[摘要] 泡沫混凝土是一种利废、环保、节能、低廉的新型保温隔热材料, 其特殊的多孔结构、优良的保温性能和广阔的应用前景, 引起了越来越多的重视。本文对国内外泡沫混凝土的制备方法及应用领域予以综述, 并对泡沫混凝土应用前景进行展望, 以期推动泡沫混凝土的进一步研究和应用。
[关键词] 泡沫混凝土; 保温隔热材料; 制备方法; 应用
目前我国正处于墙体改革时期, 墙体革新与建筑节能要求使用的材料具有质轻、高强、节能、利废、保温、隔热等性能。泡沫混凝土制品符合上述要求。
1 泡沫混凝土的定义及分类
1.1 泡沫混凝土的定义
泡沫混凝土是利用机械方式将发泡剂( 水溶液)制作成泡沫, 再将泡沫混入到硅质材料( 砂、粉煤灰) 、钙质材料( 水泥、石灰) 等以及各种外加剂和水组成的混合料中, 搅拌均匀浇筑成各种所需的规格, 经养护而成的含有大量封闭气孔的轻质混凝土[2]。
1.2 泡沫混凝土的分类
泡沫混凝土的分类方式很多, 按组成胶结材料可分为水泥泡沫混凝土、菱镁泡沫混凝土、石膏泡沫混凝土、火山灰质胶结材料泡沫混凝土; 按所用主要填充料的种类可分为粉煤灰泡沫混凝土、矿渣泡沫混凝土、秸秆泡沫混凝土等; 按密度一般可分为六个等级, 即300kg/m3、400kg/m3、500kg/m3、600kg/m3、700kg/m3、800kg/m3; 按使用功能可分为保温型、保温结构型、结构型; 按应用领域可分为房建泡沫混凝土、园林泡沫混凝土、工程泡沫混凝土、工业泡沫混凝土; 按养护方式可分为自然养护泡沫混凝土、蒸汽养护泡沫混凝土、蒸压养护泡沫混凝土[3]。
2 泡沫混凝土的特点
2.1 轻质
泡沫混凝土的密度小, 其干密度一般为200kg/m3～700kg/m3, 相当于黏土砖的1/3～1/10、普通水泥混凝土的1/5～1/10, 也低于一般轻集料混凝土[3]。在建筑物的内外墙体、层面、楼面、立柱等建筑结构中采用该种材料, 可以减轻建筑物的自重, 从而减少建筑物对地基的压力, 实现建筑物的高层化; 还可以减少建筑物梁、柱的结构尺寸, 节约材料和成本, 具有显著的经济效益。
2.2 保温隔热性能好
泡沫混凝土中含有大量封闭小孔, 所以具有良好的保温隔热性能。通常密度等级在400kg/m3～700kg/m3范围的泡沫混凝土的导热系数为0.09W/(m·K)~0.17W/(m·K)。因此, 采用泡沫混凝土代替普通混凝土作为建筑物墙体及屋面材料, 具有良好的节能效果。
2.3 隔音耐火性能好
泡沫混凝土属多孔材料, 因此是一种良好的隔音材料, 在建筑物的楼层和高速公路的隔音板、地下建筑物的顶层等均可采用该材料作为隔音层。同时泡沫混凝土还是无机材料, 具有良好的耐火性, 在建筑物中使用, 可提高防火性能[4]。
2.4 其他性能
泡沫混凝土还具有可泵性好、防水能力强、抗震性强、调节室内湿度、可大量利用工业废渣等优点。
3 泡沫混凝土的制备工艺
3.1 工艺流程
泡沫混凝土的制备工艺包括发泡工艺流程见图1。
发泡工艺, 即将发泡剂与水混合, 在发泡机的高速搅拌下形成均匀细小泡沫的过程。搅拌工艺, 即将胶凝材料、轻集料和水在搅拌机中混合的过程。混泡工艺, 即将发好的泡沫和搅拌好的浆体混合再搅拌的过程。成型工艺, 即将混合搅拌后的浆体输送到工地或放入模具中养护的过程。其中最关键的是发泡工艺中发泡剂和发泡机的选择, 以及搅拌和混泡工艺中搅拌机的选择。
3.2 发泡剂的品种及性能
早在20世纪50年代初, 我国就开发出松香皂和松香热聚物两种发泡剂。目前常用的发泡剂主要是各种表面活性剂。现在国内发泡剂主要是松香胶发泡剂、废动物毛发发泡剂、树脂皂类发泡剂、木质素磺酸盐、水解血胶发泡剂、石油磺酸铝发泡剂、蛋白质水解物及高分子表面活性剂等。总体来看, 国内发泡剂功能偏少、稳定性差、制品强度较低。国外的发泡剂多以蛋白质类为主, 发泡数量多、稳定性好、产品强度高。近年来国内已开发出一批性能较好的固体树脂泡沫剂和蛋白质泡沫剂, 如CON- A型泡沫剂、CCW- 95型固体泡沫剂、U型发泡剂、HJ- 3型磺酸盐系列微泡剂等。
发泡剂形成的泡沫质量应以坚韧性、发泡量、泌水性等指标作为标准。泡沫的坚韧性是指泡沫在空气中在一定的时间内不过早地被破坏; 发泡量是泡沫体积大于发泡剂溶液体积的倍数; 泌水量是指泡沫被破坏后所产生发泡剂水溶液的体积[5]。表1[6]为常用发泡剂的性能指标。
3.3 发泡机的品种及技术特点
发泡机是指能将一定浓度的发泡剂水溶液制成泡沫的设备。它是将空气引入发泡剂水溶液中均匀分散, 实现液气尽可能大的接触界面, 以使发泡剂中的表面活性物在液膜表面形成双电层并包围空气, 形成一个一个小气泡[3]。发泡机最早出现于国外, 其原始机型是采用叶轮高速旋转制泡。后来随着技术的不断发展, 新的机型不断出现。我国在20世纪50年代开始使用发泡机, 但不是专用的发泡机型, 而是采用砂浆搅拌机, 即将发泡剂直接加入砂浆搅拌机或混凝土搅拌机, 让发泡剂和砂浆或混凝土一起搅拌形成泡沫。经过不断的技术升级和换代, 目前已发展为以高压充气为主体的第三代机型, 基本可满足泡沫混凝土的要求。表2[3]为不同机型发泡机的技术特点及适应范围。
3.4 搅拌工艺和混泡工艺及搅拌机的性能
搅拌工艺为制备胶凝材料浆体, 混泡工艺为胶凝材料与泡沫的混合。两个工艺均在搅拌机内完成, 因此, 搅拌机是这一工艺的核心设备。但是目前专用泡沫混凝土搅拌机很少, 多采用传统搅拌机。
目前所用的SB系列和SA系列等专用泡沫混凝土搅拌机都具有下面的性能:
(1) 具有调速功能, 可根据不同配方、不同物料、不同泡沫加入量调节转速。
(2) 机筒内无搅拌死角或死角积存的不均匀物料少。
(3) 对泡沫有强制下压功能, 强迫泡沫进入下部浆体内, 同时对下部稠浆有良好的上翻功能, 强迫浆体与上部泡沫快速混合。
(4) 不伤泡沫, 对泡沫有保护和稳定的功能, 搅拌后泡沫的损失率低, 绝大多数泡沫在搅拌过程中不会破裂。
(5) 泡沫混合率高, 可在1min或几十秒内将泡沫混匀。
(6) 制浆质量高, 浆体在浇注后不分层、不下沉、不塌模, 稳定性良好[3]。
4 泡沫混凝土的主要用途
泡沫混凝土在我国起步较晚, 所以现在大多还应用在建筑物方面, 而在国外其应用相当广泛, 主要应用在下面几个方面:
(1) 用作挡土墙。主要用作港口的岸墙。泡沫混凝土作为轻质回填材料用于岸墙, 可降低垂直载荷, 也可减少对岸墙的侧向载荷。因为泡沫混凝土是一种粘结性良好的刚性体, 不沿周边对岸墙施加侧向压力, 避免或减小沉降, 维修费用随之减少。泡沫混凝土也可用来增加路堤边坡的稳定性, 用它取代坡的部分土壤, 由于减轻了重量, 从而降低了影响边坡稳定性的作用力。
(2) 修建运动场和田径跑道。使用排水能力强的可渗性泡沫混凝土作为轻质基础, 上面覆以砾石或人造草皮, 可作为运动场。此类运动场可进行曲棍球、足球及网球活动。或者在泡沫混凝土上铺一层0.05m厚的多孔沥青及塑料, 则可作为田径跑道。
(3) 用作夹芯构件。在预制钢筋混凝土构件时可采用泡沫混凝土作为内芯, 使其具有轻质高强隔热的良好性能。
(4) 用作复合墙板。用泡沫混凝土制作成各种轻质板材, 在框架结构中用作隔热填充或与薄钢板制成复合墙板。
(5) 管线回填。地下废弃的油柜、管线(内装粗油、化学品)、污水管及其他容易导致火灾或塌方的空穴, 采用泡沫混凝土回填可解决这些后患, 费用也少。泡沫混凝土采用的密度大小取决于管子的直径及地下水位。
(7) 贫混凝土填层。由于使用可弯曲的软管, 泡沫混凝土具有很大的工作度及较强的适应性, 因此可用于贫混凝土填层。如对隔热性能要求不太高, 则一般平均厚度为0.05m; 如对隔热性要求很高, 则平均厚度为0.1m～0.2m。
(8) 屋面边坡。泡沫混凝土用于屋面边坡, 具有重量轻、施工速度快、价格低廉等优点。坡度一般为10mm/m, 厚度为0.03m～0.2m。
(9) 储罐底脚的支撑。将泡沫混凝土浇注在钢储罐(内装粗油、化学品)底脚的底部, 必要时也可形成一凸形地基, 这样可确保整个箱底的支撑在焊接时处于最佳状态。这一连续的支撑可使储罐采用薄板箱底,同时凸形地基也易于清洁。
除此之外, 泡沫混凝土也可用于防火墙的绝缘填充、楼面隔声填充、隧道衬管回填, 以及供电、水管线的隔离等方面[7]。
5 今后的研究方向
(1) 进一步降低成本, 研究简单可靠、稳定的泡沫混凝土材料生产工艺。
(2) 进一步研究泡沫混凝土的各种性能及影响其性能的因素, 解决气泡均匀问题。
(3) 研制高效发泡剂, 研究原料与复合外加剂的选用配比以及其对混凝土性能的影响, 优化工艺流程及设备等。
(4) 进一步扩大其应用范围。
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