泡沫混凝土的研究进展

中国矿业大学力学与建筑工程学院《土木工程科研创新》报告书第页泡沫混凝土的研究进展陈骏力学与建筑工程学院土木工程11-7班摘要：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，越来越受到人们的重视，并在各领域得到广泛应用。本文综述了泡沫混凝土的原材料、生产工艺及国内外相关的研究工作，总结了泡沫混凝土在国内外的最新应用进展，并就加强和改善泡沫混凝土的理论研究和实际应用提出了相关建议。关键词：泡沫混凝土；材料，生产工艺；性能；进展ProgressfoamconcreteChenjun(SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMining£Technology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)Abstract:Foamconcreteforitsuniquepropertiesandiswidelyusedinbuildinginsulationinmoreandmorepeople'sattention,andhasbeenwidelyusedinvariousfields.Thisarticlereviewstherawmaterials,productionprocessesandrelatedresearchworkabroadfoamconcrete,foamconcretesummarizesthelatestprogressoftheapplication,andtostrengthenandimprovethetheoreticalstudyandpracticalapplicationoffoamconcretesuggestionsputforward.Keywords:Materials,productionprocesses;foamconcreteperformance;Progress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，13年，国泡沫混凝土的年产量由2008年的500万立方米增加到2800万立方米。我国从2005年开始推行建筑保温节能工程，《民用建筑节能设计标准》中规定，建筑节能要求达到50%，然而目前我国建筑节能达标的建筑不足5%。北京央视大火等重大火灾让人们对保温隔热材料的防火性能的重要性有了重新认识。在这种中国矿业大学力学与建筑工程学院《土木工程科研创新》报告书第页背景下，探讨泡沫混凝土的发展前景意义更加重大。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。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。由于蛋白类发泡剂的突出优点是制出的泡沫特别稳定，可以长时间不消泡，完全消泡时间大多都长于24h，并且发泡倍数也比较满意，所以目前发达国家的发泡剂基本以蛋白类为主。国内发泡剂由于起步较晚，总体上功能偏少、稳定性差，以致所制备的泡沫混凝土制品强度较低。但近年来，国内研究者作了大量研究工作，致力于开发性能优良的发泡剂。利用牛蹄角为主要蛋白质原料,在适量Ca（OH）2和少量NaHSO3存在的条件下，合成出发泡倍数为14、稳泡时间为90min的蛋白类发泡剂。石行波等利用猪蹄粉也成功制备出蛋白类发泡剂，并且采用与矿物材料发泡相结合的新型模式制备出一系列密度（581～772）kg/m3、抗压强度为（3.0～6.0）MPa的泡沫混凝土砌块。利用NaOH和人发水解，再加稀盐酸中和，制备出XK型动物蛋白发泡剂，发泡倍数达到30，稳泡时间为6h，该发泡剂性能优异。还有研究了活性污泥蛋白类发泡剂的泡沫稳定性，这种发泡剂是近年来新研制的蛋白类发泡剂品种，它是污水处理厂用化学方法处理污水剩余污泥而得到的，具有优良的发泡性能。将质量中国矿业大学力学与建筑工程学院《土木工程科研创新》报告书第页浓度分别为3.5%的十二烷基硫酸钠溶液与10%的皂素溶液按体积比3∶7复配，制备出SDS发泡剂，经测试，该复合型发泡剂比单一发泡剂的起泡能力增强，泡沫稳定性提高。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。关于发泡剂的起泡能力和泡沫稳定性问题，研究者做了大量的相关工作。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。通过将三乙醇胺、烷基苯磺酸钠和阿拉伯胶等复配到蛋白类发泡剂中，所得发泡剂溶液的起泡能力和泡沫稳定性都有不同程度的改善。研究了非离子表面活性剂、正离子表面活性剂和水溶性高分子化合物等对阴离子表面活性剂类发泡剂的影响，试验表明它们的掺入都有利于泡沫的稳定。关于发泡剂性能的检测方法，目前为止我国还没有相关的技术标准及规程，因此研究单位和企业都依据自己的情况，采用各自的技术指标和检测方法，所得检测结果缺乏可比性和参考性。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。1.4填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。中国矿业大学力学与建筑工程学院《土木工程科研创新》报告书第页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。1.5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。近来也有研究者做了这方面的相关工作。将农作物秸秆纤维掺加到泡沫混凝土中，并以该泡沫混凝土作为芯材，以磷镁酸水泥或碱矿渣水泥作为结构面板制成三明治结构，来代替现今常用的外墙墙体，取得了明显的节能效果。研究发现掺加聚丙烯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，并通过掺加微硅粉和聚丙烯纤维，制备出抗压强度为10.0MPa~50.0MPa的高强泡沫混凝土。1.6其他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、制备方法2.1制备工艺目前泡沫混凝土的制备主要采用预制泡沫混合法，该法是先通过机械的方法制出泡沫，再将制出的泡沫与搅拌好的料浆拌和，其工艺流程如图2所示。它与加气混凝土最大的区别在于加气混凝土最后是在静停过程中发生化学反应产生气体，硬化后形成气孔。一般情况下，采用预制泡沫混合法制备出的泡沫混凝土拌和物具有良好的流动性，可以进行远距离泵送和现场浇注，也可生产预制品；而加气混凝土则一般只用于生产预制品，能用于泵送和现场浇注。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中国矿业大学力学与建筑工程学院《土木工程科研创新》报告书第页的泡沫，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。3、泡沫混凝土的性能由于泡沫混凝土不使用粗集料，同时含有大量气泡。因此，与普通混凝土相比，泡沫混凝土都表现出许多特殊性能。3.1轻质泡沫混凝土的密度小，其干表观密度在200kg/m3～1600