基于泡沫混凝土性能影响的研究与分析

肖文淇，赵洪凯

（吉林建筑科技学院，吉林 长春 130114）

泡沫混凝土是通过发泡剂发泡，并将泡沫与水泥浆体完全混合而制成的一种新型建筑材料。在制备过程中产生了大量的封闭气孔，气孔内的空气有效地阻止了热传递，起到了保温效果[4-5]。此外，泡沫混凝土中不仅有封闭的气孔，同样还会产生一些开孔的气孔，这些开孔的气孔能够吸收声音，而封闭的气孔阻碍声音的传递，这种既能吸声又能隔声的性能使得泡沫混凝土在市场中有很强优势[6-7]。因此，进一步提高泡沫混凝土的性能是目前研究的重点，能够使其被广泛应用，起到环保节能的效果[8]。

1 泡沫混凝土的优势

泡沫混凝土具有较高的流动性、良好的隔热性能、低水泥含量和低骨料使用率而被认可。在建筑施工中被广泛应用于节能环保、降低生产运输和人工成本等方面[9]。泡沫混凝土具有以下优势。

1） 密度小

泡沫混凝土的应用领域相对较广，在进行灌浆保温时，通常采用密度约为400 kg/m3的泡沫混凝土；用作非结构构件时，采用密度约为600 kg/m3，而密度在1 200 kg/m3～1 950 kg/m3范围时，通常作为结构构件。在具体的应用与实践过程中，泡沫混凝土能够有效实现建筑自重的降低，给工程开发带来可观的经济效益。

2） 导热系数低

由于泡沫混凝土的闭孔结构，导致其质量相对较轻，导热系数通常为0.66 W/(m·K)，密度1 600 kg/m3。通过试验可知，热导率与密度成反比关系，即随着密度体积相对增加，绝热性相对降低。因其具有良好的节能效果，通常作为墙体或屋面材料[10]。

3） 耐火性能优良

共词分析法 （Co-word analysis）是信息计量学的一种重要研究方法，常用在文献计量学领域探测某一学科或主题的研究热点或学科结构等，其基本原理是：当两个能够表达某一学科或主题的专业术语在同一篇文献中出现时，表明这两个词具有内在联系，共同出现的次数越多，表明这两个术语关系越紧密， “距离”越近。根据两个术语的这种 “距离”，利用现代多元统计方法和工具，研究者可将一个学科内的重要关键词进行分类，归纳出某学科领域的研究热点、学科结构等信息 [1]。

现有的研究工作表明，泡沫混凝土的耐火范围接近普通混凝土，然而在高温下，会因高蒸发率而产生过度收缩。泡沫混凝土的组成成分或配合比是决定耐火性能的重要依据，经试验表明其密度与耐火性成反比。据报道，950 kg/m3和1 200 kg/m3的混凝土可以分别承受3.5 h 和2 h 的火灾[11]。

4） 隔声性能优异

泡沫混凝土隔声性能相对较高，主要是其拥有细胞状的微观结构[12]，同样也受到泡沫含量、泡沫数量、孔隙大小和分布及其均匀性的影响[13-14]。然而隔声性能和反射频率基本取决于混凝土质量的实际刚度，即表面密度。基于固体壁面声阻理论，声反射频率依赖壁面厚度及其容重，因此，当混凝土墙较厚时，它反射的声音比蜂窝墙能吸收要高[15]。

2 泡沫混凝土的国内外研究现状

下本基于水泥类型的划分、发泡剂类型的选择及掺合料的应用等方面，阐述了国内外涉及泡沫混凝土性能的相关探讨与结论。

2.1 水泥类型对泡沫混凝土性能的影响与研究

不同的水泥类型对泡沫混凝土的相关性能影响较大。Zhang Z 等[16]以F 类粉煤灰为原料，替代部分矿渣水泥，用搅拌发泡工艺制备出聚合物泡沫混凝土（GFC）。通过改变泡沫掺量的多少，制备几组不同密度的GFC。经试验测得，GFC 28 d 的干密度为585 kg/m3～1 370 kg/m3，导热系数为0.15 W（/m·K）～0.48 W（/m·K），在相同密度和强度下，其保温性能优于普通硅酸盐水泥泡沫混凝土。Pan Z 等[17]同样采用了搅拌发泡工艺，制备出密度在150 kg/m3～300 kg/m3的超低密度泡沫混凝土，而原料选用的是普通硅酸盐水泥，另外适当的引入化学外加剂和物理外加剂，调节新拌水泥浆体的流变性能和硬化速度，以及硬化泡沫混凝土的物理性能。经试验测得养护龄期为28 d 的泡沫混凝土导热系数为0.05 W（/m·K）～0.07 W（/m·K）。

2.2 发泡剂类型对泡沫混凝土性能的影响与研究

泡沫质量的优劣和发泡剂存在直接的关系。Ramamurthy K 等[18]认为，NaOH，NaCl 和 Na2CO2的加入提高了SLS 泡沫混凝土的泡沫密度、泡沫稳定性和粘度，这主要是共同离子效应作用的结果。Hajimohammadi A 等[19]报道了黄原胶（XG）稳定剂能够有效地提高泡孔液膜的粘度，此外在整个测试期间，0.45%的XG 浓度完全阻止了引流。Kuzielova E等[20]比较了 FN1 蛋白“低浓度”、“正常浓度”和“微波超声处理系列”制备的泡沫混凝土。经处理的系列产品和较低浓度的发泡剂相比于普通发泡剂具有更高的泡沫稳定性。此外，Cai J K 等[21]对YX-M-8 发泡剂、木质素添加十二烷基硫酸钠和木质素添加YX-M-8 型发泡剂进行了比较，认为从秸秆中提取的木质素和YX-M-8 混合的发泡剂效果要优于YX-M-8 发泡剂。Li T 等[22]，Ma C 等[23]和 Fu X J 等[24]分别对磷酸镁水泥泡沫混凝土进行了试验分析，采用3 种不同的发泡剂进行试验研究，发现在密度同为650 kg/m3的情况下，采用NaHCO3作为发泡剂的MPC 泡沫混凝土的导热性能最好，为0.078 W（/m·K），而其他2 种发泡剂H2O2和锌粉制成的MPC 泡沫混凝土的导热系数为0.226 W（/m·K）和0.19 W/（m·K）。这说明在密度及制备工艺相同的情况在，采用不同的发泡剂对泡沫混凝土的性能有一定的影响。

2.3 掺合料对泡沫混凝土性能的影响与研究

由于泡沫在制备过程中会产生聚结和歧化现象，导致泡沫很难稳定且完整存在，那么怎样才能使泡沫不破碎、不消泡是目前需要研究的主要问题。通过查阅文献可知，目前一些国内外学者对泡沫稳定性研究处于初级阶段，虽然有些研究对泡沫的稳定性起到了一定作用，但其他性能相对降低。

She W 等[25]研究发现，采用纳米粒子和有机表面活性剂产生耦合反应，改变了气液界面中的表面张力，从而完成了泡沫混凝土超稳定性的制备与应用；同时研究了纳米改性泡沫材料在泡沫混凝土中的加固和稳定机理。Yoon H S 等[26]通过试验结果发现，气凝胶颗粒均匀附着在孔壁上，与普通泡沫混凝土相比，纳米气凝胶泡沫混凝土的导热系数约为普通泡沫混凝土的30%~50%，其24 h 的吸水率降低了75%。Wang X 等[27]通过改变泡沫体积的相对高度，研究了硅灰颗粒对泡沫体积稳定性的影响。通过密度、抗压强度、黏度、强度及重量等试验，研究了不同龄期硅灰掺量对泡沫混凝土性能的影响比率、扫描电镜（SEM）及孔径分布的分析。结果表明，由于在发泡阶段加入了硅灰，从而使得泡沫的泡孔更加完整稳定。

3 发泡方法

需要明确的是，当采用一定质量的发泡剂时，通过发泡而产生最大量的泡沫，即为发泡能力。而对于泡沫稳定性，可将其理解为在泡沫不发生破裂消失前，能够稳定存在的最大时间区间。目前所使用的发泡方法及测定方法主要包括以下类型。

1） 高速搅拌法

高速搅拌发泡法，也叫做Waring-Blender 法。通常量取100 ml 的发泡剂溶液，缓慢倒入1 L 的量杯中进行高速搅拌，转速一般在1 000 r/min 以上，直到发泡剂溶液的体积不在发生变化为止。

目前此方法在国内制造泡沫时运用较多，同时欧洲等其他国家运用此方法也相对普遍。主要是由于此法操作简捷，重现性较好，能够相对准确地体现出发泡剂的起泡能力及泡沫的稳定性。因此采用高速搅拌法发泡对制造泡沫混凝土来说利用率相对较高。

2） 压缩空气法

压缩空气法主要是采用空气压缩机，进而完成对泡沫的制备。适量的发泡剂溶液加入发泡机中，同时调节空气的压强，使其产生高压气流，使得形成的泡沫吹出[28]。压缩空气法制备的泡沫大小均匀，且发泡剂利用率高，但由于设备成本较大、工艺复杂，一般不予以使用。

此法与上述的高速搅拌法相比，设备复杂，但其发泡效率相对较高，泡沫的质量也相对较好；其次，压缩空气法是将泡沫直接吹进搅拌好的水泥浆料里，防止泡沫与空气直接接触，从而避免泡沫消泡，减少了中间环节，使得泡沫相对稳定。

3） 罗氏法

罗氏法，也叫做Ross-Miles 法，其命名来源于罗氏泡沫仪的应用。在试验中的温度要控制在40℃左右，发泡剂溶液同样加热至40℃，随后量取200 ml 加入滴管内，打开滴管活塞使其流出；溶液完全流出后记录具体的泡沫高度，通常用H0表示，这一数据能够有效反映发泡剂的发泡能力；当泡沫高度达到H0的1/2 时，计时暂停，这种状态下的时间用T1/2表示，称之为泡沫半衰期，即泡沫稳定性。

此法在严格定义的条件下能够分别研究泡沫排水和泡沫稳定的主要过程，同时在毛细管恒压下能够测量出泡沫的稳定性和寿命，此外还能表述出所有的泡沫特性。因此，罗氏法主要应用在科研、教学等相对要求较高的领域。

4）其他方法

除以上3 种方法外，一些研究部门还会使用震荡法或者将罗氏法与震荡法相互结合等相关方法来完成对泡沫剂的发泡处理。对于震荡法来讲，其主要原理是通过发泡剂溶液的高速震荡来获取大量的泡沫，基于发泡高度来测定其发泡能力，泡沫高速下降1/2 时所用的时间即为泡沫稳定性。此前同济大学曾用过震荡法来制备泡沫，但由于每次的震荡频率及角度问题导致误差较大，影响试验结果，所以没有被广泛应用。

4 存在的问题

随着建筑行业的快速发展，泡沫混凝土的应用范围越来越广，但仍然面临许多问题，通过查阅目前的成果来看，虽然泡沫混凝土具有保温、耐火、隔音等优异性能，但泡沫的稳定性仍较难控制，在泡沫混凝土的制备过程中，内部产生一些大孔径的气孔，且孔径分布不均匀，同时还会出现连通孔、塌孔等现象，这使得泡沫结构相对不稳定，从而导致其无法在日常的工程实践中得到广泛应用。正因为泡沫稳定性差的原因，使得泡沫混凝土出现强度低、整体性差及收缩大等问题，导致在应用方面受到一定限制。因此，研制新型泡沫混凝土仍需持续发展，可通过掺加外加剂改善泡沫混凝土的基本性能，进而达到控制泡沫混凝土质量稳定性的目的。

5 结语

综上所述，泡沫混凝土因其具有质量轻、保温性好、隔声性能优异等特点，广泛应用于工程领域。①由于泡沫混凝土性能参数众多，本文主要对几种典型的优异性能进行了介绍，分别从密度、导热系数、耐火性和隔声性能进行了综述。②分析泡沫混凝土国内外的研究现状，分别从水泥类型，发泡剂类型和掺合料3 方面对泡沫混凝土的性能进行了分析与研究。③针对几种不同的发泡方法：高速搅拌法、压缩空气法、罗氏法等进行了介绍，简要论述了3 种不同制备方法的工艺及特点。④目前泡沫混凝土尚且存在一些问题，稳定性差是限制其普遍推广使用的主要问题，因此提高泡沫混凝土的稳定性将是未来的研究方向。