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泡沫混凝土研究进展综述
浏览: 发布日期:2019-07-11

中图分类号:TU528

文献标志码:A

文章编号:1671-4563(2018)11-021-06

DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2018.11.006

引言

泡沫混凝土是指用物理方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫,再将泡沫加入到由水泥基胶凝材料、集料、掺合料、外加剂和水等制成的浆料中,经混合搅拌、浇注成型、自然养护或蒸汽养护而成的轻质多孔材料。泡沫混凝土中没有普通混凝土所使用的粗集料,同时含有大量气泡,因此表现出显著的轻质特性,密度等级一般为300~1 800 kg/m3,常用泡沫混凝土密度在300~1 200 kg/m3范围内。采用泡沫混凝土作为墙体屋面材料可以大大减轻建筑物的自重,增加楼层高度,实现建筑物的高层化,从而节约建筑占地面积。由于泡沫混凝土中含有大量封闭的小孔,使其具有优异的保温隔热性能,密度等级在300~1 200 kg/m3范围内的泡沫混凝土,导热系数一般在 0.08~0.3 W/m·K,远远小于普通混凝土、粘土砖和玻璃的导热系数。因此,利用泡沫混凝土作建筑墙体及屋面材料,可以起到良好的节能效果。气泡的引入大大改善了新拌混凝土的流动性,使其工作性远远优于普通混凝土。泡沫混凝土中还往往掺加粉煤灰、矿渣等工业废弃物,以减少水泥用量,生产过程清洁无污染,起到节能、利废、环保的作用。除此之外,泡沫混凝土具有良好的隔音、防火和抗震性能。因此,泡沫混凝土是一种极具利用前景的新型建筑材料。

尽管泡沫混凝土于1923年即被申请了专利,其在建筑中作为一种轻质的非结构或半结构材料的应用在最近几年才得到发展。在过去的几十年中,国内外学者对泡沫混凝土作了大量研究,Valore分别于1954年和1963年对泡沫混凝土的组成材料、生产方式和物理性能做了较为全面的研究。Jones MR与McCarthy A总结了泡沫混凝土的应用历史,组成材料及其性能,世界范围内的工程应用情况等。本文从泡沫混凝土的原材料、配和比设计、新拌混凝土性能、硬化混凝土物理性能、机械性能、强度、耐久性能、保温隔热性等方面,对国内外泡沫混凝土的最新研究成果作较为全面的先容。

1 原材料

1.1 水泥浆料

泡沫混凝土水泥浆料的基本组分为水泥、水、掺合料、集料及外加剂等。

⑴ 水泥:水泥是泡沫混凝土产生强度的主要胶凝材料,除了普通波特兰水泥,泡沫混凝土的研究和生产中经常采用早强波特兰水泥、硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥等以缩短水泥凝结时间,提高泡沫混凝土的早期强度。

⑵ 掺合料:泡沫混凝土常用掺合料为粉煤灰和粒化高炉矿渣 ,其水泥取代率可分别达到30%~70%和 10%~50%,此外,掺加少量的硅灰可以提高泡沫混凝土的强度。掺合料的使用可以降低成本、提高拌合物稠度、降低水化热及促进泡沫混凝土后期强度的发展。

⑶ 集料:除了细砂作为泡沫混凝土的细集料外,轻质陶粒、膨胀珍珠岩、聚苯颗粒也可作为细集料填充在混凝土中以减轻泡沫混凝土自重或改善其他性能。

⑷ 外加剂:泡沫混凝土中使用的外加剂主要有早强剂、减水剂、速凝剂、膨胀剂等。肖力光在拌合物中加入早强剂氯化钙,使泡沫混凝土的7 d强度得到明显提高。另一方面,Jones MR[2]指出减水剂的使用可能是引起泡沫不稳定的一个原因。因此,外加剂使用中,其与泡沫混凝土的相容性至关重要。

⑸ 其他:为了改善泡沫混凝土的抗剪切性能,可在拌合物中添加一些短纤维材料如聚丙烯纤维、抗碱性玻璃纤维、聚乙烯醇纤维等材料。纤维在基体中起到抗裂作用,提高泡沫混凝土的抗变形能力。

1.2 发泡剂

用于泡沫混凝土中的发泡剂大体可以分为4个类别:松香树脂类发泡剂、合成类发泡剂、蛋白型发泡剂和复合型发泡剂。发泡剂的质量对泡沫混凝土的性能起着非常关键的作用,通常以泡沫稳定性、泌水性和沉陷距作为评定泡沫性能的指标,其中泡沫稳定性最为重要,与产品的性能、质量、成品率、合格率等密切相关。加入适当的稳泡剂可以提高泡沫的稳定性。发泡剂本身不可自动生泡,必须通过发泡机的机械作用生成泡沫,发泡机主要有以下几种:低速搅拌型(普通砂浆和混凝土搅拌机)、高速叶轮型(立式叶轮机,卧式叶轮机)、压力型(高压空气型,中低压鼓风型)。其中,高压空气型发泡机制泡质量最好,泡沫小,泡沫均匀,起泡量大,是制取泡沫的最佳选择。

泡沫混凝土的生产可以采用预发泡工艺或混合发泡工艺。预发泡工艺分成两步,第一步是制泡与制浆,即将发泡剂制成稳定的泡沫,将水泥、水、集料等搅拌成浆体拌合物;第二步是混合搅拌,将制备好的泡沫和浆体充分混合搅拌。混合发泡工艺是直接将发泡剂、水泥、水、集料等同时混合搅拌,在搅拌过程中使发泡剂发泡。制成的泡沫必须坚固稳定才能承受浆体带来的压力,直至浆体初凝后在气泡周围形成较为坚实的骨架结构。

2 配合比设计

泡沫混凝土没有普通混凝土所用的粗骨料,且含有大量气泡,并且不同种类、不同品牌泡沫剂起泡能力相差较大,轻集料的孔结构和组成变化很大。因此,致使它不能像普通混凝土一样,用一个较为公认的计算公式来计算泡沫混凝土的配合比设计。目前主要是通过参数的选择和简单的经验公式计算,并通过试验的方法来确定各组分的用量。基于固相体积计算法,美国混凝土协会(ACI)与美国材料与试验协会(ASTM)分别提出了多孔混凝土配合比设计指南ACI 523-1975和使用预制泡材料生产泡沫混凝土用发泡剂的试验方法 ASTM C796-97,可以作为泡沫混凝土配合比设计参考。

3 新拌泡沫混凝土性能

为避免破坏浆体中的气泡,泡沫混凝土不可采取压实或振动成型,因此,泡沫混凝土应具备良好的流动性与自密性。上述两种性能通常以混凝土的稠度和稳定性来衡量,与拌合物用水量、泡沫含量以及其他固相组分含量相关。

3.1 稠度

泡沫混凝土稠度用浆体mash筒流动时间或扩展度试验表示 。研究表明利用粗粉煤灰取代砂作填料,其拌合物扩展度提高2.5倍;而当砂由细粉煤灰取代时,其拌合物稠度降低。上述现象是由于细粉煤灰需水量大,因此对于大掺量细粉煤灰泡沫混凝土,为了保证适当的稠度,水固比应相应地提高。对于一定的水固比,集料或填料的颗粒形状和尺寸大小对浆体拌合物的稠度影响较大。

3.2 稳定性

泡沫混凝土稳定性是指在某一稠度下,新拌浆体测试密度与设计密度比值接近于1,且不存在任何的离析与泌水现象,即体积稳定性。稠度是影响泡沫混凝土稳定性的重要因素,与泡沫用量和填料的性质相关。因此,应确定一合适的水固比来同时满足稠度和稳定性的需要。

4 硬化泡沫混凝土性能

硬化泡沫混凝土性能可以分为物理性能(干燥收缩,密度,孔隙率和孔结构,吸水性)、机械性能(抗压与抗张强度,弹性模量)、耐久性能(渗透性,抗侵蚀性)和功能特性(导热性,声学性,抗火性)。

4.1 物理性能

4.1.1 干燥收缩

由于没有普通混凝土使用的粗骨料,因此泡沫混凝土的干燥收缩较大。经高压蒸养的泡沫混凝土,其收缩值可以降低12%~50%,且强度也相应提高。一般而言,混凝土密度愈低,其干燥收缩愈小,这是因为水泥浆含量减小的缘故。以细砂取代粉煤灰作填料时,泡沫混凝土干缩减小,这是因为细砂抵抗收缩变形的能力大于粉煤灰。因此,可以使用轻质陶粒、膨胀珍珠岩、玻化微珠等轻质集料来减小泡沫混凝土的干燥收缩。

4.1.2 孔结构

水泥基材料的孔结构对材料的强度和耐久性具有重要影响。泡沫混凝土的孔包括凝胶孔、毛细孔和气孔(发泡剂形成的气孔以及注模成型时混入的气孔)。由于泡沫混凝土是一种自流平与自密实材料,且没有粗骨料,因此成型时混入的气孔微乎其微,可以忽略。泡沫混凝土中的气孔可以用孔体积、孔尺寸、孔径分布、孔形状和孔间距来表征。

孔结构参数中,孔径分布是影响混凝土强度的最重要因素之一。泡沫混凝土中孔尺寸均匀、孔径分布窄时其强度高。以粉煤灰作填料,可以在气泡上形成均一的膜层防止了气泡之间相互合并,从而使混凝土内部气孔尺寸均匀。当使用较多的泡沫时,由于气泡之间的相互合并导致气孔尺寸离散、孔径分布宽,最终引起泡沫混凝土强度下降。除了气孔尺寸和孔径分布外,泡沫混凝土的抗压强度还与气孔/浆体比、孔间距、孔数目等因素相关。Wee TH等人研究了水泥-粒化高炉矿渣泡沫混凝土后得出,当孔间距、孔尺寸、孔隙率分别为 0.04 mm、0.12 mm、42%时,泡沫混凝土的性能最为理想。泡沫混凝土中连通孔的比例相对加气混凝土少,因此泡沫混凝土吸声与吸水能力较小。

4.1.3 密度

泡沫混凝土密度分为湿密度和干密度。湿密度难以进行理论计算,这是因为进行混合搅拌时泡沫会产生损失,停止搅拌后也存在继续发泡的现象,因此湿密度结果较为离散,与计算值偏差较大。仅在进行配合比设计时采用湿密度。而泡沫混凝土的许多物理性能取决于干密度。McCormick研究了细集料类型、集料级配、泡沫剂类型和砂-灰比对泡沫混凝土湿密度的影响。结果表明,利用固相体积计算法计算湿密度时,其偏差可在设计密度的5%以内。以细砂作集料的泡沫混凝土密度较大,水泥的需求量也较大。Durack JM用粉煤灰取代细砂作集料,在降低混凝土密度的同时提高了强度。换言之,对于一定密度的泡沫混凝土,以粉煤灰作集料可以减少泡沫用量,从而提高泡沫混凝土的强度。

4.2 机械性能

4.2.1 抗压强度

随着干密度的降低,泡沫混凝土的抗压强度急剧减小。试件尺寸与形状、发泡方式、荷载方向、水含量、灰-砂比、外加剂性质、养护方式等均会对泡沫混凝土的抗压强度产生不同程度的影响 。对于干密度在500~1 000 kg/m3范围的泡沫混凝土,抗压强度随孔尺寸的增大而降低;对于干密度大于1 000 kg/m3的泡沫混凝土,孔数目少,此时抗压强度主要取决于浆体的性质。当水灰比较高时(在浆体稠度和稳定性允许范围内),随着水灰比的增大,泡沫混凝土强度有提高的趋势,这与普通混凝土或砂浆恰恰相反。

Kearsley研究了用分级与未分级两种粉煤灰分别取代水泥后泡沫混凝土强度发展变化。研究结果显示,当水泥取代率达到67%时,两份粉煤灰泡沫混凝土的抗压强度不会发生明显损失。这一结果表明,泡沫混凝土的抗压强度主要是干容重的一个函数,并且以粉煤灰取代水泥时,其强度发展较慢,最终强度大于单掺水泥泡沫混凝土的强度。以硅灰取代部分水泥时,火山灰反应活性以及填充效应,使泡沫混凝土具有更高的强度,且对于高容重的泡沫混凝土,这种增强效应更为明显。

当容重一定时,以细砂作集料,泡沫混凝土的抗压强度高于粗砂。这是因为以细砂作集料时,混凝土中孔尺寸均匀、孔径分布窄,而以粗砂作集料时,混凝土中孔尺寸较大且孔径分布不均匀。以粉煤灰取代部分水泥时,泡沫混凝土的强度/密度比较高,粉煤灰的这种增强效应在混凝土密度较大时更为明显,这是因为低密度情况下,决定泡沫混凝土强度的是孔隙而不是材料本身的性能。

从养护制度而言,高压蒸养可以提高泡沫混凝土的强度。总的来说,水养泡沫混凝土的抗压强度高于空气中养护的混凝土。另研究表明,在温度40℃条件下,以潮湿空气养护,混凝土抗压强度高于普通水养的试件。

4.2.2 抗折强度与抗拉强度

多孔混凝土的抗折与抗压强度比一般在0.25~0.35的范围内。泡沫混凝土的劈裂抗拉强度低于普通混凝土。掺粉煤灰泡沫混凝土其劈裂抗拉强度小于掺砂泡沫混凝土,因为砂与水泥浆之间的抗剪切能力较大。另研究表明,聚丙烯纤维可以改善泡沫混凝土的抗折与抗拉性能。

4.2.3 弹性模量

泡沫混凝土的静弹性模量远远小于普通混凝土及轻集料混凝土,干容重为500~1 000 kg/m3的泡沫混凝土,其静弹性模量一般为 1.0~8.0 kN/mm。普通混凝土的E值大约为泡沫混凝土的4倍。粉煤灰取代部分水泥而不掺砂时,其E值低于砂-泡沫混凝土。这是因为前者只有净浆而没有集料。研究表明,利用聚丙烯纤维可以使泡沫混凝土的E值提高2~4倍。表1列举了文献报道的泡沫混凝土弹性模量与其密度、抗压强度之间的数学关系。

表1 泡沫混凝土弹性模量和密度、抗压强度的关系
Tab.1 Relationship between Elastic Modulus,Density and Compressive Strength of Foam Concrete

泡沫混凝土弹性模量和密度、抗压强度的关系

注:W为泡沫混凝土密度(kg m3);fc为抗压强度(N mm2);E 为弹性模量(kN mm2)。

4.2.4 强度预测模型

Hoff建立了一个强度-孔隙率模型对泡沫混凝土抗压强度进行预测,模型中混凝土分为水泥净浆和由可蒸发水与气孔填充的体积。Kearsely和Wainwright认为 Hoff的模型可有效对不同龄期、不同密度、有无粉煤灰取代的泡沫混凝土抗压强度进行预测。但是,该模型基于水泥净浆与孔隙,因此不能对有细砂作集料的泡沫混凝土强度进行有效预测。

4.3 耐久性能

4.3.1 渗透性

泡沫混凝土的吸水性随密度的减小而降低,这是因为低密度混凝土水泥浆体积少,因此毛细孔数量少。泡沫混凝土的吸水性主要受水泥净浆的影响,发泡剂引入的气泡主要是封闭通道,并不参与吸水。普通混凝土通常用吸取水分质量与混凝土质量百分比来衡量吸水能力大小,而泡沫混凝土密度小,如以质量百分率来表示吸水能力数值偏大,容易让人产生误解,因此对于泡沫混凝土的吸水能力宜采用单位体积混凝土的吸水量来表示。

4.3.2 抗侵蚀性

泡沫混凝土的抗侵蚀性包括抗冻融破坏、抗硫酸盐侵蚀、抗碳化与抗氯离子侵蚀等。Jones MR和Mc-Carthy研究了硫酸盐侵蚀作用12个月后泡沫混凝土性能,结果表明泡沫混凝土具有良好的抵抗化学侵蚀的能力。另外,他们的研究表明低容重泡沫混凝土其碳化速率较快。相比水泥-砂泡沫混凝土和水泥-粉煤灰泡沫混凝土,水泥-粉煤灰泡沫混凝土的碳化速率较快。加速氯离子侵蚀试验表明,泡沫混凝土与普通混凝土抗氯离子侵蚀能力相当,且低容重条件下抗腐蚀能力更强。

4.4 保温隔热性

因为其特殊的孔微观结构,泡沫混凝土具有优异的隔热性能。容重为1000kg/m3的泡沫混凝土,其导热系数约为普通砂浆的六分之一。对于干容重为600~1600kg/m3的泡沫混凝土,其导热系数在 0.1~0.7W/m·K范围内,为普通混凝土的5%~30%,随容重降低导热系数减小。因此,以泡沫混凝土作墙体材料,可以起到良好的隔热性能。

泡沫混凝土导热系数与其容重大致呈反比关系,容重愈大,导热系数愈低。对于轻集料泡沫混凝土,容重降低 100 kg/m3时,其导热系数大约下降 0.04 W/m·K。净浆或砂浆与泡沫的比值直接影响泡沫混凝土的容重,进而影响它的隔热性。

粉煤灰等轻质集料对泡沫混凝土隔热性的影响。Giannakou A的研究显示,掺 30%(水泥重量百分比)的磨细粉煤灰,泡沫混凝土的导热系数降低12%~38%左右(相比纯水泥泡沫混凝土)。Jones MR和McCarthy A的研究表明,干容重在 1 000~1 200 kg/m3范围内的泡沫混凝土,其导热系数在 0.23~0.42 W/m·K之间。Weigler认为,轻质集料的使用有利于降低泡沫混凝土的导热系数。Proshin A通过在泡沫混凝土中掺聚苯颗粒,研制出容重在200~650 kg/m3,导热系数为 0.06~0.16 W/m·K 的超轻泡沫混凝土。

5 结论与展望

泡沫混凝土作为一种绿色节能、保温隔热、防火隔音的新型建筑材料,正在受到越来越多的关注和更加广泛的应用。目前,泡沫混凝土主要应用于泡沫混凝土砌块、泡沫混凝土复合墙板、现浇泡沫混凝土保温墙体、现浇泡沫混凝土屋面保温、现浇泡沫混凝土路基回填等领域。然而,随着泡沫混凝土的推广应用,其存在的强度不足、泡沫稳定性差和现浇工艺不成熟等问题不断突显,在一定程度上制约了该材料的进一步应用。作为一种多孔材料,孔结构特征是决定泡沫混凝土最重要的参数,而对孔结构起到关键作用的是发泡剂和制泡工艺。因此,开发一种性能稳定的发泡剂和成熟的发泡工艺是保证泡沫混凝土性能稳定的重要因素。对于现浇泡沫混凝土,总结施工应用中存在的问题并探求解决方案也至关重要。此外,完善泡沫混凝土质量的检测和验收规范,进一步促进泡沫混凝土的良性发展,让泡沫混凝土为我国的建筑节能事业发挥更大的作用。

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