泡沫混凝土的研究與應用現(xiàn)狀

魏劍鋒

（山西亞美商砼有限公司， 山西 陽泉 045000）

1 泡沫混凝土的優(yōu)勢

泡沫混凝土存在大量封閉的氣孔， 這些氣孔的保溫隔熱性能非常優(yōu)越， 同時還存在開孔氣孔， 這些氣孔在吸聲降噪方面發(fā)揮著良好的作用。 該材料具有較高的流動性， 隔熱性能良好， 能夠達到隔音降噪的效果， 同時在生產中可以降低水泥和骨料的使用量， 從一定程度上節(jié)約了成本， 是一種節(jié)能環(huán)保的建筑材料， 也正是憑借著諸多優(yōu)勢， 泡沫混凝土在建筑市場上逐漸得到推廣應用， 相關學者也加大了對該材料的研究力度。 具體來講， 泡沫混凝土具有如下特點和優(yōu)勢。

第一， 密度小。 泡沫混凝土內部存在大量氣孔，其密度較小， 當前很多建筑工程施工中都利用了其密度小的特點， 比如在灌漿保溫時采用的泡沫混凝土的密度大約在400 kg/m； 在非結構構件中所用的泡沫混凝土的密度大約在600 kg/m左右； 作為結構構件所用的泡沫混凝土密度在1 200 kg/m～1 950 kg/m范圍內。 建筑企業(yè)使用泡沫混凝土可以顯著降低建筑自身重量， 有助于減少上部結構對基礎產生的壓力。

第二， 導熱系數(shù)低。 泡沫混凝土的內部氣孔大大降低了其自身重量， 也正是這些閉孔結構大大降低了其導熱能力。 密度1 600kg/m的泡沫混凝土的導熱系數(shù)一般在0.66 W/（m·K）。 隨著泡沫混凝土密度升高時其絕熱性能會有所下降， 其導熱系數(shù)低的特點促使其節(jié)能效果明顯， 所以在墻體或者屋面保溫中常常采用此材料。

第三， 良好的耐火性。 泡沫混凝土的耐火范圍和普通混凝土十分接近， 但是在高溫條件下， 泡沫混凝土會由于蒸發(fā)率高而出現(xiàn)收縮過度的情況。 決定其耐火性能的主要是泡沫混凝土的組成成分或者配合比。通過研究可知， 密度升高會降低其耐火性， 兩者之間存在反比關系， 比如950 kg/m密度的泡沫混凝土的耐火能力為3.5h， 而1200 kg/m的泡沫混凝土耐火能力為2h。

第四， 優(yōu)良的隔聲性能。 泡沫混凝土有著相對較高的隔聲性能， 這和其細胞狀微觀結構有著較大關系， 同時泡沫數(shù)量、 空隙大小、 分布是否均勻也會對其隔聲性產生不同程度的影響。 混凝土質量實際剛度即表面密度決定了其隔聲性能和反射頻率。 固體壁面聲阻理論以吸聲反射頻率和避免厚度、 容重的關系可知， 如果是厚度較大的泡沫混凝土能夠吸收比蜂窩墻更高的反射聲音。

2 泡沫混凝土研究現(xiàn)狀

2.1 密度及孔隙率

衡量泡沫混凝土性能的主要參數(shù)之一就是其抗壓強度， 而密度、 孔隙率、 骨料、 摻和料、 水灰比等都會對泡沫混凝土的抗壓強度產生影響， 尤其是密度對其影響尤其明顯。 通過分析國內外文獻可知， 很多學者對泡沫混凝土密度和抗壓強度進行了研究， 得出如圖1 所示的關系。 張磊蕾為了能夠對泡沫混凝土密度和抗壓強度關系進行定量描述， 制作了不同密度的泡沫混凝土。 她采用蛋白質發(fā)泡劑和42.5 級快硬型硫鋁酸鹽水作為發(fā)泡劑， 測試了泡沫混凝土的抗壓強度， 得到如圖2 所示的試驗結果。

圖1 不同密度泡沫混凝土的抗壓強度

通過圖2 可知， 泡沫混凝土的抗壓強度和密度之間的關系非常密切， 兩者呈正相關的關系， 即泡沫混凝土的抗壓強度會隨著密度的增加而增大。 當泡沫混凝土的密度等級發(fā)生變化時， 其內部狀態(tài)、 泡沫尺寸等方面的變化較為明顯， 這也表明抗壓強度會受到泡沫混凝土孔結構這一內在因素的影響。

圖2 泡沫混凝土密度與抗壓強度關系

2.2 發(fā)泡劑

泡沫混凝土內部的孔結構維持著其強度， 所以在生產中需要做好發(fā)泡劑的合理選擇， 從而保證得到的泡沫混凝土內部的泡沫在尺寸、 分布、 壽命方面有著優(yōu)良的性能。 當前物理發(fā)泡劑和化學發(fā)泡劑是泡沫混凝土中最為常用的兩大類發(fā)泡劑。 其中物理發(fā)泡劑主要是利用機械攪拌或者高壓空氣提前制作泡沫， 然后在漿料攪拌過程中將其混入其中， 然后制備并且養(yǎng)護。 化學發(fā)泡法主要是用指定的化學藥劑添加到漿料中， 藥劑和材料發(fā)生化學反應產生氣體， 促使?jié){料內部形成多孔的氣泡， 進而制作內部存在多孔氣泡的泡沫混凝土。 有相關研究認為， 相比于化學發(fā)泡劑， 物理發(fā)泡可以形成更加均勻的氣泡， 在預制生產工藝中可以使用化學發(fā)泡劑。 在其他生產工藝中常常使用物理發(fā)泡劑， 其中常用的發(fā)泡劑主要包括四大類， 分別為松香樹脂、 表面活性劑、 動植物蛋白以及復合型發(fā)泡劑。

松香發(fā)泡劑具有價格低廉和制作簡單的優(yōu)點， 而松香發(fā)泡劑發(fā)泡質量差， 通常適用于密度低于600 kg/m的泡沫混凝土。 離子型發(fā)泡劑種類多種多樣，包括陰離子、 陽離子、 非離子和兩性離子發(fā)泡劑， 不同類型離子型合成類發(fā)泡劑優(yōu)缺點各異。 通常陰離子和兩性離子發(fā)泡劑發(fā)泡性能良好， 但也存在穩(wěn)定性差、 價格昂貴等問題。 動植物蛋白質發(fā)泡劑普遍泡沫穩(wěn)定性好， 發(fā)泡倍數(shù)高， 但也存在成本高、 適于超低密度（200 ～500 kg/m） 泡沫混凝土的問題。 基于以上問題， 研究者通過復配法實現(xiàn)發(fā)泡劑功能協(xié)同增效， 然而目前復合型發(fā)泡劑種類復雜、 泡沫混凝土性能差異明顯。

2.3 摻合料

粉煤灰、 礦渣、 硅粉都是常見的泡沫混凝土。 其中， 粉煤灰的粒度會影響其活性物質的分布， 進而影響泡沫混凝土水化產物和孔隙分布。 Wang等研究發(fā)現(xiàn)， 當粉煤灰粒度為0.25 ～0.5 mm時， 泡沫混凝土氣孔均勻分布較好， 泡沫混凝土C-S -H（硅酸鈣）含量較多， 各項性能指標優(yōu)異。 在單一摻合料泡沫混凝土研究基礎上， 研究者進一步考察了復合摻合料對泡沫混凝土導熱系數(shù)影響。 杭美艷研究了粉煤灰和礦渣粉摻量對泡沫混凝土導熱系數(shù)影響， 隨著粉煤灰摻量的增加導熱系數(shù)逐漸降低， 當粉煤灰摻量＞30%時， 導熱系數(shù)的下降效果不明顯； 粉煤灰和礦渣粉復合摻加， 當二者比例大于2∶3 時， 導熱系數(shù)明顯增大。此外， 硅粉是常見的泡沫混凝土摻合料， 該材料的應用會從一定程度上影響泡沫混凝土的導熱系數(shù)。 通過研究可知， 摻加硅粉可以將泡沫混凝土的導熱系數(shù)適當降低， 但是摻加量過高又會升高其導熱系數(shù)。

3 泡沫混凝土的應用

3.1 保溫方面

3.1.1 建筑保溫隔熱應用

在建筑物保溫隔熱施工中常常使用泡沫混凝土材料， 并且該材料已經(jīng)得到了較為廣泛的應用。 泡沫混凝土憑借著自身良好的隔熱性能和節(jié)能優(yōu)勢得到了廣泛的應用。 現(xiàn)如今建筑墻體中對泡沫混凝土應用尤其廣泛， 工作人員可以利用該材料提高建筑物自身的保溫效果。 很多企業(yè)都發(fā)現(xiàn)了泡沫混凝土的發(fā)展?jié)摿?，開始推出泡沫塊、 泡沫墻板、 泡沫整體墻和各種復合型外墻保溫隔熱板， 其生產規(guī)模也呈現(xiàn)逐漸擴大的趨勢。

從宏觀角度來看， 當前泡沫混凝土已經(jīng)得到了較為廣泛的應用， 其有著廣闊的市場， 未來發(fā)展前景良好， 預計再經(jīng)過3 ～5 年將會達到發(fā)展高峰。 如果建筑屋頂隔熱層、 墻壁隔熱層、 地暖采暖隔熱層等均使用泡沫混凝土， 那么每平米建筑需要使用的泡沫混凝土為0.2 ～0.5m， 如果是10000m的建筑物那么泡沫混凝土的用量將達到2000 ～5000 m， 其市場潛力巨大。

3.1.2 冷庫保溫

在隔熱冷藏室中常常使用聚苯乙烯泡沫塑料， 但是這種泡沫容易出現(xiàn)老化、 收縮、 燃燒等問題， 所以很多發(fā)達國家開始使用泡沫混凝土或者磚砌保溫材料進行冷藏室的建造， 我國也開始使用泡沫混凝土建設冷藏室。 泡沫混凝土有著整齊的結構， 在施工中可以形成整齊的屋頂、 墻壁等結構， 其不會存在縫隙和冷橋效應， 在冷庫保溫中有著十分良好的應用價值。

3.2 吸聲隔聲方面

泡沫混凝土的隔聲降噪效果明顯， 其中開孔泡沫混凝土可以吸音， 閉孔泡沫混凝土能夠隔音， 兩者均可以應用于吸聲隔聲方面。 吸聲材料指的是平均吸聲系數(shù)在0.2 以上的建筑材料， 石棉、 礦棉等紡織品和泡沫、 泡沫玻璃等多孔產品為傳統(tǒng)建筑常用的兩類吸聲物質。 泡沫混凝土的平均犧牲系數(shù)在0.8 ～1.4 之間， 比傳統(tǒng)吸聲物質有著更好的效果。

3.2.1 室外吸聲材料

在公路、 鐵路等大型戶外公共設施中常常會設置吸聲屏障， 其中泡沫混凝土就是一種良好的吸音材料。 我國對交通基礎設施建設力度一直較大， 在交通系統(tǒng)建設中需應用大量的吸聲材料， 其中木水泥板吸聲能力不足， 無法滿足高鐵隔音的需求， 外觀也有待改善； 泡沫玻璃板有著良好的吸聲效果， 但是使用成本較大， 難以被廣泛地應用。 泡沫混凝土的出現(xiàn)有效解決了兩者的缺陷， 能夠在保證吸聲的同時節(jié)約成本， 所以可以廣泛地應用于大型公共工程吸聲屏障施工中。

3.2.2 室內墻面吸聲

天花板和吸聲墻是當前室內吸聲常用的設施。 在墻體吸聲方面， 泡沫混凝土效果顯著。 相比于傳統(tǒng)的石棉等吸聲材料， 泡沫混凝土的切割、 安裝不會危害施工人員身體健康， 有著良好的強度， 節(jié)約成本， 所以該材料在車站候車室、 劇院、 會議室、 地鐵墻和大型購物中心中得到了廣泛的應用。

3.2.3 隔聲夾芯復合板（隔斷薄板）

目前很多室內隔板均用5 ～10mm的石膏板作為吸聲隔斷， 這種隔斷墻壁內部中空， 不但無法達到隔音的效果， 還容易破損， 承載能力不高。 5cm厚度的泡沫混凝土隔音復合板無需占用過多的空間， 同時可以達到隔音的效果， 安裝速度也較快， 憑借著諸多優(yōu)勢廣受消費者的青睞。

3.3 抗?jié)B防水功能

3.3.1 建筑防水及工程防水

建筑物的屋頂、 地下室、 廚衛(wèi)等對防水要求較高的位置可以使用泡沫混凝土， 在施工中可以直接澆筑或者鋪筑， 無需添加防水外加劑， 能夠達到良好的放回效果， 將傳統(tǒng)防水工程中防水層容易破損、 水密性差等問題有效解決。 泡沫混凝土有著較長的使用壽命， 生產成本低， 在水路、 水池、 灌溉工程等項目中可以應用。

3.3.2 地下及水中工程抗氯離子侵蝕應用

很多地基樁、 墩臺等都需要暴露在氯離子含量較高的土壤或者水中， 傳統(tǒng)的鋼筋混凝土長期在這種環(huán)境中容易出現(xiàn)腐蝕的問題， 如果用泡沫混凝土作為保護層澆注于這些結構的外部， 可以充分發(fā)揮其不可滲透的特點， 避免氯離子侵蝕基礎結構， 達到良好的保護效果。

3.4 輕質降密填筑功能的應用

泡沫混凝土的密度相對傳統(tǒng)混凝土結構更小， 在道路回填中可以作為回填料使用。 美國、 歐洲以及我國廣東等地區(qū)已經(jīng)開始使用輕質泡沫混凝土作為回填材料。 如果市場發(fā)達， 工程量較大， 那么可以大批量地生產和使用泡沫混凝土。 在地下室、 地下區(qū)域上層覆蓋和回填中可以使用此回填材料， 其中最常用的是底板墊層施工。 泡沫混凝土可以在天然氣、 地暖地下管道等地下管道中作為填充物質。 在奧運會期間， 國家郵政通信會議中心大樓土壤墊層采用的就是泡沫混凝土回填料。

3.5 輕質裝飾材料及園林制品的應用

3.5.1 室內輕質裝飾品

泡沫混凝土有著較輕的重量， 在制作金銀的古董壁畫、 吊墜、 藝術裝飾等方面可以發(fā)揮其這一特點。最初人們用灰泥制作這些產品， 后來樹脂材料、 菱鎂礦等將灰泥取代， 但是這些材料普遍存在重量大的問題， 很多制造商開始使用泡沫將裝飾品的質量和密度降低。

3.5.2 外墻輕質裝飾磚

大理石或者花崗巖其面板、 瓷磚（3mm）、 裝飾性外墻面板等裝飾材料中都開始使用泡沫混凝土， 比如泡沫混凝土懸浮板可以作為藝術混凝土裝飾于外墻上， 還可以用塑料制作泡沫混凝土面板用于建筑裝飾裝修。

3.5.3 輕質園林制品

仿木和竹葡萄架是最常見的建筑部件， 利用泡沫混凝土還可以制作假山、 花盆、 花池等， 營造出優(yōu)美的園林景觀。

4 未來發(fā)展需要注意的問題

建筑行業(yè)持續(xù)發(fā)展， 各種科學技術不斷創(chuàng)新， 泡沫混凝土制作和應用也會得到進一步發(fā)展。 當前泡沫混凝土正處于發(fā)展階段， 在發(fā)展中還要面臨諸多的難題。 當前雖然泡沫混凝土的保溫、 耐火、 隔音等性能都表現(xiàn)十分優(yōu)異， 但是生產中難以高效地控制泡沫的穩(wěn)定性。 在制作泡沫混凝土過程中， 可能產生的氣孔體積較大， 無法均勻地分布， 同時還可能存在塌孔、連通等情況， 這就導致泡沫混凝土結構的穩(wěn)定性有待進一步提升。 也正是這些因素， 導致泡沫混凝土的生產受到限制， 所以在未來發(fā)展中需要進一步研究泡沫混凝土的生產方法， 從外加劑、 原材料、 生產工藝等方面加強研究。

5 結語

泡沫混凝土有著優(yōu)良的性能， 可以在建筑保溫隔熱、 吸聲降噪、 防水、 裝飾等發(fā)揮良好的應用價值。但是其生產和應用中仍然存在一定的不足， 需要研究者進一步分析探討， 積極創(chuàng)新， 爭取提高泡沫混凝土的生產穩(wěn)定性， 促進該材料進一步推廣和應用。