泡沫混凝土的研究现状与展望

1、混凝土Concrete任先艳,张玉荣,刘才林,杨海君,杨军校(西南科技大学材料科学与工程学院,四川绵阳621010Abstract:The main kinds of foam concrete are mortar materials or cement-based materials without gravel aggregate.As lightweight material ,the foam concrete has the potential of largely using of industrial wastes (such as fly ash ,slag ,coal ga

2、ngue and alumina red mud .This paper de-scribes the present status of research on foam concrete in terms of constituent materials ,preparation methods ,curing system ,properties of fresh and hardened stage ,as well as the problems and the prospects of foam concrete.Key w ords:foaming agent ;foam con

3、crete ;constituent materials ;properties ;applicationPresent status and prospects of research on foam concreteREN Xian-yan ,ZHANG Yu-rong ,LIU Cai-lin ,YANG Hai-jun ,YANG Jun-xiao(School of Materials Science and Engineering ,Southwest University of Science and Technology ,Mianyang 621010,China 摘要:泡沫

4、混凝土的主要品种是砂浆材料或不含砂石集料的水泥基材料,该轻质节能材料同时具有大量利用工业废物(如粉煤灰、矿渣、煤矸石和氧化铝赤泥等的潜质。介绍了泡沫混凝土材料组成、配制方法、养护方法、拌合物性能及硬化泡沫混凝土性能等方面研究现状,以及应用中存在的问题与展望。关键词:发泡剂;泡沫混凝土;组成材料;性能;应用中图分类号:TU528.2文献标志码:A文章编号:1002-3550(201102-0139-03收稿日期:2010-09-06基金项目:四川省科技攻关计划项目(06ZS2102实用技术PRACTICAL TECHNOLOGY0引言泡沫混凝土是将发泡剂产生的泡沫引入砂浆、水泥净浆或水泥-粉煤灰

5、净浆等水泥基材料中,经成型及养护形成的含大量封闭气孔的轻质混凝土。泡沫混凝土具有流动性高、集料消耗少、质量轻,以及保温隔热、防火、隔声、抗震及耐久等优异性能,是当今重点发展的节能环保型材料。使用泡沫混凝土,一般可使建筑物自重降低25%,有些达30%40%,因而在建筑物的内外墙体、屋面、楼面、立柱、墙体填芯等建筑结构中采用泡沫混凝土皆具有显著的经济效益1-3。通常的泡沫混凝土干密度范围为4001600kg/m 3,可由泡沫的用量进行简便调控;若再结合轻质填料的使用,泡沫混凝土密度可降至200kg/m 3左右,结构自重将更轻、隔热和隔音等性能更好;发泡剂的种类、制泡方法、泡沫均匀性,原料组成与配合

6、比,泡沫混凝土生产与养护工艺等是影响泡沫混凝土制品质量的主要因素4-5。本文拟介绍泡沫混凝土的原料组成、配制方法及性能等研究现状,并探讨其发展中存在的问题和展望。1泡沫混凝土配制与生产工艺1.1泡沫混凝土组分材料泡沫混凝土基料是由水泥基胶凝材料(占主要,少数用氧化钙或其他胶凝材料、细集料(砂可用轻质填料全部或部分替换、泡沫、水、外加剂(主要为高效减水剂和纤维等组成,其组分与作用如表1所示1,4,6。有所区别的是粉煤灰、矿渣等掺合料在普通混凝土中是作为胶凝材料组分;但在泡沫混凝土中因它们对早期强度贡献不足,一部分作为胶凝材料组分,另一部分作为集料的取代组分。1.2泡沫混凝土配制方法泡沫的稳定性对

7、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6。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7-8。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

8、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4。1.3泡沫混凝土拌合物的性能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黏泡沫混凝土的研究现状与展望2011年第2期(总第256期Number 2in 2011(Total No.256表1泡沫混凝土基料的组分及其作用主要作用、备选材料或制取方法提高早期强度。缩短凝结时间、提高早期强度。缩短凝结时间、提高早期强度。增加拌合物流动性和黏聚性,降低水化热,以及提高泡沫混凝土后期强度。提高拌合物的黏聚性,降低水化热,以及提高

9、泡沫混凝土后期强度。提高泡沫混凝土后期强度。砂的粒径较小有利于提高泡沫混凝土的强度,砂可由粉煤灰、矿渣、煤矸石、电石渣、氧化铝赤泥、硅粉、石灰粉、石灰石粉、破碎混凝土粉、焚化炉底灰、玻璃再生粉、铸造砂、细矿粉、膨胀珍珠岩、发泡聚苯乙烯颗粒,以及陶粒等填充材料部分或全部替代,起到降低泡沫混凝土的密度、改善孔结构,或者降低成本与利废等作用。调节拌合物黏聚性及稳定性,水含量过低,拌合物黏稠导致泡沫破裂;含水量过高,拌合物过稀而无法与泡沫很好的结合,从而使泡沫与拌合物发生分离,即产生离析。高效减水剂主要作用是提高早期强度(有时也可加入防水剂、缓凝剂、促凝剂等外加剂以满足凝结硬化需求,它在泡沫混凝土中使

10、用可能会使泡沫不稳定,因此,泡沫混凝土中发泡剂与外加剂之间的相容性很重要。提高剪切性能、降低脆性、减轻重量。提高抗压强度及抗折强度,改善韧性,降低早期干缩开裂。提高强度、提高韧性、降低收缩。加压发泡剂溶液通过细小筛孔形成泡沫,泡沫尺寸25mm ,且相对不稳定。向发泡剂溶液施加强约束压缩空气,产生气泡。干泡沫相对稳定,且尺寸小于1mm ,在泡沫混凝土泵送时,泡沫更容易融入基料中。组分材料注:发泡剂掺量不能太大,否则会导致新拌泡沫混凝土的流动性下降、成型后出现沉陷,以及硬化泡沫混凝土强度下降等。胶凝材料集料水外加剂纤维泡沫(预先制泡法早强型普通硅酸盐水泥快硬水泥高铝和高钙硫铝酸盐水泥粉煤灰(取代水

11、泥量30%70%磨细高炉矿渣(取代水泥量10%50%硅粉(取代水泥量10%砂用量受矿物组分和外加剂影响高效减水剂长度12mm 左右超短聚丙烯纤维(13kg/m 3耐碱玻璃纤维高强高弹PVA 纤维湿泡沫干泡沫聚性和稳定性,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黏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,但拌合物黏聚性及流动性将

12、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黏聚性9。1.4泡沫混凝土养护方法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10。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11。2硬化泡沫混凝土性能

13、硬化泡沫混凝土性能主要包括密度、含气率及干缩等物理特性,抗压强度、弯曲强度和拉伸强度、弹性模量等力学性能,吸水性和抗恶劣环境性能等耐久性,以及热绝缘性能、吸声性能和耐火性能等功能特性,详见表2所示4-9。3泡沫混凝土的应用与发展中存在的主要问题与展望目前泡沫混凝土主要应用于砌块、轻质墙板、墙体保温隔热层、夹芯构件、公路回填、隧道回填、地基回填、管线回填、油田固井浇筑、跑道修建、挡土墙与边坡修建及管道保温等;现浇泡沫混凝土可用于生产外墙自保温层、内墙自隔音层、框架填充墙、屋面及地暖保温层等。但泡沫混凝土研究与应用中还存在一些问题,影响其产品设计、质量控制与市场拓展。3.1强度预测泡沫混凝土强度主

14、要取决于它的干密度,当7d 与28d 抗压强度、填料与水泥比,以及新拌混凝土密度一定时,可以计算拌合物组成材料配合比,如:泡沫、水、水泥及粉煤灰用量;反之,可由已知拌合物配合比,预测该批次泡沫混凝土的7d 和28d 龄期抗压强度。典型混合料设计方程如下12:(1“水泥-砂体系”泡沫混凝土:r 0=1655.92-18.283(F/C -17.753(FV f 7d =25.328-5.903(F/C -0.737(FV +0.00474(FV 2+0.120(F/C (FV f 28d =32.342-6.098(F/C -1.004(FV +0.00768(FV 2+0.118(F/C (F

15、V (2“水泥-粉煤灰-砂体系”泡沫混凝土:r 0=1438.536+68.465(F/C -2.629(FA -12.333(FV -22.563(F/C 2-0.098(FV 2+0.038(FA (FV f 7d =23.770-3.669(F/C -0.778(FV +0.00628(FV 2+0.082(F/C (FV f 28d =31.179-6.279(F/C +0.117(FA -1.053(FV -0.00119泡沫混凝土泡沫混凝土为现场浇筑,强度离散性小,残余强度较高(残余强度系数约为0.50.75。较小。介于加气混凝土和普通混凝土之间。浇筑过程中易造成部分气泡的破裂,气

16、泡分布不均匀,基材稳定性较差。吸音性较差、隔音性较好、吸水性较小、抗冻较好。表3泡沫混凝土与加气混凝土性能比较项目强度弹性模量脆性成孔状态与基材稳定性隔音性能、吸音性及吸水性加气混凝土强度受加气混凝土砌块在钢模所处的位置影响较大,离散性较大;残余强度低(残余强度系数约为0.20.5。较大。较大。成孔的质量较高,孔的分布相对均匀,基材相对稳定。吸音性较好,隔音性能较差、吸水性较大。表2硬化泡沫混凝土的主要特性主要特征与密度有关,因集料使用量少,泡沫混凝土干缩超过普通混凝土的10倍以上。粉煤灰较砂抑制干缩的能力弱,一些轻质填料可有效减小泡沫混凝土干缩。泡沫混凝土的孔结构是由凝胶孔、毛细管孔隙及孔隙

17、组成;孔隙率、渗透率和孔隙大小分布影响强度和耐久性;粉煤灰取代砂有助于气孔的均匀分布,可提高泡沫混凝土强度。泡沫混凝土的主要物理性能与干密度相关;用粉煤灰代替砂有助于降低密度,换言之,获得特定密度的泡沫混凝土,因使用粉煤灰可以减少泡沫的用量,从而增加强度。抗压强度主要与基料组成及干密度相关,其次是与砂或填料的类型及粒径分布、水灰比、养护方法,以及发泡剂品种等有关。弯曲强度与抗压强度的比值范围为0.230.35;泡沫混凝土的抗拉强度比相同质量的普通混凝土低,砂作细集料的泡沫混凝土抗拉强度比用粉煤灰取代的高;在不影响新拌混凝土工作性及自密性的条件下,使用聚丙烯纤维可以提高泡沫混凝土的拉伸强度及弯曲

18、强度。泡沫混凝土的静态弹性模量远远低于普通混凝土及轻质混凝土的弹性模量;典型的静态弹性模量范围为1.08.0kN/mm 2(干密度在5001500kg/m 3泡沫混凝土;粉煤灰取代砂会降低弹性模量,适量掺加聚丙烯纤维可将弹性模量提高24倍。一般情况下,泡沫混凝土的吸水率会随着密度的下降而增加,也随着泡沫用量的增加而增大,用粉煤灰取代砂将导致吸水率稍微增加。与普通混凝土比较,泡沫混凝土具有较好的抗冻融性及抗硫酸盐腐蚀性;低密度的泡沫混凝土具有相对较弱的抗碳化性,粉煤灰替代砂抗碳化性更弱;抗氯离子侵蚀性差异不大。隔热性能大致与泡沫混凝土的密度成反比,轻质泡沫混凝土导热系数大致为普通混凝土的5%30

19、%,干密度每下降100kg/m 3,其导热系数下降0.04W/(m K 。普通混凝土趋于转移声音,而泡沫混凝土能吸收声音,泡沫混凝土具有一定的吸声能力。泡沫热导率及热扩散性较低,具有较好的耐火性,且耐火性随密度的降低而提高。项目干缩含气率密度抗压强度弯曲强度和拉伸强度弹性模量吸水性抗恶劣环境性能热绝缘性能吸声性能耐火性能功能特性力学性能耐久性(FA 2+0.00799(FV 2+0.138(F/C (FV 式中:r 0干密度;f 7d 、f 28d 7d 与28d 抗压强度;F/C 砂与水泥比;FA 粉煤灰代替砂的比例;FV 泡沫与泡沫混凝土拌合物的体积比。此外,强度预测模型还有“强度-孔隙”

20、模型和“强度-胶孔比”模型等13。上述预测泡沫混凝土强度及密度的均属于经验模型,主要以配合比、粉煤灰取代量,以及泡沫用量为参数。目前尽管针对给定混凝土的密度和强度要求,提出了许多配料方法和准则,但并没有一个配合比标准适用于泡沫混凝土配制4。3.2料浆稳定性及硬化收缩问题泡沫混凝土存在着料浆稳定性差、硬化后气泡不均匀、强度低、收缩大、易开裂、易吸水,以及韧性较差等问题,限制了它的广泛应用。解决方案包括:选择适宜的配合比,并使用高效减水剂,以提供成型所需的流动性及提高混凝土早期强度。采用优质发泡剂。掺加纤维,纤维在泡沫混凝土中形成无规则的支撑结构起保护泡沫作用,泡沫与料浆混合搅拌时,破裂较少,料浆

21、稳定性提高,既有利于降低泡沫混凝土密度,又能节省泡沫用量;同时纤维还可以使孔结构得到改善,孔径减小,孔形更圆;掺加纤维对泡沫混凝土的干缩有较好的抑制作用,对抑制早期干缩的效果尤为明显。加强泡沫混凝土的早期养护,优化养护制度、加强早期保水措施。此外,为降低泡沫混凝土收缩、防开裂和降低吸水性,可采取掺加适量膨胀水泥、憎水剂等措施。3.3吸水性偏大及吸声性不足的问题一般干密度为3001000kg/m 3的泡沫混凝土的体积吸水率达10%30%、质量吸水率达10%50%,且吸水率随干密度的降低或引入气泡量的增大而增加,更容易引起冻融现象,影响泡沫混凝土的使用效果及应用领域。降低泡沫混凝土吸水率的技术措施

22、有多种,如掺加憎水剂、在表面涂覆防水材料,以及对掺入材料进行表面处理(如对加入的多孔材料进行表面“包裹”,而使其孔隙与浆体“隔绝”,从而减少吸水率8,14。泡沫混凝土的闭孔结构会影响吸音性,多孔填充材料的使用能使泡沫混凝土的吸声性能有所改善,如膨胀珍珠岩复合的泡沫混凝土随着珍珠岩掺量的增加,吸声性能有所提高,中高频的吸声系数提高近80%,但在低频(500Hz 以下的吸声性能还是较低14。下转第144页图5混凝土输送管道竖直布置 图(2通过优化设计后的超高压-低阻力混凝土输送管道,可以提高高强高性能混凝土的泵送效率,延长混凝土泵送设备易损件的使用寿命以及降低输送管道的沿程压力损失,降低高强高性能

23、混凝土泵送过程中堵管、爆管现象的发生。参考文献:1冯乃谦.混凝土技术新进展J.建筑机械,1999(3:37-40.2冯乃谦.高性能混凝土的发展与应用J.施工技术,2003,32(4:1-6.3马宝国,彭观良,胡曙光,等.泵送混凝土可泵性的评价方法浅探J.山东建材,2000(5:1-4.4JGJ/T 1095,混凝土泵送施工技术规程S.作者简介:刘光荣(1978-,男,从事工业与民用建筑研究。单位地址:广州市天河区科韵路16号广州信息港B 座5楼(510665联系电话过深入研究泡沫混凝土的亚微观结构及其分布状况、探索复合泡沫混凝土吸声机理,再针对性地采取措施去改善低频

24、吸声性能。3.4泡沫混凝土与加气混凝土的性能比较泡沫混凝土与加气混凝土这两类优质的新型墙体材料,均具有无数细小、独立、分布均匀的气孔结构,硬化混凝土性能对比如表3所示,既相似,也有所差异15。与加气混凝土相比,泡沫混凝土的强度离散性较小、弹性模量较小、塑性较好。3.5展望泡沫混凝土的抗压强度主要取决于干密度。湿密度不同的泡沫混凝土,抗压强度与水灰比无关;湿密度相同的泡沫混凝土,抗压强度随水灰比的提高而降低。我国泡沫混凝土生产的核心技术发泡剂与发泡机产品,目前还没有国家标准或建材行业标准,只有差异性较大的企业标准,从而导致产品质量参差不齐。此外,有效控制泡沫混凝土成本、建立稳定的生产工艺,以及兼

25、顾降低密度与提高强度等,是提高我国泡沫混凝土制品综合竞争力的关键。4结语掺加合适的纤维及高效减水剂、调整含气量与水灰比,可有效平衡泡沫混凝土的工作性能、密度、强度、耐久性及成本等之间的关系。泡沫混凝土拌制浆体中泡沫的稳定性尤为重要,其影响硬化泡沫混凝土微孔结构,包括微孔大小与分布、连通孔与总孔隙的比率等,进而影响泡沫混凝土抗冻融性、耐火性、吸水性和导热性等。此外,配制泡沫混凝土还须重点考察发泡剂、化学外加剂、轻质填料及增强纤维等组分材料之间的适应性。当今我国的泡沫混凝土制品和国外相比,整体规模偏小、技术水平不高,以及缺少大宗应用的主导产品。坚信随着我国发泡剂与发泡机的产品技术进步,国家或建材行

26、业标准的建立,以及施工技术的改进与完善,加之泡沫混凝土材料本身具有的众多功能优势与低碳经济的国际发展趋势,我国的泡沫混凝土市场前景将更加广阔。此外,用泡沫混凝土取代目前使用的泡沫塑料作为防火保温材料,是其一个新的市场增长点。参考文献:1李楠.防水隔热泡沫混凝土的研究与应用J.国外建材科技,2006,27(4:9-13.2周明杰,王娜娜,赵晓艳.泡沫混凝土的研究和应用最新进展J.混凝土,2009(4:105-107.3王伟,熊传胜.泡沫混凝土的研究现状J.科技信息,2009(25:7-8.4RAMAMURTHY K ,KUNHANANDAN NAMBIAR E K ,INDU SIVARANJA

27、NI G.A classification of studies on properties of foam concreteJ.Cement and Concrete Composites ,2009(31:388-396.5JUST A ,MIDDENDORF B.Microstructure of high-strength foam concr-eteJ.Materials Characterization ,2009(60:741-748.6MOUNANGA P ,GBONGBON W ,POULLAIN P.Propor-tioning and ch-aracterization

28、of lightweight concrete mixtures made with rigid poly -urethane foam wastesJ.Cement and Concrete Composites ,2008(30:806-814.7KUNHANANDAN NAMBIAR E K ,RAMAMURTHY K.Air-void charac-terisation of foam concreteJ.Cement and Concrete Research ,2007(37:221-230.8KUNHANANDAN NAMBIAR E K ,RAMAMURTHY K.Sorption char-acteristics of foam con