泡沫混凝土基本理论研究

泡沫混凝土基本理论研究

尹哲学彭康

常州易能科技有限公司

【摘要】泡沫混凝土是利用物理方法制备泡沫，再将泡沫加入到胶凝材料、粉煤灰、填料、水及各种外加剂组成的料浆中，经搅拌、浇注成型、养护而成的多孔轻质材料。由于泡沫混凝土中含有大量封闭孔隙，所以有轻质、保温、隔热、耐火及隔音的性能。现如今泡沫混凝土是混凝土大家族中的一员，近年来，国内外都非常重视泡沫混凝土的研究与开发，使其在建筑领域的应用越来越广。泡沫混凝土是一种内部含有大量细小、封闭、均匀分布气孔的多孔性材料，具有轻质高强、隔热保温、防火、隔音、抗水减震等特性。普遍应用于高层建筑墙体制作、保温和衬垫等工程中。

【关键词】泡沫混凝土多孔材料外加剂建筑领域

1 泡沫混凝土的微观结构

泡沫混凝土制品是由许许多多大小不等的气孔和气孔壁组成的结合体。气孔由泡沫在料浆中形成，并在硬化过程中固定在混凝土中。孔间壁系由水化产物、未反应的材料颗粒和孔间壁内的孔隙组成。孔隙的存在，既改变了制品的密度，又影响了制品的强度。同时，也提高了制品的保温性和抗冻性。泡沫混凝土从宏观上看是由气孔和孔壁组成的，硅钙质泡沫混凝土的孔壁包含大小不等的硅质材料微粒、参与反应后剩下的残核和水泥粒子尚未水化完毕的部分。在这些物料固体颗粒之间，汇集大量的水化产物和形状、大小不同的微孔或缝隙，并形成一个由硅质材料颗粒组成的骨架，水化硅酸盐胶体和结晶体黏附在其周围，包括有各种微小孔隙等缺陷的不均质固液气三相堆聚的结构。在气孔壁的结构中，各种材料和物料之间，不仅是物料颗粒间的直接接触或者机械啮合，而且还有在高压、高湿、高热条件下，各物料之间产生化学反应形成的更为坚硬水化产物的结合。这也是气孔壁能承受外力作用的最主要的原因。泡沫混凝土在大泡沫量的情况下，虽孔隙率非常高，但仍有比较理想的使用强度，可满足各种需要。它的强度主要来自胶凝材料自身产生的胶凝作用。它所用的胶凝材料一般要求胶凝作用强，特别是高孔隙率产品，所以一般以大掺量的高标号水泥、含量80％～85％的镁水泥为胶凝材料，在低泡沫掺量时也可使用高强石膏。如果胶凝材料的胺凝作用不强，泡沫混凝土的强度就无法保证。对胶凝材料的技术要求有三个：一是胶凝材料的大掺量，一般要大于50％；二是高胶凝力；三是早强性好，凝结快。

水泥作为主要的钙质材料在泡沫混凝土中使用时，它是泡沫混凝土料浆中Ca(OH)2的主要来源。水泥的凝结硬化作用使泡沫混凝土料浆逐渐稠化并最终凝结硬化形成坯体，水泥施放出来的 Ca(OH)2与硅质材料中的SiO2和Al2O3，反应生成水化硅酸钙和水化硅酸铝，水泥在泡沫混凝土获得强度方面起着重要的作用。砂子作为细集料，它是泡沫混凝土中SiO2的主

要来源，在与水泥水化过程中的Ca(OH)2与细砂中的SiO2和Al2O3反应生成水化硅酸钙和水化硅酸铝，形成泡沫混凝土的“骨架”，在泡沫混凝土起着重要的作用。利用细砂生产的泡沫混凝土用水量小，所以泡沫混凝土的强度比较高，干燥收缩比较小，泡沫混凝土不易开裂等特点。

2 泡沫混凝土的气孔结构

泡沫是形成泡沫混凝土的基础，所以发泡剂的质量会直接影响泡沫混凝土的质量。泡沫的稳定性好，泡沫液膜坚韧，机械强度好，不易在浆体挤压下破坏或过度变形。另外，它有良好的自我保水性，液膜上的水分不易在重力作用及表面张力作用下流失，可长时间保持泡沫液膜的厚度和完整性，从而可使泡沫长时间不破灭。泡沫的均匀性好，泡沫的泡径基本相近，泡径范围小。泡沫的泌水率小，泡沫自制成后，向外逐渐泌水量少，很好的保证泡沫中的气泡数量和泡沫混凝土的气孔率。羟丙基纤维素和化工原料甲酸钙，主要是控制泡沫混凝土的粘度、水化速度和保水性能，由于细砂的比重比较大，不易在泡沫混凝土形成均匀体，容易离析沉降，通过加入该材料，可以保证泡沫混凝土在短时间内水化，混凝土不离析，不塌模。

在原材料中除胶凝材料外，泡沫的质量对泡沫混凝土的影响也是至关重要的。泡沫是一个个气泡组成的聚集体。气泡不等于泡沫，但可组成泡沫。泡沫的形成是先形成单个气泡，再由稳定的单个气泡组成泡沫。这些独立的封闭的气泡对泡沫混凝土的保温性、隔音性、抗震性等方面有显著的体现。混凝土对气孔的主要技术要求有六个方面：

(1)气孔必须是封闭性的，而不是连通性的泡沫混凝土目前的主要用途是保温隔热，具有良好的保温性和隔热性，失去这个性能其应用价值会大大降低，这就要求它的热导率和传热系数均很低，且越低越好。封闭性气孔由于空气不流通，热量不会以空气为载体流失，因而热导率就非常低，保温隔热性优异。而连通孔可使空气透过，形成空气的流动而带走热量，降低了保温性和隔热性，也就不保温、不隔热。因此，为保持泡沫混凝土保温隔热的技术特点，它的气孔形态必是封闭的、不连通的。

(2)气孔的形状应接近于球形，变形不能太大泡沫在料浆中受到物料的挤压产生一定的变形，不会再保持非常规矩的正圆球形。但由于泡沫质量的不同，这一变形会有很大的差别，机械强度较好的优质泡沫，由于可抵抗较大的挤压力，变形很小，基本上仍保持宏观的近似球形。那些机械强度较差的劣质泡沫，抵抗不了物料的挤压力，就会变形很大而不能形成近似的球形。

物体的形状越圆滑，受力就越均匀，抗压力就越大。若气孔不是近似的球形，那它的抗压力就很低，整个混凝土的抗压强度也随之降低。因此，要尽量提高泡沫的机械强度，使用稳定性好的优质泡沫，使之形成圆球形的气孔，以提高泡沫混凝土的强度。

（3）气孔应大小均匀气孔的均匀性对泡沫混凝土的强度影响也非常大。气孔越均匀，泡沫混凝土的强度就越好。这是因为，当泡沫混凝土受压时，压应力最容易向大孔集中，导致大孔破裂。一个个破裂的大孔贯穿，就形成了泡沫混凝土的裂缝。当气孔大小一致时，各个气孔可以均匀受力，压力分散于各个气孔而不会集中。而当气孔大小不均时，大孔受力就大，而小孔受力就小，这样，应力就会集中到大孔上，所以，大孔往往比小孔先破裂。

提高泡沫混凝土的强度，保持气孔的均匀性是重要的技术措施。

（4）气孔尺寸不能太大在泡沫混凝土的孔隙率相同时，孔径小的泡沫混凝土的强度明显高于孔径大的。因此，泡沫混凝土的强度与孔径成反比。在一般情况下，孔径每增大1mm，泡沫混凝土的强度就下降15％～20％;所以，泡沫混凝土的孔径不宜超过1mm，大多应在

0.1～1mm之间。历来的研究都有相同的结论：泡沫混凝土大于1mm的气孔已属于有害孔，这种大孔越多，泡沫混凝土的力学性能就越差。泡沫混凝土应严格控制孔径，不要使它大于1mm。即使必须使用大孔泡沫混凝土时，孔径也应小于3mm。有些读者认为气孔越大，泡沫棍凝土的密度越小，这是不对的。密度与气孔的大小无关，小孔数量多，也同样可实现低密度，而强度却能保持较高的水平。

(5)孔隙率应与强度相适应孔隙率与密度及强度都有直接的关系，并产生双重影响。孔隙率越高，密度越小，但强度也越低。强度与密度成正比，二者基本是一致的，强度随密度而下降，密度随孔踪率而下降。在低密度的情况下就不可能会有高强度。孔隙率和密度应该与强度相适应，二者应统一考虑。为了保证一定的强度要求，就不能一味的为降低密度而提高气孔率。

（6）孔间壁应薄而密实，机械强度高泡沫混凝土完全依靠孔间壁的支撑作用产生强度，它们是强度的主要来源。同时，孔间壁又影响密度，它越厚则密度越大。孔间壁薄则泡沫混凝土密度低，孔间壁高强则泡沫混凝土的强度也高。要实现这一点，孔间壁应该密实度高些，壁内孔隙要少，最好没有。孔间壁应以胶凝材料的水化产物为主体，水化产物越多越好，没有反应完全的颗粒越少越好，选用优质高标号胶凝材料，并使用增强剂，湿热养护，并少加填充料。

由这些气泡形成的泡沫具有其液膜坚韧、机械强度好，不易在浆体挤压下破灭或过度变形。另外，它有自我保水性，液膜上的水分不易在重力作用及表面张力作用下流失，可长时