凝土中,掺加适量粉煤灰将有助于提高泡沫混凝土抗压强度,提

42、高抗裂性,同图2 Gibson-Ashby 模型时可降低生产成本。方永浩等21研究了粉煤灰和泡沫掺量对水泥粉煤灰泡沫混凝土的干体积密度和抗压强度的影响,用读数显微镜和图像分析软件分析了泡沫混凝土的气孔结构,重点研究了泡沫混凝土的抗压强度与气孔结构关系。结果表明用粉煤灰取代水泥会降低泡沫混凝土的抗压强度,但其影响程度随混凝土气孔率的增大而减小:当粉煤灰取代率20%(质在不同水灰比和孔隙率条件下的准静态力学性能进行试验研究,结果表明,泡沫混凝土抗压强度随着孔隙率的增大而降低,随水灰比的增大先升高后降低,当水灰比在0.28左右时,抗压强度最高;临界应变值没有呈现出随水灰比和孔隙率的明显变化规律,其值

43、只取决于材料本身的本构关系;填充泡沫之后,混凝土整体破碎至失效的应变范围明显加大,且随着孔隙率的增加,应变范围随之增加,能量吸收能力随之增强。韩珀等42研究了PP和PV A纤维对3个密度等级的泡沫混凝土抗压、抗弯性能的影响;同时还研发了纤维水泥板一泡沫混凝土复合墙体形式,并对其力学性能进行了测试和保温节能特性进行数值模拟。结果表明,泡沫混凝土干密度是其抗压强度的主要控制因素,纤维的掺入可提高抗压峰值荷载之后的承载能力,但对抗压强度值影响不大;纤维的掺加不但能大幅提高泡沫混凝土的抗弯强度,同时还使其表现出较好的延性;复合墙体材料整体抗压及抗弯强度较泡沫混凝土材料有了大幅提高。与典型的保温墙体相比

44、,在相同节能效果下,1000、700和500 kg/m33个密度等级复合墙体的厚度分别为470mm、350mm和240mm。一一一一一一一一一一一一一一一一一图3 泡沫混凝土试样的显微照片和二值化图像3.2 收缩开裂在缺乏粗集料的情况下,影响泡沫混凝土收缩的因素与普通混凝土相比可能是不同的。对于有50%的泡沫体积泡沫混凝土,收缩大约为36%,比基本组合更低,泡沫混凝土的收缩是泡沫体积和间接相关的数量和收缩糊化特性的一个功能。在低水分含量范围内,收缩率大大增加,虽然从相对较大的人造空气毛孔来除水分不会有助于收缩,人工空隙率可能也不会有助于收缩,但是在某种程度上,通过一些收缩间接影响体积的稳定性,

45、这对更高的泡沫体积影响更大。泡沫混凝土的收缩、开裂和吸水是三个密切关联的问题:一般说来,泡沫混凝土由于早期养护不善、保水措施不够或使用过程中条件比较苛刻,均会引发其内部的水分蒸发,从而导致体积收缩、开裂或发生显著的吸水作用。马一平等43采用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料,可以制备表观密度达130kg/m3、28d3.3 孔隙特征方永浩等21研究了泡沫掺量对泡沫混凝土的干体积密度和抗压强度的影响,用读数显微镜和图像分析软件分析了泡沫混凝土的气孔结构,得出了泡沫混凝土的抗压强度与其硬化水泥浆体基体的强度、Feret 孔径大于10 m 气孔的体积分数和形状因子具有良好的相关性,并指出水泥粉煤灰泡沫混凝土

46、的抗压强度与气孔结构参数的关系可表示为f c=fc,01S i0.35。管文45通过裂缝宽度观测仪直接观察泡沫混凝土的气孔结构,分析影响泡沫混凝土孔结构的因素,同时就孔结构对泡沫混凝土抗压强度和吸水性能的影响进行探讨,得出了掺加减水剂能使孔径更加均匀,掺加纤维素醚后,泡沫混凝土的孔径更加细小均匀,与普通硅酸盐水泥相比,用快硬硫铝酸盐水泥配制的泡沫混凝土其孔径更加细小均匀。Kearsley E P等46研究了泡沫混凝土孔隙率与抗压强度之间的关系,并且提出了它们之间的数学模型,试验发现泡沫混凝土的抗压强度主要受孔隙率和龄期的影响。Kunhanandan E K等47研究了孔体积、孔径及孔间距对泡沫

47、混凝土强度和表观密度的影响,结果表明孔径分布越窄,强度越高;掺入泡沫量越大,泡沫越易合并成大孔隙,从而造成孔径分布变宽和强度降低,但孔隙形状对泡沫混凝土的性能没有影响。Tikalsky P J等48对泡沫混凝土的抗冻融性作了相关研究,发现抗压强度、初始渗透深度、吸收及吸收速率是泡沫混凝土抗冻融性最关键的因素,而表观密度和渗透性对抗冻融性的影响不是太明显。Prinya C等49研究了密度等级为1600kg/m3的结构轻质泡沫混凝土的干缩性能,试验发现乙二醇复合物可改善泡沫混凝土的干缩,并且用粉煤灰部分代替水泥和砂也能减少干缩。Othuman M A等50通过试验分析了密度为600kg/m3180

48、0kg/m3的轻质泡沫混凝土在高温下的热学性能,提出了测量热导率的两种方法:热防护板测量法和瞬间加热测试法。3.4 导热系数泡沫混凝土因其多孔的特性而具有优异的热工性能。通常导热系数在0. 080. 25W/ ( mk之间,具有显著的保温隔热效果。泡沫混凝土由固相和气相两相组成,并以固相为连续相,气相为分散相。泡沫混凝土的导热系数主要取决于固相材料的性质、内部缺陷、孔洞尺寸、孔洞形状和相互间连通情况等因素。热量在泡沫混凝土内的热传导包括四种机理,即气体导热传递、气体对流传递、包围气体的固体表面之间的辐射换热以及在固相的导热传递。泡沫混凝土的气相是降低热导率的主导因素。描述泡沫混凝土导热系数有许

49、多模型,包括串、并联模型,Maxwell-Eucken 模型,Levy 模型和有效介质理论模型。其中,Levy 模型误差较小,可以达到很高的预测精度,尤其是当泡沫混凝土的气孔率较大时。下面就Maxwell-Eucken 模型和Levy 模型进行介绍51。Maxwell 模型(图3表征了没有相互作用的均一球体无规则分散在基体中所形成的材料的热传导性。该模型只考虑气孔率一个因素对多相体有效导热系数的影响。并且Maxwell 模型假设分散在基体中的分散相粒子不互相接触,这意味着分散相不可能形成热传导途径。Maxwell-Eucken 1:e =121+22 12 v 21+2+ 12 vMaxwel

50、l-Eucken 2:e =121+22 12 1v 21+2+ 12 1v式中:e 为有效导热系数;1为连续相导热系数;2为分散相导热系数;v 为分散相体积率(气孔率。 泡沫混凝土制作过程中,泡沫在混入浆体前大体都保持圆球形,但当它们混入浆体后,由于不均衡挤压力的作用,气泡形状发生较大的改变,不规则性增加。尤其是在浆体下部,由于浆体自重的压力,气泡多变成不规则的多边扁形。基本的模型如Maxwell 模型不考虑分散相即气孔的形状,所以预测结果会跟实际有所差别。Hamilton 和Crosser 考虑了分散相形状,改进了Maxwell 模型,提出了Hamilton-Crosser 模型,运用该模

51、型可以分析气孔形状因素对导热系数的影响。Hasselman 等又研究了球形分散相尺寸对材料导热性能的影响,进一步改进了Maxwell 模型,推导出了Hasselman 模型。通过运用该模型分析,可以得出气孔尺寸对导热系数的影响。Levy 在Maxwell-Eucken 模型的基础上通过数学方法推导出Levy 方程,因此该方程没有明确的物理意义,这使得解释方程中参数的物理意义成为无法解决的问题。Wang 等52通过理论推导证明Levy 模型等效于两种Maxwell-Eucken 模型的复合,因此Levy 模型的物理意义可以解释为在宏观尺度上相同体积的具有相同导热系数的两种Maxwell 结构的均

52、匀混合,如图4图3 Maxwell-Eucken 模型所示。Levy 方程:e =121+22 12 F 21+2+ 12 FF =2G 1+2v 2G 1+2v 28v G 2G = 12 2 1+2 2+122罗云峰等53对蒸压泡沫混凝土砖与蒸压加气混凝土砌块进行了导热系数、传热系数及隔热性能的对比试验,从其内部传热机理及微观结构阐述了前者较后者具有更优良隔热性能的原因。 马保国等54制备了以硫铝酸盐水泥为基础的泡沫混凝土,用光学数字显微镜和图像分析软件(Image .Proplus6.0计算孔径,并测定了孔隙率,研究了水胶比、发泡剂掺量及搅拌时间对试样性能的影响,重点采用正交试验分析了3

53、个因素对干密度的影响。结果表明:3个因素对干密度的影响程度大小顺序为:发泡剂掺量搅拌时间水胶比;较好的组合是A3B3C3,试块干密度为221 kg/m 3抗压强度为0.23MPa 、吸水率为28%;干密度随着孔径的增大而降低,而孔隙率却恰恰相反;干密度与孔隙率之间呈线性关系,即0=2317-23P ,随孔隙率的增大而降低。 3.5 吸水率泡沫混凝土吸水率较高,而吸水率是衡量混凝土耐久性的一项重要技术指标。泡沫混凝土吸水后其保温效果急剧下降;在低温寒冷天气条件下, 则会因冻融而造成强度的降低和结构的破坏,严重影响泡沫混凝土制品的耐久性。泡沫混凝土是由许多大小不等的泡孔和泡孔间壁组成的结合体。泡孔

54、由泡沫在料浆中形成,并在硬化过程中固定在硬化的水泥浆体中。泡孔间壁系由水泥水化产物、未反应的材料颗粒和孔间壁内的孔隙组成。泡沫混凝土的孔隙,根据孔形状分为封闭孔和开口孔,封闭孔隙不吸水(常温常压下,而主要是开口孔隙吸水。开口孔隙主要由两方面的因素形成:泡沫混凝土凝固硬化过程中,泡沫液膜在重力和表面张力,以及料浆挤压的双重作用下产生不均匀扩散, 从而导致封闭的泡沫孔产生缺陷,凝结后表现为不完整的孔;由于水灰比较大,而在泡孔间壁产生泌水通道。因此泡沫混凝土的吸水率不仅决定于其基体材料的吸水率,也取决于其孔结构,包括孔隙率、孔尺寸、孔形状和孔径的分布等。(1发泡剂。在发泡剂稳定的前提下,泡沫质量主要

55、决定于发泡剂的性能,其对制品图4 Levy 模型吸水率的影响则取决于孔径尺寸、孔径均匀程度和泡沫稳定时间。一般来说,孔径尺寸越小,孔径越均匀,泡沫稳定时间越长,则泡沫形成开口孔隙的几率就越低。(2矿物掺合料。掺加磨细粉煤灰能降低泡沫混凝土的吸水率,而掺加硅灰则增大泡沫混凝土的吸水率。这可能与硅灰比表面积大,增加体系成型需水量,多余水分在硬化过程中蒸发,增加泡孔间壁开口孔隙的几率有关。磨细粉煤灰颗粒绝大多数为球形玻璃体,有润滑作用,掺入泡沫混凝土中可减少水泥浆体的内摩擦阻力,大幅度降低需水量,有助于浆体中孔隙的细化和填充,减少泡孔间壁开口孔隙率。(3水泥种类。快硬硫铝酸盐水泥能降低吸水率。原因在

56、于水泥凝结时间缩短,浆体稠化速度加快,制品凝结硬化快,利于泡沫的稳定,减少了泡沫合并破裂、形成开口孔隙的几率。(4憎水剂。P型憎水剂之所以能有效地降低吸水率,主要因为P型憎水剂能同水泥水化产物中的羟基基团形成稳固的化学健,牢固地结合在泡孔间壁水泥基体孔壁的表面。由于憎水的有机官能团朝向孔壁的外侧,使得泡孔间壁水泥基体孔隙的表面获得一定的憎水性,导致水分难以通过孔隙向制品内渗透,为泡沫混凝土带来了较好的整体憎水效果。P型憎水剂掺量较高时,制品抗压强度之所以降低,主要是因为P 型憎水剂憎水效果作用较快,在泡沫混凝土28d 养护期内较大程度地阻碍了外界水分的进入,水泥水化不完全,从而导致泡沫混凝土抗

57、压强度降低。3.6 抗火性能泡沫混凝土为具有不燃特性A级保温材料,被用于建筑外墙保温隔热材料时,其抗压强度会因火场可燃材料的高温煅烧而有所降低,但其耐火极限能完全满足建筑防火设计规范。泡沫混凝土的抗压强度在烧灼后下降,密度越大,烧灼后强度的下降程度也越大。对于相同密度的泡沫混凝土试件,灼烧时间不同,其抗压强度的变化不同。烧灼时间越长,抗压强度下降的程度越大。泡沫混凝土具有保温隔热性的主要原因是内部引入了泡沫,从而使其成为一种特殊的多孔性泡沫材料。孔结构对抗压强度也有较大的影响,从而影响泡沫混凝土的抗火性能。把泡沫混凝土试件表面层剥离后,从内部的气孔结构看,试件有许多大小不等的气孔和气泡壁组成,

58、气孔由泡沫在料浆中形成,孔壁由水化产物、未反应的材料颗粒和其内部孔隙组成。密度不同,气泡大小、分布不同:密度增大,孔径减小。孔径小、气孔封闭、分布均匀,形如蜂窝状时,灼烧后,结构变化小,抗压强度值变化不大,能抵抗较大的外力作用,其抗火性能较好;而孔径大,分布不均匀,气孔相互贯通时,灼烧后,孔结构易被破坏,很小的外力作用就导致试件表面裂纹,其抗压强度值较低,抗火性能较低55。杨小芳等56在模拟火灾条件下,通过测定不同密度、不同煅烧时间、不同含水量的泡沫混凝土和混凝土的抗压强度值,比较泡沫混凝土和混凝土的耐火极限的变化规律。结果表明,在火灾条件下,泡沫混凝土和混凝土的抗压强度损失率均随密度的增大而降低;密度为300kg/m3和800kg/m3。的泡沫混凝土,在800下煅烧20min后,其抗压强度损失率分别为66.3 和25.5;在同样的煅烧条土和混凝