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泡沫混凝土研究进展摘要：泡沫混凝土作为一种保温节能的建筑材料，在各领域得到广泛应用。而由于它的不燃性，越来越受到全社会的认知和重视。本文综述了泡沫混凝土的原材料及生产工艺，总结了国内外泡沫混凝土的最新应用进展，并提出了目前泡沫混凝土研究中存在的不足。关键词：泡沫混凝土；原材料；生产工艺；应用；研究进展0引言泡沫混凝土是通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。泡沫混凝土是一种新型的节能环保型建筑材料，国内外学者对其做了大量的研究开发，使其广泛应用于墙体材料中，但其还存在一定的缺陷，如强度偏低、开裂、吸水等，因而要进一步扩大其应用领域还需在发泡剂、配合比、工艺流程、设备等方面做更进一步的研究。泡沫混凝土是混凝土大家族中的一员，近年来，国内外都非常重视泡沫混凝土的研究与开发，使其在建筑领域的应用越来越广。1泡沫混凝土的原材料泡沫混凝土的基本原材料为水泥、石灰、水和发泡剂。为改善泡沫混凝土的性能，也可在此基础上掺加一定量的活性掺合料、骨料、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。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。1.2发泡剂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。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。1.3活性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。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，但过多的掺量反而会降低强度。1.4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。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。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。2泡沫混凝土的生产工艺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。2.2发泡方法采用预制泡沫混合法制备泡沫混凝土时首先需通过机械方法制出泡沫，目前国内外发泡技术主要有高速搅拌制泡和压缩空气制泡两种方式。国外多采用压缩空气制泡，该方法是利用压缩空气将发泡剂溶液穿过一个特制的发泡筒，在发泡筒内的混合室中进行混合发泡，然后由压缩空气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。发泡筒内分别采用磁片、玻璃球或铜网等。这种方法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，更好地防止泡沫破灭。此外，该方法是料浆搅拌和发泡同时进行，需要多少泡沫就发多少，不存在过剩问题。而国内目前主要采用高速搅拌机通过搅拌叶片高速搅拌制取泡沫，然后用器皿量取发好的泡沫，倒入水泥浆搅拌机中拌制成泡沫混凝土。这种制泡方法存在许多不足。首先，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，该环节导致部分泡沫破灭。其次，该方法的特点是必须先发泡，然后才能使用，过剩的泡沫过一段时间会破灭，造成浪费。2.3拌合物的和易性由于泡沫混凝土拌合物不能承受压力或振动，因此新拌泡沫混凝土应具有高流动性和自密实性。泡沫混凝土拌合物的粘聚性和稳定性，与用水量、泡沫用量，以及砂的用量或填料的类型和用量有关；其中，发泡剂与化学外加剂、轻质填料及增强纤维等之间的适应性尤为重要；此外，泡沫混凝土生产需有效解决搅拌中、运输中和泵送中存在的问题。预拌泡沫混凝土浆体的粘聚性主要取决于集料或填料类型、颗粒形状和尺寸，如用等量的细粉煤灰替代砂时，粉煤灰的掺入会影响泡沫的稳定性，为了达到设计的密度，需要加大泡沫的用量，但拌合物粘聚性及流动性将会随着泡沫量的增加而降低，尚需进一步调整用水量来满足拌合物的稳定性及粘聚性。2.4养护制度在泡沫混凝土浇灌入模硬化后，可观察到明显沉陷和坍陷现象。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。3泡沫混凝土的应用泡沫混凝土独特的结构特性赋予其优异的热工性能及使用功能，日本、美国、英国、荷兰、加拿大、韩国等国家将它广泛应用于各种土木工程建设及其构件制作，并不断扩大应用领域。我国在建(构)筑领域和功能型建筑制品生产方面也在越来越广泛地使用泡沫混凝土。3.1泡沫混凝土制品1）泡沫混凝土砌块泡沫混凝土砌块通常作为框架结构的填充材料使用，密度一般选用900~1200kg/m3。泡沫混凝土砌块主要作为保温隔热型墙体材料使用，利用其质量轻、导热系数小、防火、抗冻性好、施工方便等优点。2）泡沫混凝土轻质板材中国建筑材料科学研究总院结合泡沫水泥研究成果，采用GRC隔墙板生产工艺，开发出了粉煤灰泡沫水泥轻质墙板生产技术，并得到了应用。国外通常采用密度为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。3.2保温隔热材料利用泡沫混凝土保温隔热性良好、现场施工便捷等特点，将其应用于保温隔热工程。此类泡沫混凝土密度一般为300kg/m3~600kg/m3。国外通常采用密度为400kg/m3~600kg/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。1）屋面保温隔热层密度在300kg/m3~700kg/m3范围内的泡沫混凝土主要用于屋面保温，800kg/m3~1200kg/m3的泡沫混凝土主要用于屋面隔热层。生产施工企业分布在广东、江苏、福建、云南、山东、安徽、浙江、江西、四川、河南、北京、宁夏等省区，已形成一定的行业规模，年使用量超过100万立方米。我国正在制定行业标准《屋面保温隔热用泡沫混凝土》。2）充填式自保温砌块绝干密度在200kg/m3~1100kg/m3之间的泡沫混凝土，其导热系数与绝干密度之间具有良好的相关性(R2=0.9894)，呈幂函数关系。绝干密度为(240±20)kg/m3的泡沫混凝土适宜作为砌块填充保温材料，导热系数小于0.050W/(m·K)，抗压强度大于0.25MPa。利用泡沫混凝土填充砌块孔洞，可显著提高砌块墙体的热阻值。砌块平均热阻增幅取决于混凝土基材导热系数、砌块结构(孔洞排数、壁厚和肋厚、孔洞排列)、填充孔洞排数等。直接采用轻骨料混凝土制备190厚单排孔砌块，再在孔洞中填充泡沫混凝土，用其砌筑外墙可满足我国夏热冬冷和夏热冬暖地区建筑节能要求。3）地板采暖绝热层通常采用密度为250kg/m3~550kg/m3的泡沫混凝土作为绝热层。密度为(300±50)kg/m3的泡沫混凝土，抗压强度要求大于0.6MPa，导热系数小于0.07W/(m·K)；密度为(400±50)kg/m3的泡沫混凝土，抗压强度要求大于1.0MPa，导热系数小于0.09W/(m·K)；密度为(500±50)kg/m3的泡沫混凝土，抗压强度要求大于1.2MPa，导热系数小于0.12W/(m·K)。利用泡沫混凝土作为地板采暖绝热层在我国寒冷地区和严寒地区已广泛使用。3.3填充和回填1）大体积回填与普通混凝土相比，采用泡沫混凝土回填具有施工简便、回填速度快、充实度高、管道上浮力小、综合成本低等特点。2）管线填充国外通常采用密度等级为600kg/m3~1100kg/m