肖文淇，趙洪凱

（吉林建筑科技學(xué)院，吉林 長春 130114）

泡沫混凝土是通過發(fā)泡劑發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿體完全混合而制成的一種新型建筑材料。在制備過程中產(chǎn)生了大量的封閉氣孔，氣孔內(nèi)的空氣有效地阻止了熱傳遞，起到了保溫效果[4-5]。此外，泡沫混凝土中不僅有封閉的氣孔，同樣還會產(chǎn)生一些開孔的氣孔，這些開孔的氣孔能夠吸收聲音，而封閉的氣孔阻礙聲音的傳遞，這種既能吸聲又能隔聲的性能使得泡沫混凝土在市場中有很強(qiáng)優(yōu)勢[6-7]。因此，進(jìn)一步提高泡沫混凝土的性能是目前研究的重點(diǎn)，能夠使其被廣泛應(yīng)用，起到環(huán)保節(jié)能的效果[8]。

1 泡沫混凝土的優(yōu)勢

泡沫混凝土具有較高的流動性、良好的隔熱性能、低水泥含量和低骨料使用率而被認(rèn)可。在建筑施工中被廣泛應(yīng)用于節(jié)能環(huán)保、降低生產(chǎn)運(yùn)輸和人工成本等方面[9]。泡沫混凝土具有以下優(yōu)勢。

1） 密度小

泡沫混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域相對較廣，在進(jìn)行灌漿保溫時(shí)，通常采用密度約為400 kg/m3的泡沫混凝土；用作非結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，采用密度約為600 kg/m3，而密度在1 200 kg/m3～1 950 kg/m3范圍時(shí)，通常作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在具體的應(yīng)用與實(shí)踐過程中，泡沫混凝土能夠有效實(shí)現(xiàn)建筑自重的降低，給工程開發(fā)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2） 導(dǎo)熱系數(shù)低

由于泡沫混凝土的閉孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其質(zhì)量相對較輕，導(dǎo)熱系數(shù)通常為0.66 W/(m·K)，密度1 600 kg/m3。通過試驗(yàn)可知，熱導(dǎo)率與密度成反比關(guān)系，即隨著密度體積相對增加，絕熱性相對降低。因其具有良好的節(jié)能效果，通常作為墻體或屋面材料[10]。

3） 耐火性能優(yōu)良

共詞分析法 （Co-word analysis）是信息計(jì)量學(xué)的一種重要研究方法，常用在文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)領(lǐng)域探測某一學(xué)科或主題的研究熱點(diǎn)或?qū)W科結(jié)構(gòu)等，其基本原理是：當(dāng)兩個(gè)能夠表達(dá)某一學(xué)科或主題的專業(yè)術(shù)語在同一篇文獻(xiàn)中出現(xiàn)時(shí)，表明這兩個(gè)詞具有內(nèi)在聯(lián)系，共同出現(xiàn)的次數(shù)越多，表明這兩個(gè)術(shù)語關(guān)系越緊密， “距離”越近。根據(jù)兩個(gè)術(shù)語的這種 “距離”，利用現(xiàn)代多元統(tǒng)計(jì)方法和工具，研究者可將一個(gè)學(xué)科內(nèi)的重要關(guān)鍵詞進(jìn)行分類，歸納出某學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、學(xué)科結(jié)構(gòu)等信息 [1]。

現(xiàn)有的研究工作表明，泡沫混凝土的耐火范圍接近普通混凝土，然而在高溫下，會因高蒸發(fā)率而產(chǎn)生過度收縮。泡沫混凝土的組成成分或配合比是決定耐火性能的重要依據(jù)，經(jīng)試驗(yàn)表明其密度與耐火性成反比。據(jù)報(bào)道，950 kg/m3和1 200 kg/m3的混凝土可以分別承受3.5 h 和2 h 的火災(zāi)[11]。

4） 隔聲性能優(yōu)異

泡沫混凝土隔聲性能相對較高，主要是其擁有細(xì)胞狀的微觀結(jié)構(gòu)[12]，同樣也受到泡沫含量、泡沫數(shù)量、孔隙大小和分布及其均勻性的影響[13-14]。然而隔聲性能和反射頻率基本取決于混凝土質(zhì)量的實(shí)際剛度，即表面密度?；诠腆w壁面聲阻理論，聲反射頻率依賴壁面厚度及其容重，因此，當(dāng)混凝土墻較厚時(shí)，它反射的聲音比蜂窩墻能吸收要高[15]。

2 泡沫混凝土的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

下本基于水泥類型的劃分、發(fā)泡劑類型的選擇及摻合料的應(yīng)用等方面，闡述了國內(nèi)外涉及泡沫混凝土性能的相關(guān)探討與結(jié)論。

2.1 水泥類型對泡沫混凝土性能的影響與研究

不同的水泥類型對泡沫混凝土的相關(guān)性能影響較大。Zhang Z 等[16]以F 類粉煤灰為原料，替代部分礦渣水泥，用攪拌發(fā)泡工藝制備出聚合物泡沫混凝土（GFC）。通過改變泡沫摻量的多少，制備幾組不同密度的GFC。經(jīng)試驗(yàn)測得，GFC 28 d 的干密度為585 kg/m3～1 370 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W（/m·K）～0.48 W（/m·K），在相同密度和強(qiáng)度下，其保溫性能優(yōu)于普通硅酸鹽水泥泡沫混凝土。Pan Z 等[17]同樣采用了攪拌發(fā)泡工藝，制備出密度在150 kg/m3～300 kg/m3的超低密度泡沫混凝土，而原料選用的是普通硅酸鹽水泥，另外適當(dāng)?shù)囊牖瘜W(xué)外加劑和物理外加劑，調(diào)節(jié)新拌水泥漿體的流變性能和硬化速度，以及硬化泡沫混凝土的物理性能。經(jīng)試驗(yàn)測得養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.05 W（/m·K）～0.07 W（/m·K）。

2.2 發(fā)泡劑類型對泡沫混凝土性能的影響與研究

泡沫質(zhì)量的優(yōu)劣和發(fā)泡劑存在直接的關(guān)系。Ramamurthy K 等[18]認(rèn)為，NaOH，NaCl 和 Na2CO2的加入提高了SLS 泡沫混凝土的泡沫密度、泡沫穩(wěn)定性和粘度，這主要是共同離子效應(yīng)作用的結(jié)果。Hajimohammadi A 等[19]報(bào)道了黃原膠（XG）穩(wěn)定劑能夠有效地提高泡孔液膜的粘度，此外在整個(gè)測試期間，0.45%的XG 濃度完全阻止了引流。Kuzielova E等[20]比較了 FN1 蛋白“低濃度”、“正常濃度”和“微波超聲處理系列”制備的泡沫混凝土。經(jīng)處理的系列產(chǎn)品和較低濃度的發(fā)泡劑相比于普通發(fā)泡劑具有更高的泡沫穩(wěn)定性。此外，Cai J K 等[21]對YX-M-8 發(fā)泡劑、木質(zhì)素添加十二烷基硫酸鈉和木質(zhì)素添加YX-M-8 型發(fā)泡劑進(jìn)行了比較，認(rèn)為從秸稈中提取的木質(zhì)素和YX-M-8 混合的發(fā)泡劑效果要優(yōu)于YX-M-8 發(fā)泡劑。Li T 等[22]，Ma C 等[23]和 Fu X J 等[24]分別對磷酸鎂水泥泡沫混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)分析，采用3 種不同的發(fā)泡劑進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在密度同為650 kg/m3的情況下，采用NaHCO3作為發(fā)泡劑的MPC 泡沫混凝土的導(dǎo)熱性能最好，為0.078 W（/m·K），而其他2 種發(fā)泡劑H2O2和鋅粉制成的MPC 泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.226 W（/m·K）和0.19 W/（m·K）。這說明在密度及制備工藝相同的情況在，采用不同的發(fā)泡劑對泡沫混凝土的性能有一定的影響。

2.3 摻合料對泡沫混凝土性能的影響與研究

由于泡沫在制備過程中會產(chǎn)生聚結(jié)和歧化現(xiàn)象，導(dǎo)致泡沫很難穩(wěn)定且完整存在，那么怎樣才能使泡沫不破碎、不消泡是目前需要研究的主要問題。通過查閱文獻(xiàn)可知，目前一些國內(nèi)外學(xué)者對泡沫穩(wěn)定性研究處于初級階段，雖然有些研究對泡沫的穩(wěn)定性起到了一定作用，但其他性能相對降低。

She W 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，采用納米粒子和有機(jī)表面活性劑產(chǎn)生耦合反應(yīng)，改變了氣液界面中的表面張力，從而完成了泡沫混凝土超穩(wěn)定性的制備與應(yīng)用；同時(shí)研究了納米改性泡沫材料在泡沫混凝土中的加固和穩(wěn)定機(jī)理。Yoon H S 等[26]通過試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣凝膠顆粒均勻附著在孔壁上，與普通泡沫混凝土相比，納米氣凝膠泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)約為普通泡沫混凝土的30%~50%，其24 h 的吸水率降低了75%。Wang X 等[27]通過改變泡沫體積的相對高度，研究了硅灰顆粒對泡沫體積穩(wěn)定性的影響。通過密度、抗壓強(qiáng)度、黏度、強(qiáng)度及重量等試驗(yàn)，研究了不同齡期硅灰摻量對泡沫混凝土性能的影響比率、掃描電鏡（SEM）及孔徑分布的分析。結(jié)果表明，由于在發(fā)泡階段加入了硅灰，從而使得泡沫的泡孔更加完整穩(wěn)定。

3 發(fā)泡方法

需要明確的是，當(dāng)采用一定質(zhì)量的發(fā)泡劑時(shí)，通過發(fā)泡而產(chǎn)生最大量的泡沫，即為發(fā)泡能力。而對于泡沫穩(wěn)定性，可將其理解為在泡沫不發(fā)生破裂消失前，能夠穩(wěn)定存在的最大時(shí)間區(qū)間。目前所使用的發(fā)泡方法及測定方法主要包括以下類型。

1） 高速攪拌法

高速攪拌發(fā)泡法，也叫做Waring-Blender 法。通常量取100 ml 的發(fā)泡劑溶液，緩慢倒入1 L 的量杯中進(jìn)行高速攪拌，轉(zhuǎn)速一般在1 000 r/min 以上，直到發(fā)泡劑溶液的體積不在發(fā)生變化為止。

目前此方法在國內(nèi)制造泡沫時(shí)運(yùn)用較多，同時(shí)歐洲等其他國家運(yùn)用此方法也相對普遍。主要是由于此法操作簡捷，重現(xiàn)性較好，能夠相對準(zhǔn)確地體現(xiàn)出發(fā)泡劑的起泡能力及泡沫的穩(wěn)定性。因此采用高速攪拌法發(fā)泡對制造泡沫混凝土來說利用率相對較高。

2） 壓縮空氣法

壓縮空氣法主要是采用空氣壓縮機(jī)，進(jìn)而完成對泡沫的制備。適量的發(fā)泡劑溶液加入發(fā)泡機(jī)中，同時(shí)調(diào)節(jié)空氣的壓強(qiáng)，使其產(chǎn)生高壓氣流，使得形成的泡沫吹出[28]。壓縮空氣法制備的泡沫大小均勻，且發(fā)泡劑利用率高，但由于設(shè)備成本較大、工藝復(fù)雜，一般不予以使用。

此法與上述的高速攪拌法相比，設(shè)備復(fù)雜，但其發(fā)泡效率相對較高，泡沫的質(zhì)量也相對較好；其次，壓縮空氣法是將泡沫直接吹進(jìn)攪拌好的水泥漿料里，防止泡沫與空氣直接接觸，從而避免泡沫消泡，減少了中間環(huán)節(jié)，使得泡沫相對穩(wěn)定。

3） 羅氏法

羅氏法，也叫做Ross-Miles 法，其命名來源于羅氏泡沫儀的應(yīng)用。在試驗(yàn)中的溫度要控制在40℃左右，發(fā)泡劑溶液同樣加熱至40℃，隨后量取200 ml 加入滴管內(nèi)，打開滴管活塞使其流出；溶液完全流出后記錄具體的泡沫高度，通常用H0表示，這一數(shù)據(jù)能夠有效反映發(fā)泡劑的發(fā)泡能力；當(dāng)泡沫高度達(dá)到H0的1/2 時(shí)，計(jì)時(shí)暫停，這種狀態(tài)下的時(shí)間用T1/2表示，稱之為泡沫半衰期，即泡沫穩(wěn)定性。

此法在嚴(yán)格定義的條件下能夠分別研究泡沫排水和泡沫穩(wěn)定的主要過程，同時(shí)在毛細(xì)管恒壓下能夠測量出泡沫的穩(wěn)定性和壽命，此外還能表述出所有的泡沫特性。因此，羅氏法主要應(yīng)用在科研、教學(xué)等相對要求較高的領(lǐng)域。

4）其他方法

除以上3 種方法外，一些研究部門還會使用震蕩法或者將羅氏法與震蕩法相互結(jié)合等相關(guān)方法來完成對泡沫劑的發(fā)泡處理。對于震蕩法來講，其主要原理是通過發(fā)泡劑溶液的高速震蕩來獲取大量的泡沫，基于發(fā)泡高度來測定其發(fā)泡能力，泡沫高速下降1/2 時(shí)所用的時(shí)間即為泡沫穩(wěn)定性。此前同濟(jì)大學(xué)曾用過震蕩法來制備泡沫，但由于每次的震蕩頻率及角度問題導(dǎo)致誤差較大，影響試驗(yàn)結(jié)果，所以沒有被廣泛應(yīng)用。

4 存在的問題

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，泡沫混凝土的應(yīng)用范圍越來越廣，但仍然面臨許多問題，通過查閱目前的成果來看，雖然泡沫混凝土具有保溫、耐火、隔音等優(yōu)異性能，但泡沫的穩(wěn)定性仍較難控制，在泡沫混凝土的制備過程中，內(nèi)部產(chǎn)生一些大孔徑的氣孔，且孔徑分布不均勻，同時(shí)還會出現(xiàn)連通孔、塌孔等現(xiàn)象，這使得泡沫結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致其無法在日常的工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。正因?yàn)榕菽€(wěn)定性差的原因，使得泡沫混凝土出現(xiàn)強(qiáng)度低、整體性差及收縮大等問題，導(dǎo)致在應(yīng)用方面受到一定限制。因此，研制新型泡沫混凝土仍需持續(xù)發(fā)展，可通過摻加外加劑改善泡沫混凝土的基本性能，進(jìn)而達(dá)到控制泡沫混凝土質(zhì)量穩(wěn)定性的目的。

5 結(jié)語

綜上所述，泡沫混凝土因其具有質(zhì)量輕、保溫性好、隔聲性能優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。①由于泡沫混凝土性能參數(shù)眾多，本文主要對幾種典型的優(yōu)異性能進(jìn)行了介紹，分別從密度、導(dǎo)熱系數(shù)、耐火性和隔聲性能進(jìn)行了綜述。②分析泡沫混凝土國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，分別從水泥類型，發(fā)泡劑類型和摻合料3 方面對泡沫混凝土的性能進(jìn)行了分析與研究。③針對幾種不同的發(fā)泡方法：高速攪拌法、壓縮空氣法、羅氏法等進(jìn)行了介紹，簡要論述了3 種不同制備方法的工藝及特點(diǎn)。④目前泡沫混凝土尚且存在一些問題，穩(wěn)定性差是限制其普遍推廣使用的主要問題，因此提高泡沫混凝土的穩(wěn)定性將是未來的研究方向。