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泡沫混凝土研究新进展与应用现状
浏览: 发布日期:2018-11-07

泡沫混凝土研究新进展与应用现状

宋安祥,郭远臣,王雪*,刘雪,何琴

(重庆三峡学院土木工程学院,重庆 404100)

摘要:泡沫混凝土作为一种新型澳门新葡亰网址材料因其与其他混凝土材料在某些性能上占据相当大的优势,当前已经受到社会各界的认可,并在实际澳门新葡亰网址工程当中得到了广泛的应用。笔者对目前的泡沫混凝土在国内外原材料、生产工艺的相关研究进行了综述;对当下泡沫混凝土的应用现状进行总结;并列出当前国内外泡沫混凝土在理论研究和实际应用方面所存在的缺陷及不足之处;最后在泡沫混凝土的优缺点及国际大环境的基础之上,展望了泡沫混凝土成为当前重要澳门新葡亰网址“绿色”功能材料的应用前景。

关键词:泡沫混凝土;发泡剂;外加剂;生产工艺;应用现状

0 引言

随着社会经济地不断进步,澳门新葡亰网址行业进入了高速发展的阶段。澳门新葡亰网址行业地高速发展促使了一大批高层和超高层澳门新葡亰网址地涌现。因而,对工程建材的要求也有了明显地提高。一方面,在于如何减轻澳门新葡亰网址物的自重成为了重点;另一方面,针对如何倡导节能减排的问题逐渐成为了焦点。由于泡沫混凝土隔音、保温隔热、轻质、低弹性模量(耗能减震)、高流态等性能特点,适应于当下新型澳门新葡亰网址材料的情况[1]。

泡沫混凝土是将泡沫剂溶液逐渐加入到含有硅质和钙质材料(砂、粉煤灰、石灰、水泥)、水以及外加剂组成的料浆之中,经混合搅拌、浇筑成型和养护而成的多孔轻质材料[2]。泡沫混凝土与普通混凝土相比,内部虽不含有粗集料,但大量密闭的气泡存在于其中。泡沫混凝土较普通混凝土的性能如表1所示。近年来,在节能减排、绿色澳门新葡亰网址的这个大环境下,国内外对泡沫混凝土的研究应用作出了巨大的努力,本文就国内外最新的研究进展和应用现状作了先容。

1 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,最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,大家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编辑关注,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,且最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,相比于硅酸盐水泥最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;最后,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,最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,最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[25]。

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]。

2 泡沫混凝土的发展应用

2.1 国内泡沫混凝土的应用现状

近些年,我国相关部门愈发重视澳门新葡亰网址节能,并出台相关政策以推动其高速发展。澳门新葡亰网址节能材料产业随着澳门新葡亰网址节能的高速发展也逐渐兴起。泡沫混凝土作为一种澳门新葡亰网址节能材料有诸多优点,如:生产施工方便、保温隔热性能好、具有大量的封闭气泡及微气孔、可大量利用工业废渣、密度较小及耐火性好等。这种材料应用范围甚广,特别是节能墙材方面。

2.1.1 现浇屋面泡沫混凝土保温层

作为节能型保温材料,其优点是施工简便,整体在热工方面的性能优异。良好的吸水及保水性能也是其优势所在,缺陷在于汲取的水分被充当为屋面结构、防水层的源头,屋面渗漏就由此被造成[2]。

2.1.2 泡沫混凝土块材

(1)蒸压泡沫混凝土砖。在国内的南方一带,技术人员主要利用泡沫混凝土砌块轻质和强度高的优良性能,使其作为澳门新葡亰网址物框架结构填充墙中的填充块材。据不完全统计,广东省使用泡沫混凝土砌块的年用量在60万m3以上[27]。

(2)填芯砌块。由于收缩开裂、强度低、吸水率高等缺点,泡沫混凝土砌块目前还没得到规范化地生产和应用,该产品主要在北方被用作外墙自保温体系。外墙自保温体系是我国当前澳门新葡亰网址外墙保温节能的三种主要方式之一,另外两种方式是:外墙内保温体系和外墙外保温体系。填芯砌块产品技术的应用可以使泡沫混凝土砌块的强度显著提高,同时整体的保温隔热性能有了质的改变[28]。

(3)陶粒砌块。在国内学者的不断深入研究努力下,利用陶粒集料的增强性、抗缩性和泡沫混凝土的固结性,创新地将轻集料与泡沫混凝土结合形成的一种新型复合轻质材料。轻集料与泡沫混凝土的互相结合以达到优势互补的效果,复合产品性能远远超过了单一材料的性能[29]。

2.1.3 泡沫混凝土外墙保温板

泡沫混凝土可适用于外墙的保温和防火隔离。主要因其不以物理发泡并将硫铝酸盐水泥作为胶凝材料所制得,另外保温性优异、耐久性好及能够防止火灾等优势,并且集泡沫混凝土外墙保温板于一体。

2.1.4 泡沫混凝土现浇墙体

泡沫混凝土在墙体的外墙和内墙中用处广泛。例如,在外墙现场浇筑可省去保温层就可达到保温的效果;在内墙现场浇筑也可达到隔声、吸音减噪的效果。在国内,承载重量及非承载重量的隔音内墙、自保温外墙的现场浇筑等范畴的技术创新已被相关企业发展并对其进行大面积地推广应用。

2.1.5 泡沫混凝土集成化住宅

依据我国基本国情,建设部从实际出发提出了住宅产业化以实现住宅生产方式和住宅功能的改革。在集成化住宅中,泡沫混凝土因其具有自保温和节能的特点,成为了许多开发商关注的焦点。其一般是由轻质的钢材作为屋架以及泡沫混凝土制得的板块复合而成的结构体系,该体系与普通的集成化住宅相比,它除了可以自保温,它还拥有造价低、安装的速度快及抗震性较好的优点。

2.1.6 泡沫混凝土机场跑道阻滞系统

泡沫混凝土是一种多孔结构的混凝土,不但能吸取冲击波的能量,而且可以缓解对主体材料的损坏。在CAAC(中国民用航空局)的有关的技术鉴定下,其作为一种特殊工程材料在EMAS(飞机跑道拦阻系统)的使用加以认可。泡沫混凝土机场跑道阻滞系统是国内首个附加值、技术含量双高的泡沫混凝土产品并且在国际上处于领先地位[29]。

随后,王建军等[30]对轻质泡沫混凝土吸能特性及其压溃流动应力方程可以很好的描述泡沫混凝土相关的力学特征、破坏及变形机理。

2.2 国外泡沫混凝土的应用进展

近年来,欧美及亚洲的一些国家对泡沫混凝土的优良性能运用广泛,其应用领域在工程澳门新葡亰网址中持续拓宽。工程进度加快的同时,工程质量方面也满足要求[31]。针对国外泡沫混凝土工程的应用进展情况,扈士凯、李应权等人进行了深入的调查和总结[1]。

2.2.1 空洞填充工程

根据泡沫混凝土低成本和高流动度的特点,当前国外普遍地将泡沫混凝土用来作为大空洞的填充物。一般如大型的油罐、废旧澳门新葡亰网址的地下室、枯井、私人地窖或者废弃的下水道等地方应用广泛。

2.2.2 路桥建设

泡沫混凝土在路桥建设中得到重用,为了降低沉陷风险和减轻结构侧压力,工程师将泡沫混凝土对桥墩的后面进行填充施工。另外,它在桥拱结构间的空洞、桥贴面以及最后的桥面也十分适用。

2.2.3 耐火窑炉

国外有部分学者针对泡沫混凝土的优良保温隔热性能,他们尝试将其作为能够经受高温火烤并能隔热的材料并运用于窑炉的修建工程当中。Nhi Tuan Pham[32]等基于地质聚合物法结合H2O2产生泡沫的粉煤灰制备泡沫混凝土,特别是当用Geopolymer法合成泡沫混凝土时,产品的耐热性可高达1000℃。泡沫混凝土可作为窑炉的耐火隔热材料,在耐火隔热领域中广阔的市场前景为其打开。

2.2.4 海上钻井平台

在客观条件作用下,海上钻井作业常因震动而对海上钻井平台结构造成破坏。国外使用泡沫混凝土材料来浇筑海上钻井平台结构以构筑抗冲击层来防止泥浆泵、钻头、钻管掉落。这一是源于泡沫混凝土质轻,二是因其含有的大量泡沫而具有吸能减震的功效。

2.2.5 房屋澳门新葡亰网址工程

鉴于泡沫混凝土保温隔热性能,且能预制及现场浇筑,所以被技术人员广泛应用于房屋澳门新葡亰网址方面。应用的主要方式有预制产品的安装砌筑、屋面的现场浇筑、墙体的现场浇筑等。例如,泡沫混凝土在中远东地区、南非及俄罗斯等地被应用到了澳门新葡亰网址房屋、屋面找坡和屋面隔热的领域。

2.2.6 军事工程

军用领域上,技术人员利用泡沫混凝土结构可以产生比较大的阻尼和消散能量,以此对射击靶场和地下抗爆坑道两方面进行建设。欧美国家针对实弹演练研究开发了纤维增强泡沫混凝土,主要原因是对比于普通混凝土,泡沫混凝土除了可以使子弹不易腐蚀外,还可防止子弹受到碰撞带来的噪音污染。

2.2.7 声屏障工程

日常生活中,交通噪音始终困扰着生活在路旁居民。因此,国外某些声屏障工程利用泡沫混凝土优质的吸音功能,现场浇筑泡沫混凝土墙体以此来达到隔音的效果。

3 我国泡沫混凝土存在的问题

3.1 理论研究方面

(1)泡沫混凝土具有质轻、保温隔热等优良性能,原因主要在于泡沫混凝土不含有粗集料和内部分布着大量的密闭空腔。国内外大多学者对混凝土宏观上的研究众多,但缺乏对泡沫混凝土的微观结构的研究,泡沫混凝土的优良性能、组成材料及微观结构相关性研究系统性不足[33,34]。

(2)近些年来,国内对泡沫混凝土在密度、强度及热工性能有比较深入的研究,但是在耐久性、渗透性、干缩性能等领域的研究还比较欠缺。

(3)目前我国泡沫混凝土的密度范围在400~1600kg/m3之间,相比于聚苯泡沫板的密度还是有很大的差距。超轻泡沫混凝土的密度一般小于100kg/m3,其导热系数与无机保温板大致接近,大概在0.04左右。在实验室可以制得大约100kg/m3的泡沫混凝土,但是怎样在工业上稳定的生产并如何将密度突破到70kg/m3左右,这两个问题可作为广大学者下阶段为之奋斗的方向[35]。

(4)国内权威部门缺少关于泡沫混凝土的各种实行标准及检测方法,不同的研制单位都根据各自的研究状况 ,采用自己的测试方法及技术指标。

3.2 实际应用方面

(1)生产设备问题。截至到目前,国内在生产泡沫混凝土和泡沫混凝土的施工方面的机械设备缺少一致确定的型号,而且泡沫混合比例、泡沫料浆湿密度及水泥净浆配比等还需要靠人工经验进行调配,无法做到对浆体密度和计量的精确把控。

(2)吸水率高、干燥收缩较大及抗压及抗折强度偏低等缺陷是目前泡沫混凝土普遍留下的问题。泡沫混凝土在体积密度为 830 kg/m3 左右时,因其抗压强度大多数都在2.0MPa以下,抗压强度过于偏低在工程应用得不到应用。泡沫混凝土表观密度不大于400kg/m3时,其作为保温隔热材料抗压强度在0.4MPa之下[36]。

(3)高技术领域的应用问题。在我国高技术领域,泡沫混凝土应用领域比较局限,例如屏蔽电磁、核设施工程、海上工程、抗爆等方面。泡沫混凝土微结构和性能的研究是其重中之中,应加强其研究力度,挖掘潜力,研究出高性能泡沫混凝土制品[34]。

(4)近年来,国内的泡沫混凝土的应用方面取得了很大的成效。但是与国外相比,泡沫混凝土制品整体的规模偏小,技术方面水平较低,没有大量应用的主导产品。

4 结语

目前,随着我国的经济的发展壮大,国家对生态、节能等方面也越来越受到重视。泡沫混凝土因其具有多种优良性能,近年来在澳门新葡亰网址材料中被普遍推广应用,在保温隔热材料中更是取代了有机保温材料,具有广阔的应用前景。虽然在理论研究及其在实际应用中还存在着一定问题,但是只要不断加强对泡沫混凝土理论的深入研究,对其生产设备、生产工艺等方面的优化升级,另外结合泡沫混凝土的功能优势与澳门新葡亰网址节能的国内发展形势,泡沫混凝土必定会成为我国最为重要的澳门新葡亰网址“绿色”功能材料。

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