泡沫混凝土基本理論研究

　　【摘要】泡沫混凝土是利用物理方法制備泡沫，再將泡沫加入到膠凝材料、粉煤灰、填料、水及各種外加劑組成的料漿中，經(jīng)攪拌、澆注成型、養(yǎng)護(hù)而成的多孔輕質(zhì)材料。由于泡沫混凝土中含有大量封閉孔隙，所以有輕質(zhì)、保溫、隔熱、耐火及隔音的性能?，F(xiàn)如今泡沫混凝土是混凝土大家族中的一員，近年來，國內(nèi)外都非常重視泡沫混凝土的研究與開發(fā)，使其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。泡沫混凝土是一種內(nèi)部含有大量細(xì)小、封閉、均勻分布?xì)饪椎亩嗫仔圆牧?，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、隔熱保溫、防火、隔音、抗水減震等特性。普遍應(yīng)用于高層建筑墻體制作、保溫和襯墊等工程中。

　　【關(guān)鍵詞】泡沫混凝土 多孔材料 外加劑 建筑領(lǐng)域

　　1  泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

　　泡沫混凝土制品是由許許多多大小不等的氣孔和氣孔壁組成的結(jié)合體。氣孔由泡沫在料漿中形成，并在硬化過程中固定在混凝土中。孔間壁系由水化產(chǎn)物、未反應(yīng)的材料顆粒和孔間壁內(nèi)的孔隙組成。孔隙的存在，既改變了制品的密度，又影響了制品的強(qiáng)度。同時(shí)，也提高了制品的保溫性和抗凍性。泡沫混凝土從宏觀上看是由氣孔和孔壁組成的，硅鈣質(zhì)泡沫混凝土的孔壁包含大小不等的硅質(zhì)材料微粒、參與反應(yīng)后剩下的殘核和水泥粒子尚未水化完畢的部分。在這些物料固體顆粒之間，匯集大量的水化產(chǎn)物和形狀、大小不同的微孔或縫隙，并形成一個(gè)由硅質(zhì)材料顆粒組成的骨架，水化硅酸鹽膠體和結(jié)晶體黏附在其周圍，包括有各種微小孔隙等缺陷的不均質(zhì)固液氣三相堆聚的結(jié)構(gòu)。在氣孔壁的結(jié)構(gòu)中，各種材料和物料之間，不僅是物料顆粒間的直接接觸或者機(jī)械嚙合，而且還有在高壓、高濕、高熱條件下，各物料之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成的更為堅(jiān)硬水化產(chǎn)物的結(jié)合。這也是氣孔壁能承受外力作用的最主要的原因。泡沫混凝土在大泡沫量的情況下，雖孔隙率非常高，但仍有比較理想的使用強(qiáng)度，可滿足各種需要。它的強(qiáng)度主要來自膠凝材料自身產(chǎn)生的膠凝作用。它所用的膠凝材料一般要求膠凝作用強(qiáng)，特別是高孔隙率產(chǎn)品，所以一般以大摻量的高標(biāo)號水泥、含量80%～85%的鎂水泥為膠凝材料，在低泡沫摻量時(shí)也可使用高強(qiáng)石膏。如果膠凝材料的胺凝作用不強(qiáng)，泡沫混凝土的強(qiáng)度就無法保證。對膠凝材料的技術(shù)要求有三個(gè)：一是膠凝材料的大摻量，一般要大于50%；二是高膠凝力；三是早強(qiáng)性好，凝結(jié)快。

　　水泥作為主要的鈣質(zhì)材料在泡沫混凝土中使用時(shí)，它是泡沫混凝土料漿中Ca(OH)2的主要來源。水泥的凝結(jié)硬化作用使泡沫混凝土料漿逐漸稠化并最終凝結(jié)硬化形成坯體，水泥施放出來的 Ca(OH)2與硅質(zhì)材料中的SiO2和Al2O3，反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化硅酸鋁，水泥在泡沫混凝土獲得強(qiáng)度方面起著重要的作用。砂子作為細(xì)集料，它是泡沫混凝土中SiO2的主要來源，在與水泥水化過程中的Ca(OH)2與細(xì)砂中的SiO2和Al2O3反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化硅酸鋁，形成泡沫混凝土的“骨架”，在泡沫混凝土起著重要的作用。利用細(xì)砂生產(chǎn)的泡沫混凝土用水量小，所以泡沫混凝土的強(qiáng)度比較高，干燥收縮比較小，泡沫混凝土不易開裂等特點(diǎn)。

　　2 泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)

　　泡沫是形成泡沫混凝土的基礎(chǔ)，所以發(fā)泡劑的質(zhì)量會直接影響泡沫混凝土的質(zhì)量。泡沫的穩(wěn)定性好，泡沫液膜堅(jiān)韌，機(jī)械強(qiáng)度好，不易在漿體擠壓下破壞或過度變形。另外，它有良好的自我保水性，液膜上的水分不易在重力作用及表面張力作用下流失，可長時(shí)間保持泡沫液膜的厚度和完整性，從而可使泡沫長時(shí)間不破滅。泡沫的均勻性好，泡沫的泡徑基本相近，泡徑范圍小。泡沫的泌水率小，泡沫自制成后，向外逐漸泌水量少，很好的保證泡沫中的氣泡數(shù)量和泡沫混凝土的氣孔率。羥丙基纖維素和化工原料甲酸鈣，主要是控制泡沫混凝土的粘度、水化速度和保水性能，由于細(xì)砂的比重比較大，不易在泡沫混凝土形成均勻體，容易離析沉降，通過加入該材料，可以保證泡沫混凝土在短時(shí)間內(nèi)水化，混凝土不離析，不塌模。

　　在原材料中除膠凝材料外，泡沫的質(zhì)量對泡沫混凝土的影響也是至關(guān)重要的。泡沫是一個(gè)個(gè)氣泡組成的聚集體。氣泡不等于泡沫，但可組成泡沫。泡沫的形成是先形成單個(gè)氣泡，再由穩(wěn)定的單個(gè)氣泡組成泡沫。這些獨(dú)立的封閉的氣泡對泡沫混凝土的保溫性、隔音性、抗震性等方面有顯著的體現(xiàn)?；炷翆饪椎闹饕夹g(shù)要求有六個(gè)方面：

　　(1)氣孔必須是封閉性的，而不是連通性的泡沫混凝土目前的主要用途是保溫隔熱，具有良好的保溫性和隔熱性，失去這個(gè)性能其應(yīng)用價(jià)值會大大降低，這就要求它的熱導(dǎo)率和傳熱系數(shù)均很低，且越低越好。封閉性氣孔由于空氣不流通，熱量不會以空氣為載體流失，因而熱導(dǎo)率就非常低，保溫隔熱性優(yōu)異。而連通孔可使空氣透過，形成空氣的流動(dòng)而帶走熱量，降低了保溫性和隔熱性，也就不保溫、不隔熱。因此，為保持泡沫混凝土保溫隔熱的技術(shù)特點(diǎn)，它的氣孔形態(tài)必是封閉的、不連通的。

　　(2)氣孔的形狀應(yīng)接近于球形，變形不能太大   泡沫在料漿中受到物料的擠壓產(chǎn)生一定的變形，不會再保持非常規(guī)矩的正圓球形。但由于泡沫質(zhì)量的不同，這一變形會有很大的差別，機(jī)械強(qiáng)度較好的優(yōu)質(zhì)泡沫，由于可抵抗較大的擠壓力，變形很小，基本上仍保持宏觀的近似球形。那些機(jī)械強(qiáng)度較差的劣質(zhì)泡沫，抵抗不了物料的擠壓力，就會變形很大而不能形成近似的球形。物體的形狀越圓滑，受力就越均勻，抗壓力就越大。若氣孔不是近似的球形，那它的抗壓力就很低，整個(gè)混凝土的抗壓強(qiáng)度也隨之降低。因此，要盡量提高泡沫的機(jī)械強(qiáng)度，使用穩(wěn)定性好的優(yōu)質(zhì)泡沫，使之形成圓球形的氣孔，以提高泡沫混凝土的強(qiáng)度。

　?。?）氣孔應(yīng)大小均勻  氣孔的均勻性對泡沫混凝土的強(qiáng)度影響也非常大。氣孔越均勻，泡沫混凝土的強(qiáng)度就越好。這是因?yàn)?，?dāng)泡沫混凝土受壓時(shí)，壓應(yīng)力最容易向大孔集中，導(dǎo)致大孔破裂。一個(gè)個(gè)破裂的大孔貫穿，就形成了泡沫混凝土的裂縫。當(dāng)氣孔大小一致時(shí)，各個(gè)氣孔可以均勻受力，壓力分散于各個(gè)氣孔而不會集中。而當(dāng)氣孔大小不均時(shí)，大孔受力就大，而小孔受力就小，這樣，應(yīng)力就會集中到大孔上，所以，大孔往往比小孔先破裂。

　　提高泡沫混凝土的強(qiáng)度，保持氣孔的均勻性是重要的技術(shù)措施。

　?。?）氣孔尺寸不能太大  在泡沫混凝土的孔隙率相同時(shí)，孔徑小的泡沫混凝土的強(qiáng)度明顯高于孔徑大的。因此，泡沫混凝土的強(qiáng)度與孔徑成反比。在一般情況下，孔徑每增大1mm，泡沫混凝土的強(qiáng)度就下降15%～20%;所以，泡沫混凝土的孔徑不宜超過1mm，大多應(yīng)在0.1～1mm之間。歷來的研究都有相同的結(jié)論：泡沫混凝土大于1mm的氣孔已屬于有害孔，這種大孔越多，泡沫混凝土的力學(xué)性能就越差。泡沫混凝土應(yīng)嚴(yán)格控制孔徑，不要使它大于1mm。即使必須使用大孔泡沫混凝土?xí)r，孔徑也應(yīng)小于3mm。有些讀者認(rèn)為氣孔越大，泡沫棍凝土的密度越小，這是不對的。密度與氣孔的大小無關(guān)，小孔數(shù)量多，也同樣可實(shí)現(xiàn)低密度，而強(qiáng)度卻能保持較高的水平。

　　(5)孔隙率應(yīng)與強(qiáng)度相適應(yīng)   孔隙率與密度及強(qiáng)度都有直接的關(guān)系，并產(chǎn)生雙重影響?？紫堵试礁撸芏仍叫?，但強(qiáng)度也越低。強(qiáng)度與密度成正比，二者基本是一致的，強(qiáng)度隨密度而下降，密度隨孔蹤率而下降。在低密度的情況下就不可能會有高強(qiáng)度?？紫堵屎兔芏葢?yīng)該與強(qiáng)度相適應(yīng)，二者應(yīng)統(tǒng)一考慮。為了保證一定的強(qiáng)度要求，就不能一味的為降低密度而提高氣孔率。

　?。?）孔間壁應(yīng)薄而密實(shí)，機(jī)械強(qiáng)度高  泡沫混凝土完全依靠孔間壁的支撐作用產(chǎn)生強(qiáng)度，它們是強(qiáng)度的主要來源。同時(shí)，孔間壁又影響密度，它越厚則密度越大?？组g壁薄則泡沫混凝土密度低，孔間壁高強(qiáng)則泡沫混凝土的強(qiáng)度也高。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，孔間壁應(yīng)該密實(shí)度高些，壁內(nèi)孔隙要少，最好沒有。孔間壁應(yīng)以膠凝材料的水化產(chǎn)物為主體，水化產(chǎn)物越多越好，沒有反應(yīng)完全的顆粒越少越好，選用優(yōu)質(zhì)高標(biāo)號膠凝材料，并使用增強(qiáng)劑，濕熱養(yǎng)護(hù)，并少加填充料。

　　由這些氣泡形成的泡沫具有其液膜堅(jiān)韌、機(jī)械強(qiáng)度好，不易在漿體擠壓下破滅或過度變形。另外，它有自我保水性，液膜上的水分不易在重力作用及表面張力作用下流失，可長時(shí)間保持泡辣液膜的厚度和完整性，從而可使泡沫長時(shí)間存留而不破滅。在漿體初凝后被固定在泡沫混凝土內(nèi)，形成氣孔。假如泡沫穩(wěn)定性不好，則大部分或少部分泡沫在澆注后破滅，形成的氣孔很少，甚至在澆注后不久就使?jié){體塌陷，即俗稱塌模，造成澆注完全失敗。液膜在漿體內(nèi)不易破裂，不易形成因破裂后氣體的串通所形成的連通孔。因此，它最終形成的是理想的封閉孔。泡沫穩(wěn)定性越差，封閉孔就越少，而連通孔則越多。因此，泡沫的穩(wěn)定性不能僅僅以澆注后不塌陷為標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)該以澆注后不塌陷、最終形成的氣孔近似球形、互不連通。

　　3  泡沫混凝土的基本工藝

　　泡沫混凝土生產(chǎn)的基本工藝流程是將水泥、砂子、外加劑和水分別計(jì)量，攪拌混合，然后加入制成的泡沫通過混合室攪拌均勻，注模、預(yù)養(yǎng)護(hù)、脫模、養(yǎng)護(hù)得到成品。自然養(yǎng)護(hù)的砌塊，拆模后應(yīng)堆放起來繼續(xù)硬化，并灑水養(yǎng)護(hù)28d為至。泡沫混凝土制作的技術(shù)關(guān)鍵主要是掌握好發(fā)泡劑、水泥、外加劑、水的用量，泡沫混凝土單位體積質(zhì)量，泡沫劑和外加劑的選用及其與其它材料的相互關(guān)系。

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　　【作者簡介】第一作者彭康,男,1985年11月生，擔(dān)任易能科技有限公司技術(shù)部經(jīng)理。

作者：尹哲學(xué) 彭康?。ǔＶ菀啄芸萍加邢薰荆?/FONT>