泡沫混凝土的研究进展

1.1  组成材料

1.1.1  发泡剂

发泡剂通过促进泡沫的产生而形成封闭气孔或者相连气孔结构的试剂。在指定的前提条件下，它使用化学反应变化或物理方法（搅拌、压缩空气等）进行处理，使发泡剂溶液无需较长时间就能产生大量匀和、稳定的泡沫[4]。因此可知，不是所有能够产生泡沫的物质或试剂都能够作为发泡剂。

发泡剂的品种多样，应用频次较多的有：动物蛋白发泡剂、松香酸皂类发泡剂、石油磺酸铝发泡剂等[5]。国内学者不断深入研究，出现了不同产品型号的发泡剂，例如：u型发泡剂、CLY-99型憎水发泡剂、CON-A 型泡沫剂、CCW-95型固体泡沫剂等。

在国内，关于高性能发泡剂的研究未曾中断。例如，王翠花[6]在存有定量的Ca(OH)2和NaHSO3的条件下，以牛蹄角为关键蛋白质原料合成了蛋白质型泡沫混凝土用发泡剂。石行波等[7]将矿物材料发泡与表面活性剂发泡相联合形成一种新形式，采用猪蹄角为原料制成了一系列泡沫混凝土砌块。马志珺等[8]进行了复配研究来观察表面活性物质对发泡剂母液的发泡及稳泡性能的改性效果。他们发现复配后蛋白质发泡剂的泡沫性能得到了极大程度的提升，并且其发泡稳泡性能的效果也尤为显著。目前，Eva Kuzielová等[9]研究了活化发泡剂对泡沫混凝土的影响，考察泡沫稳定性、体积密度、微观结构、抗压强度与发泡剂浓度及其微波和超声波处理的关系，实验发现在用较低浓度的微波和超声波处理的发泡剂制备的样品中孔径相对减小，改善了样品的抗压强度。

泡沫是否稳定的有两个重要因素。一是液体是否从泡沫中的离析出来，二是气体是否透过液膜进行扩散。而判定发泡性能是否优良，一般依据三个重要的因素：发泡剂的沉陷距离、泌水多少以及发泡倍数大小。以这三个重要因素作为指标，稀释发泡剂溶液的沉陷距离和泌水量越大并且发泡倍数越小，其发泡性能越差。具体来说，优质发泡剂在1 h后泡沫的沉陷距离和泌水量分别不大于 10 mm、小于等于 80 ml，发泡倍数应大于等于 20 [10]。截止目前，我国针对泡沫的质量问题还没有制定出一致的检测方法，行内一般是据实际情况来确定检测方法。

1.1.2 外加剂

目前，外加剂有两大类。一类是化学外加剂，它以有机或无机化合物为主要成分，且用量不大于水泥质量的5%的化学品；另一类是矿物外加剂，它是混凝土中的水泥被矿物粉体所替代的部分，常见的矿物外加剂有粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等[11]。

泡沫混凝土制作过程中，我们为了使其和易性等特殊性能达标需添加不同的外加剂。例如，泡沫混凝土的水灰比和水泥水化的热应力较大，掺加减水剂以缓解其压力；泡沫混凝土的开裂其耐久性较差，向里掺加膨胀剂以提高耐久性；泡沫混凝土的强度发展速率较慢，在混合粉煤灰掺加一定量的激发剂以加快速率；泡沫混凝土的抗拉强度低，掺加纤维材料以改善其缺点。

近些年来，外加剂逐渐被研究工作者关注，并对其进行了深入研究。牛云辉等[12]重点研究就四种外加剂与泡沫混凝土的各大性能之间的关系问题，这四种外加剂分别是：聚羧酸减水剂、速凝剂、PP 纤维及稳泡剂，结果显示经由这些外加剂相互耦合所得的泡沫混凝土有利于处理泡沫混凝土作为承载重量的墙体在现场浇筑时出现裂纹、模板压塌等问题。胡璐[13]认为有机硅防水剂会影响泡沫混凝土的抗压强度和吸水率，由此针对这一种外加剂进行了实验研究。在泡沫混凝土试块刷涂乳液型有机硅过后，发现与未刷涂的相比较，这部分刷涂后的抗压强度增强，其吸水率也显著降低。Cong Ma等[14]研究了PT、CS、SP三种防水剂对泡沫混凝土性能的影响，结果表明防水剂对低密度泡沫混凝土的泡沫稳定性和干密度几乎没有影响，通过添加防水剂抗压强度也能得到改善，且优的改善条件是防水剂的含量在1.0%左右，随着防水剂含量的增加强度保留系数RS显著增加，另外它的应用能够降低吸湿水含量。E.K. Kunhanandan Nambiar和K. Ramamurthy[15]通过与未掺粉煤灰混合料的对比，研究粉煤灰替代对泡沫混凝土强度和密度的影响，提出粉煤灰代替细集料有助于提高低密度泡沫混凝土的强度，使高强混凝土的强度比得以提高。E.P. Kearsley[16]等研究发现粉煤灰可以替代高达67％的水泥，而不会显着降低强度。Shui Jun[17]等通过实验研究了钢渣粉煤灰泡沫混凝土的热性能，随着钢渣相同密度的增加，导热系数增加，比热降低。詹炳根等[18]经研究发现在泡沫混凝土中添加玻璃纤维之后，泡沫混凝土强度较低以及韧性较差都得到了极大的改善。

1.1.3  水泥

在泡沫混凝土中，其产生强度关键在于水泥作为重点胶凝材料，发生水化反应后形成的水化产物能在其中起胶结作用，因此相对而言泡沫混凝土中所含的水泥不多[19]。水泥中掺加30%左右的火山灰质、粉煤灰或者矿渣等水硬性胶凝材料都可供泡沫混凝土选择。但是因泡沫混凝土内含有大量的气泡，在料浆硬化之前，由于气泡稳定性较差发生破裂现象，导致塌模和出现表面裂缝[20]。为了防患于未然，相比于硅酸盐水泥好是使用类似铝酸盐水泥这类凝结硬化速度快的水泥以及早强高强类的硫铝酸盐水泥此类特种水泥。

1.1.4  细集料

集料在传统混凝土中主要起骨架作用和增强体积稳定性，并且还可当作胶凝材料的低廉填充料[21]。使用到泡沫混凝土制备过程中的集料有：聚苯乙烯颗粒、粒径2～10mm的碎石、陶制颗粒、玻璃质火山熔岩（例：膨胀珍珠岩）、砂等。加入的砂子不但减少硬化泡沫混凝土的体积变化，而且还可作为填充物。E.K. Kunhanandan Nambiar[22]等研究了填料类型和砂粒大小对湿养护泡沫混凝土性能的影响，发现砂粒尺寸的减小导致泡沫混凝土强度的提高。在实际工程当中，因为对泡沫混凝土有一定的质量要求，针对其质量要求考虑是否采用密度较大的集料。在水泥基体中加入微量的气泡就可满足设计的密度要求,用轻集料即可形成更为密实的结构[23]。鉴于常用的密度等级在400～1600kg/m3，所以实际操作时会首先考虑使用轻质集料。

1.2  生产工艺

1.2.1  发泡技术

预制泡沫法，为当前制备泡沫混凝土所普遍使用，使用时需利用机械方法获取泡沫。张巨松等[24]总结目前国内的发泡技术主要为高速搅拌叶片制泡，国外多采用压缩空气法制泡发泡技术。

高速搅拌叶片制泡法，采用了高速搅拌机和水泥搅拌机两种设备。首先，向高速搅拌机加入按照一定比例所配制的发泡剂溶液，在叶片的快速搅动下预制泡沫；随后，往水泥浆搅拌机倒入定量取出所制得的泡沫；后，将泡沫与料浆进行搅拌制成泡沫混凝土。高速搅拌叶片制泡法操作简单，重现性相对较好，能够准确地反映出发泡剂的发泡性能。但是，由于上下泡径不均,在向水泥搅拌机倒入制得的泡沫这一过程中需要借助量器，泡沫破灭难免会发生，存在浪费现象。

压缩空气制泡法,其主要是使用了特殊制成的发泡筒这一关键器材。在特殊制成的器材中将压缩空气掺杂于发泡剂溶液，所形成的泡沫通过压缩空气呼出发泡筒,后将制得的泡沫转至水泥搅拌机中进行搅拌后制成泡沫混凝土。发泡筒内部可供采用的材料有磁片、玻璃球、铜等。

结合国外采用的压缩空气法制泡与国内采用的高速搅拌叶片制泡法两者不同的特点，经比较后发现压缩空气法制泡使用的设备尽管稍显复杂，但是压缩空气法制泡优点却是高速搅拌叶片制泡法不可企及的，它有效地防止了泡沫浪费现象。一方面，采用压缩空气法制成的泡沫通过发泡筒后，不存在泡径不均现象；另一方面，制成的泡沫是直接吹入水泥浆中，减少了中间流转过程；再者，料浆的搅拌和发泡是同步进行，定量制泡能避免泡沫过剩的问题。

1.2.2  制备工艺

预先制泡法和混合制泡法是泡沫混凝土的两种制备工艺。

预先制泡法的具体步骤是：首先利用发泡剂和水按一定比例混合制得泡沫，再在水泥搅拌机中将相应的原材料搅拌均匀形成料浆，然后将制得的泡沫与料将一起搅拌均匀后倒入模板内，后经过低幅振动抹平后养护脱模即可。该方法所用到的制备流程包括发泡、搅拌、混泡及成型四个流程。发泡, 即发泡剂与水在发泡机的快速搅动将其混合产生泡径均质而微小泡沫的过程或者是在压缩空气的作用下将泡沫吹出发泡筒的过程。搅拌, 即在水泥搅拌机中将原材料和水拌制均匀的过程。混泡, 即将所制得泡沫和拌制均匀的浆体在水泥搅拌机再拌制的过程。成型, 即将浆体运送到工地使用或者放置模具中进行养护的过程。

混合制泡法的具体步骤是：直接将基料与表面活性剂混合，表面活性剂在料浆混合过程中发挥其作用，随之出现了泡沫，大量空腔结构的混凝土也逐渐形成。其中，泡沫表面张力可经受住料浆对其产生的压力，在料浆初凝产生孔隙后，形成的骨架稳定而扎实[26]。