泡沫混凝土的性能及发泡剂的研究

泡沫混凝土的性能及发泡剂的研究

0多孔材料的应用泡沫混凝土是将泡沫混凝土中的泡沫所制备的泡沫所添加到由硅材料（灰烬、砂）、碱性材料（水泥、石灰）、水和外加剂组成的原料浆中，通过混合、搅拌、建造和维护而成的多孔建筑材料。按主要成分的不同,泡沫混凝土可以分为不同的品种,常见的有水泥、粉煤灰、陶粒、煤矸石等类型。随着建筑物向高层、大跨方向发展,建筑材料的自重也越来越受到人们的关注。作为多孔材料的泡沫混凝土以其轻质、高强、节能、利废、保温隔热等优良特性成为可以替代黏土砖的材料之一。1粗集料的应用泡沫混凝土与普通混凝土在组成材料上的最大区别在于:泡沫混凝土中没有普通混凝土中使用的粗集料,同时含有大量气泡。因此,与普通混凝土相比,无论是新拌泡沫混凝土浆体,还是硬化后的泡沫混凝土,都表现出许多特殊性能,二者的各项性能指标如表1所示。由表1中我们可以看出,泡沫混凝土具有以下特点。1.1重量：轻由于泡沫混凝土密度小,因此用于高层建筑的内墙材料和其他非承重结构材料,可以有效地减少高层建筑物的自重。1.2耐热性好由于泡沫混凝土中含有大量封闭的细小孔隙,因此具有良好的保温隔热性能。采用泡沫混凝土作为建筑物墙体及屋面材料,具有良好的节能效果。1.3建筑物的隔音板、地下建筑物的隔音板、地下建筑物的隔音板泡沫混凝土属多孔材料,因此它也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、地下建筑物的顶层等可采用该材料作为隔音层。泡沫混凝土是无机材料,不会燃烧,从而具有良好的耐火性,在建筑物上使用,可提高建筑物的防火性能。1.4震波场特征法泡沫混凝土由于密度小、质量轻、弹性模量低,在地震载荷作用下所承受的地震力小,震动波的传递速度也较慢,且结构的自震周期长,对冲击能量的吸收快,因而减震效果显著。1.5地下采空区填充浇筑工程泡沫混凝土在施工工程中可泵性好,这使其特别适用于大体积现场浇筑及地下采空区的填充浇筑工程。此外泡沫混凝土还有防水能力强,冲击能量吸收性能好,可大量利用工业废渣,价格低廉等优点。2泡沫混凝土的组成2.1泡沫稳定剂2.1.1发泡剂的研制应用于泡沫混凝土中的发泡剂种类很多,目前主要有:松香酸皂类发泡剂、金属铝粉发泡剂、植物蛋白发泡剂、动物蛋白发泡剂、树脂皂类发泡剂、水解血胶发泡剂、石油磺酸铝发泡剂、木质素磺酸盐、废动物毛发泡剂等。国外如意大利、日本研制的发泡剂多以蛋白质类为主,发泡数量多、稳定性好、产品强度高。而国内发泡剂总体上看功能偏少、稳定性差、制品强度较低。但近年来国内已开发出一批性能较好的固体树脂泡沫剂和蛋白质泡沫剂,如CON-A型泡沫剂、CCW-95型固体泡沫剂、U型发泡剂、HJ-3型磺酸盐系列微泡剂等。发泡剂的发泡倍数、沉陷距和泌水量等性能是衡量泡沫性能的三大重要指标。通常认为最理想的发泡剂应是沉陷距和泌水量最小、发泡倍数最大。一般认为1h后泡沫的沉陷距不大于10mm,1h的泌水量不大于80mL,发泡倍数不小于20的为优质发泡剂。2.1.2发泡剂的应用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,因而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发泡剂液体中就能制得泡沫。目前普遍认为泡沫中液体析出和气体穿透液膜扩散是导致泡沫衰变的主要因素。换言之,泡沫的稳定性主要取决于液体析出的快慢和液膜的强度,因此可以选择适当的发泡剂,以降低液相的表面张力,增加液膜的强度和弹性;同时加入稳泡剂,提高泡沫稳定性。2.1.3阳离子表面活性剂对发泡剂稳定性的影响稳泡剂一般为胶类物质。胶类分子在水溶液中,可使其溶液在流动时产生较大的内部磨擦,使溶液有较高的黏度。尹冰等人通过试验对十二烷基苯磺酸钠(LAS)、十二烷基硫酸钠(SDS)和明胶这三种稳泡剂进行复配改性,并对复配发泡剂的稳定性能进行了分析研究,结果表明,这三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。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。正负表面活性剂在适当条件下混合有可能具有比单一表面活性剂更高的表面活性。2.2其他材料2.2.1土的抗压强度水泥是泡沫混凝土产生强度的主要胶凝材料,其掺加量多少和水化后的抗压强度决定了泡沫混凝土的抗压强度,掺加量越高,泡沫混凝土抗压强度越高;水泥强度等级越高,泡沫混凝土抗压强度越高。泡沫混凝土是一种大水灰比的流态混凝土,为防止产生沉降和泌水,弥补干缩大的特点以及提高混凝土早期强度,宜采用高强度等级早强硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或铁铝酸盐水泥。2.2.2粉煤灰掺量对泡沫混凝土性能的影响粉煤灰具有火山灰效应,它可以使不利的Ca(OH)2转化为有利的C-S-H组分。粉煤灰还具有形态效应,它可以改善集料的级配、流动性又可以增加混凝土的密实性。E.P.Kearsley和P.J.Wainwright曾对大掺量粉煤灰代替水泥后泡沫混凝土的性能进行大量试验,试验结果表明,当粉煤灰代替水泥量质量分数达67%时,虽然使泡沫混凝土的早期强度减少,但却能增加后期强度。最终的强度比同等级的普通混凝土强度要高。并建立了干密度和粉煤灰取代率为变量的强度公式,但是对于密度低的泡沫混凝土,渗透力随粉煤灰的掺量增加而明显增大,而泡沫混凝土的气孔率和透水性与粉煤灰的类型和掺量无关。泡沫混凝土的绝干密度取决于孔隙率,对于高掺量的粉煤灰泡沫混凝土,孔隙率和龄期对抗压强度影响很大,不同的密度等级有相应的粉煤灰取代水泥的最优比例,一些推导公式已经有效预测了其强度发展变化。2.2.3石膏与石膏的配比石灰的主要作用是向泡沫混凝土提供SiO2,使之在水热条件下与硅质材料中的SiO2、Al2O3作用生成水化硅酸钙与水化铝酸钙,从而提高泡沫混凝土的强度。石灰水化放出大量的热量还可以促进泡沫混凝土较快的硬化,其最佳用量一般在10%~15%之间。石膏在胶凝材料组分中起激发剂作用,随着石膏掺量的增加,泡沫混凝土的早期强度会快速增加,当超过一个定值后强度反而会降低,其最佳用量一般3%~4%左右。砂子在泡沫混凝土中主要起填充作用,同时砂子的加入有利于提高硬化泡沫混凝土的体积稳定性。2.2.4颗粒矿物颗粒依据对泡沫混凝土的质量要求,决定是否采用集料,常用的轻质集料有:膨胀珍珠岩、硅石粉、轻质陶粒、浮石、炉渣、EPS颗粒等。与普通混凝土相比,使用低密度的集料会明显提高泡沫混凝土的抗压强度,因为要达到设计的材料密度只需在水泥基体中引入少量的气泡,用较轻集料比用较重集料可以获得更致密的结构。2.3配合物对泡沫混凝土性能的影响为了满足泡沫混凝土的和易性及某些特殊性能的要求,泡沫混凝土中必须加入不同种类的外加剂,如掺膨胀剂以减少收缩裂缝;掺纤维材料以提高抗拉强度;用有机物对其进行表面浸渍聚合以提高强度和降低吸水性;掺适量骨料以减小收缩;掺粉煤灰后加入一些激发剂来加快强度发展。赵云雁研究出无机早强剂CaCl2、Na2SO4与三乙醇胺对泡沫混凝土的抗压强度有明显的促进,非常适合做泡沫混凝土的早强激发剂。Kearsley等研究了合成纤维对泡沫混凝土裂纹形成和抗压强度的影响。试验结果表明纤维的加入可以提高泡沫混凝土的抗裂强度。3泡沫混凝土的生产工艺3.1泡沫混凝土的制备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剧烈搅拌预制泡沫。制泡过程是首先打开搅拌机,然后加入一定浓度的泡沫剂水溶液,搅拌时间以泡沫达到均匀、细小、稳定为准,容积2m3的打泡机制泡时间大约为5min左右。此法预制的泡沫若当时用不完,过一段时间就会自己破灭,造成浪费。国外多用压缩空气法生产泡沫混凝土,制泡过程是首先将一定浓度的泡沫剂溶液注入料仓内,然后开动气泵,在达到设定的压力后气泵自动停止,打开开关后气泡将自动喷出,可以连续供泡。此法发泡效率高且可以将泡沫直接吹入搅拌好的水泥浆中,更好地防止了中间环节导致的泡沫破灭。3.2复合膜工艺下发泡剂的制备泡沫混凝土制品的加工生产流程是先将水泥、集料、掺合料、外加剂和水按配合比搅拌均匀然后将泡沫加入进行搅拌,拌和均匀后再倒入模板内,低幅震动抹平,养护脱模即可。其生产工艺分为:发泡工艺,即将发泡剂与水混合,在发泡机的高速搅拌下形成均匀细小泡沫的过程。搅拌工艺,即将胶凝材料、轻集料和水在搅拌机中混合的过程。混泡工艺,即将发好的泡沫和搅拌好的浆体混合再搅拌的过程。成型工艺,即将混合搅拌后的浆体输送到工地或放入模具中养护的过程。4泡沫混凝土的开发和应用4.1利用干表观密度为复合砂料进行水固结和抗压强度的应用在国外,早在1954年,Valore对多孔混凝土包括泡沫混凝土的组分、物理性能及其应用等方面做了详细的研讨;1967年,McCormick基于固体容积推算的基础上,提出预制泡沫混凝土的试验配合比方法;1971年,法国普罗赛尔多孔混凝土公司在生产多孔混凝土方面,始终在推销拜多赛尔牌材料(泡沫混凝土);1998年,Durack和Weiqing提出孔隙率与泡沫混凝土凝胶体强度的关系;2001年,Kearsley和Wainwright研究了高掺量粉煤灰对泡沫混凝土强度的影响及其泡沫混凝土的孔隙与渗透特性;Nehdi等人在人工神经网络技术的基础上,提出推测泡沫混凝土的密度和抗压强度的非传统方法。2004年,M.R.Jones和A.McCarthy提出了在泡沫混凝土中利用未经处理的低钙粉煤灰代替砂能明显提高泡沫混凝土的流动性和后期强度,如干表观密度在1000、1200kg/m3和1400kg/m3时,抗压强度为分别为6.4、7.0MPa和10.2MPa。2006年,E.K.KunhanandanNambiar和K.Ramamurthy提出粉煤灰部分代替砂对泡沫混凝土密度和不同龄期抗压强度的影响,研究了干表观密度在800~1250kg/m3之间的砂-粉煤灰泡沫混凝土,其抗压强度在2.0~13MPa。可见国外主要研究了组成是水泥-砂,水泥-砂-粉煤灰的泡沫混凝土的性能。近年来,美国、英国、荷兰、加拿大等欧洲国家以及日本、韩国等亚洲国家,充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。主要应用有:(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减少了对岸墙的侧向荷载,也可降低垂直荷载。这是因为泡沫混凝土作为一种黏结性能良好的刚性体,它并不沿周边对岸墙施加侧向压力,沉降降低了,减少了维修费用,从而节省很多开支,既经济又适用。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,减轻重量,从而就降低了影响边坡稳定性的作用力。(2)修建运动场和田径跑道使用排水能力强的可渗性、密度等级为800~900kg/m3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0.05m厚的多孔沥青及塑料层,则可作田径跑道用。(3)用作夹芯构件采用密度等级为400~600kg/m3的泡沫混凝土作为预制钢筋混凝土构件的内芯,使其具有轻质高强隔热的良好性能。(4)管线回填地下废弃的油柜、管线(内装粗油、化学品)、污水管及其他容易导致火灾或塌方的空穴,采用密度等级为600~1100kg/m3的泡沫混凝土回填可解决这些后患。(5)用作复合墙板通常采用密度为600kg/m3的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。(6)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。一般采用密度为800~1200kg/m3的泡沫混凝土。(7)储罐底脚的支撑将泡沫混凝土浇筑在装有粗油、化学品钢储罐底脚的底部,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应力状态,同时凸形地基也易于清洁。(8)贫混凝土填层由于泡沫混凝土具有很大的工作度及适应性,可使用于可弯曲的软管,经常用于贫混凝土填层。(9)其他泡沫混凝土也可用于防火墙的绝缘填充、隔声楼面填充、隧道衬管回填以及供电、水管线的隔离等方面。4.2利用泡沫混凝土回填灌浆或利用其基近年来,随着我国限制黏土砖的使用与建筑节能政策的实施,建筑节能材料备受欢迎。泡沫混凝土因具有大量封闭气泡,密度小、保温隔热性能好、耐火性强、生产施工方便、可大量利用工业废渣,在节能墙体中占有一席之地。同时,泡沫混凝土以其良好的特性,在其他方面也获得了应用。但是我国在泡沫混凝土方面的整体利用水平并不是很高,和国外相比有一定的差距。我国的具体应用情况如下:(1)泡沫混凝土砌块广东省江门市质检所研制的蒸压泡沫混凝土砖是一种新开发生产的新型环保和节能墙体材料,在国内目前尚属首创。泡沫混凝土砌块尺寸规格,加工性能好,可钉钉、钻切打孔等。另外,采用泡沫混凝土砌块作为墙体填充材料,可以大幅度减轻结构自重,从而减少桩的数量或桩孔直径,减少工程造价或增加建筑物的高度,有很好的应用前景。(2)泡沫混凝土轻质隔墙板中国建筑材料科学研究院采用GRC隔墙板生产工艺结合固体泡沫剂和泡沫水泥的研究成果,开发出了粉煤灰泡沫水泥轻质墙板的生产技术,在保持GRC轻质墙板使用效果的基础上,降低了生产成本,改善了浆体的流动性,具有良好的技术、经济和环境效益。(3)泡沫混凝土补偿地基建筑物的不均匀沉降会导致大量裂缝的产生,因此,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。由于建筑物群各部分自重的不同,在施工过程中将产生自由沉降差,在建筑物设计过程中要求在建筑物自重较低的部分其基础须填充软材料,作为补偿地基使用,泡沫混凝土能较好地满足补偿地基材料的要求。(4)现浇屋面泡沫混凝土保温层泡沫混凝土属于节能型保温材料,用于屋面保温层的泡沫混凝土采用密度等级为200~1000kg/m3,其做法是将保温层、找坡层和找平层三道工序一起施工,从而简化屋面构造层数,施工简便,整体热工性能好。由于泡沫混凝土具有良好的吸水及保水性能,在房屋屋面构造中,在其吸收水分后不断向屋面结构层和防水层提供水源,易造成屋面渗漏。这也是有待解决的一个问题。(5)泡沫混凝土在回填灌浆中的应用据王武祥介绍泡沫混凝土在山西引黄工程连结段穿管回填灌浆中的试验研究及现场施工情况来看,采用的泡沫混凝土的密度等级为1200kg/m3,并采用普通混凝土生产和泵送设备,一次回填泡沫混凝土220m3,泵送距离250m,回填长度40m。检验结果表明,泡沫混凝土基本填满了整个洞穿管与遂洞间的孔隙。抗压强度达2.0MPa,满足设计要求。与普通混凝土相比,采用泡沫混凝土回填灌浆具有施工简便、回填速度快、回填充实度高、管道上浮力小、综合成本低等特点。(6)泡沫混凝土在地铁隧道减荷中的应用现浇泡沫混凝土目前在高速公路加宽扩建工程中已逐步推广应用,但应用于广州地铁三号线与快速路的重叠区尚属首次,该工程用现浇泡沫混凝土对路堤进行了减荷处理,抽芯试验结果表明,现浇泡沫混凝土在地铁隧道减