泡沫混凝土技术的工业应用

泡沫混凝土技术的工业应用

1泡沫混凝土制品的生产20世纪初，北欧国家和俄罗斯积极致力于泡沫混凝土的研发和生产。30年代初至50年代初,泡沫混凝土工业化技术体系形成。这一时期正值二战爆发,生产加气混凝土的铝粉供应紧张,于是欧洲各国纷纷转向以泡沫取代铝粉,以泡沫混凝土取代加气混凝土,刺激了泡沫混凝土的研发及生产,形成了第一个发展高潮。其应用领域以建筑保温为主。在这一时期,技术成就最大的是前苏联。应该说,前苏联对泡沫混凝土技术成熟并走向工业化生产起到了关键作用。从1926年开始研发到1930年在列宁格勒(现圣彼得堡)工业化生产,仅用了4年时间。从1936年起,前苏联在成功生产自然养护泡沫混凝土的基础上,实现了蒸压泡沫混凝土及蒸压泡沫硅酸盐的工业化生产,建立了以彼尔伏乌拉尔斯克、别莱兹尼克等泡沫混凝土大型企业。这些企业生产的泡沫混凝土砌块、墙板、饰面板、屋面板、楼板等开始大量应用于工业与民用建筑。1946~1958年,前苏联出台了1781-49《泡沫混凝土屋面板》、7741-55《厂房屋顶用钢筋泡沫混凝土大型板》等一系列国家标准,是世界上最早形成泡沫混凝土制品标准体系的国家。可以说,前苏联奠定了泡沫混凝土技术体系的基础,其当时建立的一整套完善的泡沫混凝土原料测定与制品检验方法、泡沫混凝土蒸压技术规程、泡沫沉陷距与泌水率检测仪(前苏联中央工业建筑科学研究所研制)等检测仪器,至今仍在世界各国广泛应用。如今我国流行的大多数发泡剂也均为前苏联所发明。自20世纪50年代开始,泡沫混凝土技术从发源地欧洲通过两条渠道向世界各地传播。一条是前苏联将其技术传播到中国及东欧的波兰等国,另一条是德、英、瑞典、荷兰等西欧国家将其传播到北美及亚洲的韩国、日本等国。这一阶段是泡沫混凝土技术在世界各地的传播及发展期,泡沫混凝土的应用仍以建筑保温制品为主。1979年,美国的Yamads等人首次将泡沫混凝土成功用于油田固井,使泡沫混凝土走出了单一的保温领域,开始向多领域发展。其后,日本将其成功用于岩土工程的回填,韩国和日本将其应用于地暖保温层。进入21世纪之后,泡沫混凝土在吸音隔音、吸能吸波、耐火材料等领域的应用研究开始活跃,并逐步形成了规范化应用。可以说,自1979年至今,是泡沫混凝土技术水平的提高与应用领域高速扩展阶段,其应用领域已达20多个,并由民用扩展到军用、航空、工业等高端领域。目前,泡沫混凝土发展和应用最为发达的三个地区是:欧洲、北美、亚洲的中日韩及东南亚。2泡沫混凝土在中国的发展2.1工业管道保温在我国,泡沫混凝土几乎与新中国同时诞生。1950年,前苏联专家开始向我国推广泡沫混凝土技术。1952年,中国科学院土木建筑研究所成立了以黄兰谷为首的泡沫混凝土试验中心,正式开始泡沫混凝土的试制。当时,我国工业蒸汽管道的热绝材料是从前苏联进口的苏维利特碳酸镁板,每吨含运输费约为1400元(相当于现在的几万元),而当时我国正大规模建设工业管道,保温材料需求量极大,一台发电机组就需要260t。为此,第二机械工业部第四设计处、重工业部有色金属管理局等进行研发和生产,并将其成功应用在工业管道保温上。1954年,中国科学院土木所与其他单位合作,由前苏联专家指导,在哈尔滨生产出蒸压泡沫混凝土板,用于哈尔滨电表仪器厂屋面。这是我国首次将泡沫混凝土用于建筑保温。1955~1957年,原水利电力部电力建设科学技术研究所试制成功使用温度可达250℃~510℃的泡沫混凝土管壳,应用于峯峯电厂、大连电厂的高温管道保温上。1956年,原纺织工业部基本建设设计院也开展了粉煤灰泡沫混凝土的试验研究,其目的是针对当时泡沫混凝土以水泥为主、成本较高的情况,以粉煤灰取代水泥来降低成本。在原北京市建材局、中纺部第二工程公司、水利科学研究院等单位的配合下,经过一年多的试验,成功将泡沫混凝土成本降低了40%。1952~1959年是我国泡沫混凝土发展的第一个高潮期,形成了一定的生产规模。但由于随后中苏关系恶化,前苏联专家撤走,再加上其后的“文革”,致使1960~1980年,泡沫混凝土在国内很少有人问津。2.2泡沫混凝土现浇技术发展历程1980年前后,随着改革之风吹开国门,欧洲的泡沫混凝土现浇技术进入了我国开放前沿广东。由于广东及其周边地区夏季炎热,对屋面保温需求强烈,泡沫混凝土屋面现浇率先在广东流行。从20世纪90年代初期开始,广州、东莞、佛山等地屋面保温大量应用现浇泡沫混凝土。此后,泡沫混凝土屋面保温现浇逐渐向北推进,经福建、湖南、江西等地一路北上,如今已发展到北京、辽宁、陕西等全国各地,成为泡沫混凝土在我国的两大应用领域之一。2007年,中南地区建筑标准图集07ZTJ2005《泡沫混凝土屋面保温隔热建筑构造》、四川省工程建设标准设计图集DBJT20-58《泡沫混凝土楼地面、屋面保温隔热建筑构造图》先后推出,标志着现浇屋面保温隔热层开始规范化应用。继泡沫混凝土屋面保温现浇之后,在20世纪90年代末期,泡沫混凝土地面保温层现浇自韩国传入我国,率先在烟台、威海、天津、大连、秦皇岛、延边等地成功应用。进入21世纪后,由于其适应建筑节能的需求,获得了迅猛发展,并从2005年起进入发展高潮。如今,泡沫混凝土现浇地暖保温层技术自东向西、向南、向北三面扩展,已发展到全国除两广及福建、台湾之外的大部分省区,成为泡沫混凝土第一大应用领域。河北省地暖协会出台的泡沫混凝土地暖保温层地方标准,是我国第一个泡沫混凝土标准。之后,山东、辽宁也都出台了地方标准。2009年春,我国第一部泡沫混凝土现浇行业标准《地面辐射供暖工程用发泡水泥绝热层、水泥砂浆填充层技术规程》出台,将泡沫混凝土地暖保温隔热层现浇应用推进到了一个新的发展阶段。从20世纪90年代开始,泡沫混凝土现浇开始在建筑工程回填及岩土工程回填中应用,成为我国泡沫混凝土第三大应用领域。90年代初,煤炭科学研究总院从国外引进了泡沫混凝土工程填充技术,并成功应用于开滦煤矿特大顶板冒落崆峒的浇筑回填。其后,中国建筑材料科学研究院又将现浇泡沫混凝土应用于建筑补偿地基填充、引黄工程洞穿管回填等。2000年以后,泡沫混凝土在交通岩土工程方面开始应用。我国广东冠生土木公司从日本引进了公路岩土工程回填技术,在国内中江高速、京珠高速等一系列重大工程中成功应用。随后,这一回填技术在北京奥林匹克中心地下通道工程轻质回填成功应用,使现浇回填技术日益发展。与20世纪50年代第一个发展高潮以制品为主不同,目前我国的泡沫混凝土基本以现浇为主、制品为辅。2006年以来,我国以现浇为代表的泡沫混凝土进入了蓬勃发展的新时期,主要表现在:(1)泡沫混凝土新的、高端的应用技术及应用领域大量出现;(2)国内已开始出现规模化泡沫混凝土设备生产厂家;(3)泡沫混凝土企业快速增加,每年新增企业数量不少于百家,现浇企业在2006年已达数百家,2009年达近千家,论生产企业数量,我国已居世界第一;(4)泡沫混凝土标准开始制定和实施,自2006~2009年,我国推出地方标准、行业标准、国家标准十余部,还有一批标准正在制定中,如泡沫混凝土用泡沫剂标准、泡沫混凝土屋面保温隔热层标准、泡沫混凝土墙体现浇标准、泡沫混凝土外墙外保温板标准等,我国泡沫混凝土正告别无序发展时代,开始逐步走向规范化生产;(5)2009年1月8日,经民政部批准,中国混凝土与水泥制品协会泡沫混凝土分会成立,将有力地促进我国泡沫混凝土行业的发展和技术进步。2.3发展现状2.3.1泡沫混凝土主要生产设备目前,我国泡沫混凝土企业约800多家,其中,现浇企业约400家,制品企业约150家,设备加工企业约100家,发泡剂生产企业约80家。从企业地域分布来看,山东、河北、河南、天津、北京、江苏、广东、辽宁、吉林、陕西、四川等地最多,约占全国企业总数的60%;上海、湖北、浙江、福建、安徽、江西、山西、内蒙、新疆诸省区次之,约占企业总数的30%;广西、甘肃、宁夏、重庆、湖南、云南、贵州诸省企业数量较少,约占全国企业总数的10%;西藏、青海、黑龙江、海南四省区企业数量最少。我国泡沫混凝土年产量,2008年已达500万m3,2009年粗略估计突破600万m3。其中,泡沫混凝土地暖保温层约300万m3、屋面保温层约150万m3、地面垫层约50万m3、各类回填约20万m3、特种功能应用30万m3、制品类约50万m3。现浇约占总产量的80%以上。从应用领域来看,我国泡沫混凝土主要应用于建筑保温,其用量约占总产量的90%,土木及岩土工程约占3%,油田应用约占1%,其它特种应用约占7%。从长远看,建筑保温将是泡沫混凝土的主要应用领域。2.3.2国内泡沫混凝土制品的发展现状我国泡沫混凝土的技术现状是:在一般常规应用领域特别是建筑保温领域,工艺技术居世界前列,但在装备技术及尖端应用领域,与发达国家尚有很大的差距。一般常规应用领域主要是泡沫混凝土用量最大的建筑保温、土木工程及岩土工程回填等。在这些方面,泡沫混凝土现浇具有优势,在我国发展迅速,施工量居世界首位。现浇工艺技术在引进基础上经过不断完善,已形成具有中国特色的技术体系,工艺水平已达到先进国家的水平。公路回填、隧道回填、地基回填、油田固井浇注等已成功应用,建筑保温屋面、地面、垫层现浇施工技术已经成熟,并形成了广东俊瑞集团、河南昌惠公司、辽宁欣宽公司等一大批龙头企业。特别值得一提的是泡沫混凝土墙体现浇,这是我国拥有自主产权的创新技术,包括承重泡沫混凝土现浇墙体、钢结构现浇墙体、框架结构泡沫混凝土墙体、砖混结构夹芯泡沫混凝土墙体等。这也是我国对国际泡沫混凝土现浇技术的重大贡献,对推动泡沫混凝土发展具有不可估量的意义。河南省在驻马店永泰公司的配合下,制定并颁布了《现浇泡沫混凝土墙体技术规程》地方标准,并有了许多工程应用;中国建筑标准设计研究编制的《钢结构住宅(二)》也采用了泡沫混凝土灌芯现浇墙体,杭萧钢构利用这一图集,采用泡沫混凝土现浇,在武汉承建了世纪家园小区几十栋高层住宅。目前,我国在泡沫混凝土现浇墙体的研发、推广与应用方面,走在了世界前列。和现浇相比,我国的泡沫混凝土制品比国外整体规模偏小,技术水平不高,没有大宗应用的主导产品。国外大部分采用现代化的蒸压工艺,自动化程度高,产品质量好,20世纪三四十年代已规模化生产蒸压砌块与屋面大板、墙板等。而在我国,除广东天风墙体材料有限公司生产泡沫混凝土蒸压砖外,大部分为自然养护,产品质量差,实际应用不多。特别是泡沫混凝土砌块,虽然已有行业标准,但至今没有规模化生产应用的产品。昆明、南昌等地曾先后建设了一批大型泡沫混凝土砌块生产线,但由于制品后期干缩大,墙体裂缝,都已停产。目前,国内小企业手工作坊式生产泡沫混凝土砌块正在各地推广,质量很难保证,后期干缩问题不能解决,告戒大家不可盲从。虽然我国泡沫混凝土制品方面的整体技术水平还不高,但在某些方面仍有技术创新和领先性,如陶粒泡沫混凝土砌块、泡沫混凝土聚苯复合墙板、泡沫混凝土夹芯墙板与屋面板、泡沫混凝土集成化房屋等,均受到国际关注。其中,北京太空板公司、北京华丽联合公司生产的泡沫混凝土复合板和集成住宅已出口美国等10多个国家。2.3.3生产装备的技术开发和应用将成为一种趋势我国泡沫混凝土生产装备加工已有一定规模,生产厂家已发展到数百家,形成了年产700套的生产能力。泡沫混凝土生产装备以现浇成套机组为主,是在引进韩国机型的基础上加以国产化改造而成的,机型以中小型为主,适应了中国泡沫混凝土企业以小企业居多的现状,因而获得了快速发展,基本取代了进口机型。除现浇设备外,我国的泡沫混凝土制品生产装备也在近几年获得技术突破,特别是泡沫混凝土夹芯板、复合板、集成化房屋、陶粒砌块等生产线,已初步定型,有一定的创新性,已进入推广应用阶段,还有少量出口。预计在3~5年内制品生产线的加工将达到一定规模,并将大量出口。我国的泡沫混凝土装备具有中国特色,小型化、实用化、操作简易化的特点明显,且价格只有欧美设备的几十分之一。这种设备不但适应了我国的国情,也适应了其他发展中国家的国情,受到了发展中国家的欢迎,已出口亚州、非洲、南美州等几十个国家,在金融危机冲击下仍不减态势,成为发展中国家最大的泡沫混凝土设备供应国,特别是周边的俄罗斯、蒙古国、哈萨克斯坦、越南、泰国等国家及我国的台湾省,需求旺盛。虽然我国泡沫混凝土生产装备已达到一定的技术水平和规模,但和欧美发达国家相比,尚存在较大的差距。欧美设备大型化、自动化、加工精良化的综合优势十分突出。例如现浇成套装备,欧美均配备有原料筒库和全自动配料系统,以及浆体密度自控系统,自动化程度很高,产量也很大。而我国设备则皆为人工配料、电控手动操作,浆体密度难以控制,其差距显而易见。如何提高我国泡沫混凝土生产装备的技术水平,是今后面临的重要课题。除装备水平之外,在高新技术应用领域方面,我国和发达国家也存在较大差距,诸如泡沫混凝土电磁屏蔽、吸声、吸能、抗爆等方面的应用,以及海上工程和核设施工程的应用等,我国应用量非常有限,有些还是空白。3建筑吸音隔膜的应用泡沫混凝土只作为保温材料应用发展至今,功能已有20多种,如吸能抗震抗爆、隔音吸音、吸收电磁波、透水过滤、抗渗抗潮、保水绿化、耐火、防火、抗冲击防护、漂浮承载等。其用途越来越广,应用领域涵盖民用和军事工程。但大量应用仍在民用方面,其中建筑吸音隔音方面最具发展前景。另外,其在耐火保温、过滤、抗渗防水、轻质装饰等领域都有广阔的应用前景。3.1防火、隔声、耐侯泡沫混凝土价格低廉,原料易得,既可快速现浇施工,又可制成各种制品,同时具有优良的防火、隔声、抗震、耐侯等性能。但还存在密度较大、保温性不及泡沫塑料、强度较差等不足。今后,我国建筑保温中泡沫混凝土的开发重点将集中在以下几个方面:3.1.1外墙现浇自保温泡沫混凝土现浇目前主要应用于屋面保温层与地暖保温层。但建筑保温的主要部位是外墙,建筑隔声的主要部位是内墙,泡沫混凝土用于外墙现浇可实现自保温,用于内墙现浇可实现自隔声、自吸音。近年来,国内许多泡沫混凝土企业开始发展现浇自保温外墙、承重隔音内墙、非承重隔音内墙等,一大批应用技术正在研发中。墙体现浇量远大于屋面和地面,若这一技术得以推广,现浇墙体将会成为泡沫混凝土第一大应用领域。图1为河南永泰公司泡沫混凝土现浇墙体工程。3.1.2保温板trt泡沫混凝土外墙外保温板是指采用粘贴或干挂工艺固定于外墙面的保温板。其幅面20cm×20cm、25cm×25cm,厚度3cm~5cm,密度150kg/m3~270kg/m3。这种保温板已在四川、甘肃、上海、浙江等地得到成功应用,引起国内泡沫混凝土企业的兴趣。目前,不少企业正在研发此类产品,拟取代泡沫聚苯板,用于外墙外保温薄抹灰系统或外墙内保温薄抹灰系统。随着建筑防火标准的提高,这一产品应用前景看好。图2为北京广慧精研泡沫混凝土科技有限责任公司研制的产品。3.1.3复合泡沫混凝土芯墙板图7这类墙板包括单侧复合有饰面层或保护层的泡沫混凝土复合墙板、双面复合有饰面层或保护层的泡沫混凝土夹芯墙板。其中,夹芯墙板的研发最热,仅北京市就达10多家。其成型工艺型式有:先制高强外壳,后浇筑泡沫混凝土芯层;先制两侧面板,再复合泡沫混凝土芯层;先制泡沫混凝土芯层,再复合高强面层等。各家工艺不尽相同,均有创新,各有亮点。这类墙板可实现外墙自保温,安装后不需另做保温处理,且防火、耐久、隔音性能优异。图3为泡沫混凝土夹芯保温板用于北京意佳力德装饰有限公司屋面工程。3.1.4住宅品种的选择集成化住宅是世界性发展潮流,泡沫混凝土自保温装配集成化住宅更是一个开发热点。如今,国内不少企业着力开发这种自保温装配住宅,产品有两大类:①中高档别墅。此类住宅多采用轻钢结构,组装速度快,抗震性强,可实现自保温,造价低于普通别墅。泡沫混凝土一般制成各类夹芯保温板,使用时拼装。乌鲁木齐绿地公司此类产品的目标市场锁定国内高端别墅,并重点出口。也有不少公司想重点做中档住宅。②小康村住宅。此类住宅采用承重泡沫混凝土墙板拼装,或采用轻钢结构泡沫混凝土复合板体系,其特点是造价低,墙体坚固,适合农村特点。3.1.5蒸压泡沫混凝土斑块泡沫混凝土砌块自然养护产品强度差,后期干缩大,始终没有在我国规模化生产应用。目前,国外企业多采用蒸压工艺。国内企业已转向陶粒泡沫混凝土砌块及蒸压泡沫混凝土砌块的研发。陶粒泡沫混凝土砌块是我国的创新,技术先进,应大力发展。自然养护泡沫混凝土砌块在技术完善后,若能较好地解决强度及后期干缩问题,也会有良好的发展前景,这主要取决于技术进步。3.2基地土填充材料目前,泡沫混凝土在土木工程、岩土工程回填及生态覆盖领域的应用量不大,但已显现出良好的发展前景,将成为泡沫混凝土未来第二大应用领域。泡沫混凝土可用于软土地基填充、冻土地带路基填充、盐碱地抗腐蚀路基填充、引桥代土填充、斜坡路基防滑填充、拓宽路基代土填充、地下通道减荷填充、隧道一二次衬砌空间填充、护坡植草覆盖浇筑、大堤的减侧压回填、地下管线填埋等。随着我国大规