泡沫混凝土的制备及性能

张永航 ,张雨婷 ,李航 ,于永学 ,刘鸿玮

摘要：由于具有防火、轻质、保温、隔热等优点，使得泡沫混凝土在众多无机保温材料中脱颖而出。但是泡沫混凝土也存在一些问题，首先是力学性能偏低，其次泡沫混凝土的收缩偏大，而且泡沫混凝土成品性能受外界条件、自身材料组成等因素影响非常大。而将泡沫混凝土与其他材料复合，实现工厂预制，最后制成装配式墙板，则上述问题也都可迎刃而解。本研究采用以硅钙板为外模具，直接向其中浇注泡沫混凝土，一体成型复合板,制备成复合保温墙体材料，则可以实现优势互补。

关键词：泡沫混凝土，发泡剂，纳米二氧化硅，纤维

1.引言

泡沫混凝土是采用机械方式将发泡剂充分发泡，而后将产生的泡沫加入到含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂等组成的料浆中搅拌，硬质颗粒粘附到泡沫外壳，使其变成互相隔开的单个气泡，形成的多孔混合料在常温下稠化凝结形成坯体，在蒸压或蒸养下硅质、钙质材料产生水热反应，形成胶凝物质，逐渐变为具有一定机械强度和其它物理性能的多孔材料。泡沫混凝土的突出特点是在混凝土内部形成封闭的泡沫孔，赋予混凝土轻质和保温隔热性能。泡沫混凝土的干体积密度为200～700kg/m3，相当于普通水泥混凝土的1/5～1/10左右，导热系数约为0.080～0.135 W/(m·K)，热阻约为普通水泥混凝土的20～30倍；同时，泡沫混凝土全为无机材料，其防火性能达到A级标准。

2. 泡沫混凝土成型方法

泡沫混凝土的生产工艺主要是先将水泥、掺合料、集料、复合外加剂、水按比例混合，然后加入泡沫溶液进行搅拌，最后进行注模。目前，有3种常见的发泡沫方法。（1）将发泡剂溶解在水里，再加入水泥，在搅动时使浆液自然发泡。这种方法虽然操作简便，但是所需的发泡剂数量多，造价高，而且在搅拌时容易产生气泡破裂，泡径不均匀，所以只适合于微量的引气混凝土；（2）先用高速搅拌机剧烈搅拌预制的泡沫，再和水泥浆搅拌。这种方法提高了发泡效率，泡孔均匀，泡径易于控制，但是容易受环境、机械的限制，难以大规模生产；（3）利用压缩空气进行发泡，即通过空气压缩机将空气吹入含有泡沫的水泥浆，从而实现发泡。

压缩空气制泡法，主要采用的是一种特殊的发泡筒。在这种特殊的设备中，向发泡剂溶液中掺入压缩空气，将气泡通过压缩空气吹出，然后进入水泥搅拌机上进行搅拌，获得泡沫混凝土。泡沫筒体的内部可选用磁片，玻璃球，铜等。尽管采用压缩空气法生产的设备要复杂一些，但其优越性是高速搅拌式叶片制泡法所无法比拟的，可以有效地避免泡沫的浪费。一方面，利用压缩空气法制备的泡沫混凝土，不存在气泡直径不均匀问题；另外，所制得的泡沫混凝土是直接注入水泥中，从而降低了中间流动的时间；另外，由于浆液的混合与发泡是同时进行的，因此，通过定量的方法可以有效地控制泡沫混凝土的发泡倍数。

3. 泡沫混凝土性能

3.1热工性能

泡沫混凝土的隔热性能受多孔结构及分布的影响，当其他材料加入量一定时，水胶比对其工作性能有影响。水胶比较小时，泡沫混凝土的流动性不足，使浆液和泡沫之间的混合不够均匀，从而对孔隙的分布产生不利的影响。而水胶比太高，将会对试件的成形及孔壁的致密性产生一定的影响，也会影响其导热系数。

随着泡沫掺入量的增大，导热系数会呈现出先降低后增大的趋势。当泡沫掺入量小于65%时，泡沫混凝土中泡沫含量越高，空隙越大，其导热系数越低，保温性能越好；随着泡沫掺入量的增大，导热系数也随之增大，泡沫混凝土中存在最佳的泡沫掺量。在加入量较小的情况下，泡沫混凝土的孔隙率随着泡沫体积的增大而增大，其隔热性能也随之提高；当泡沫数量一定时时，加大泡沫的加入量，气泡的空隙会继续扩大，但孔壁会因为水泥浆不足而变薄，泡沫的稳定性下降，气泡间会相互融合，形成较大的气泡，导致气泡的连接，进而导致隔热效果下降。

3.2抗压强度

泡沫混凝土的干表观密度和抗压强度之间存在很大的关系，即随着密度的增加，其抗压强度也会快速增加。泡沫混凝土的内部空隙形态，特别是泡孔直径的改变，直接影响泡沫混凝土的抗压强度值。

利用纳米二氧化硅颗粒自身的优势，将其适量的引入泡沫混凝土中，由于纳米二氧化硅的较小尺寸使得浆体的流动性降低，进而减少了泡孔的连通性，同时纤维素醚也抑制了纳米二氧化硅在浆料中出现的上浮现象，并在气泡外壁形成一层薄膜，提高了泡沫的稳定性和保水性，使得泡孔不易遭到破坏，从而导致纳米二氧化硅颗粒与泡沫体系的协同作用有所提高，进而提高泡沫混凝土强度、降低吸水率、降低导热系数。

纤维的加入会使泡沫混凝土抗压强度上升，而对于纤维来说，分散度是一个重要的指标，分散度的大小直接影响纤维的作用。而且纤维在混凝土中最好形成一个乱象支撑体系，分散度越大对形成的乱象支撑体系就越好，泡沫混凝土在受压时由脆性破坏转变为韧性破坏，强度显著提高。聚丙烯纤维具有“结团成球”现象，若不处理直接加入到浆料中难以分散，

有研究表明将聚丙烯纤维手动分散处理，将“团球”打开在加入到浆料中，其分散效果最好。

3.3吸水率

由于泡沫混凝土空隙率非常大，而为了达到防火等级A级的要求，就必须使用无机材料，无机材料基本都是不燃，但是无机类的材料大多数都是亲水的。所以需要使用有效的办法将无机材料进行表面处理，可以选择合适的防水剂对成品表面进行憎水处理，在表面形成网状防水膜，达到降低泡沫混凝土吸水率、提高泡沫混凝土抵抗冻融破坏的能力。另外加入纤维会明显改善泡沫混凝土的早期开裂情况，开裂情况的改善不仅能够提高泡沫混凝土的强度，而且能在很大程度上降低泡沫混凝土的吸水率。

3.4耐久性

在影响混凝土耐久性的破坏过程中，几乎都与水有着密不可分关系，而泡沫混凝土更是如此。因为泡沫混凝土是一种多孔疏松材料，其中气孔分为封闭型和连通型两种，而连通孔极易吸水，所以将干燥的泡沫混凝土用混凝土砂浆包裹时，会吸取砂浆中的水分，使砂浆水化反应不能彻底进行，从而影响预制保温夹芯复合墙板的性能。

4. 结论

本文从节能环保和防火性能出发，推荐使用泡沫混凝土作为外墙保温材料。并以实际问题，选取普通硅酸盐水泥，代替快硬的硫铝酸盐水泥，通过添加纤维，促凝剂等材料，力求制备出力学性能良好的泡沫混凝土。

（1）泡沫混凝土若想凝结成型，需要胶凝材料在泡沫消泡之前凝固。正常需使用的是快硬水泥，但因其成本高，产地远等问题。本实验可选用普通硅酸盐水泥加入促凝剂代替快硬水泥以达到要求。

（2）在添加泡沫时，即需要注重选用泡沫的质量，选择合适的发泡剂和稳泡剂，又需要注重添加泡沫的数量。如果添加的过多，会导致胶凝材料不足，无法成型。如果添加的过少就会影响经济性，同时使容重增加降低性能。

（3）纳米二氧化硅颗粒在单掺情况下，通过纳米二氧化硅颗粒与泡沫体系的协同作用进行机理分析，可知纳米二氧化硅可以降低泡沫混凝土的表观密度，维系泡孔的稳定性，提高泡沫混凝土的抗压强度，继而降低导热系数，降低吸水率。

（4）聚丙烯纤维可以使泡沫混凝土转变破坏形式，增加韧性。同时，分散支撑的纤维起到了微骨料的作用，还可以增加其抗压强度。同时还可以减少裂纹，增加抗冻融能力，继而增加了耐久性。

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