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泡沫混凝土研究与应用概述
日期:【2017-09-22 17:01】 共阅:【】次

 0 引言

 
泡沫混凝土是一种多孔材料,其内部含有大量的封闭气泡,这赋予了泡沫混凝土密度小、质量轻、弹性模量低及热导率低等诸多优异的物理性能[1]&。目前,泡沫混凝土已被广泛用作抗震材料、抗冲击材料、抗裂材料、防火材料以及保温隔音材料等&。在实际生产中泡沫混凝土可利用粉煤灰和炉渣等工业废渣为原材料,使其造价低廉,且具有较好的施工性,是值得大力推广的新型绿色建筑材料[1, 2]&。
 
混凝土发泡剂又称起泡剂,主要应用于泡沫混凝土的制备&。发泡剂可以在一定条件下经过化学、物理变化在混凝土中产生泡沫以形成闭合孔或联通孔结构,不仅可以节约水泥,降低混凝土的密度,起到节约能耗,利于绿色生产的作用,还可有效改善混凝土的工作性能、力学性能与耐久性[3]&。本文简要介绍混凝土发泡剂的种类,阐述泡沫混凝土微观结构与其性能的关系,并结合影响发泡剂作用效果的因素讨论实际研究与应用中存在的问题&。
 
1 发泡剂的种类
 
发泡剂是制备泡沫混凝土的关键技术之一,其性能的好坏直接影响新拌浆体的含气量、流动性以及浇筑体的体积稳定性,并最终影响硬化浆体的表观密度和强度&。
泡沫混凝土的发泡原理有物理发泡和化学发泡两类&。物理发泡是利用发泡剂的表面活性作用,使搅拌过程中引入的气泡不致合并溢出而消失,而化学发泡一般指利用物质的化学反应产生气体,被包裹在混凝土内部,从而形成大量孔隙&。
化学发泡剂只要采用双氧水和铝粉&。
物理发泡剂主要有松香类、合成类表面活性剂、蛋白类和复合型四种[4]&。
(1) 松香类是第一代发泡剂,主要包括松香皂和松香热聚物类&。
(2) 合成类表面活性剂是第二代发泡剂,这类发泡剂具有易起泡且发泡倍数高等优点,但存在泡壁薄、泡沫稳定性差以及对混凝土强度影响大等缺点&。
(3) 蛋白类是第三代发泡剂,这类发泡剂分为植物蛋白和动物蛋白两种&。植物蛋白发泡剂包括茶皂素型和皂角苷型;动物蛋白发泡剂包括水解动物蹄角、水解废动物毛和水解血胶三类&。
(4) 复合型是第四代发泡剂,这类发泡剂不再是单一组分,而是由多种功能组分复合而成&。
由于蛋白类发泡剂具有令人满意的发泡倍数以及泡沫稳定性好(可以长时间不消泡,完全消泡时间大多都长于24h)等突出优点,目前发达国家使用的发泡剂基本以蛋白类为主&。国内发泡剂由于起步较晚,总体上功能偏少、稳定性差,以致所制备的泡沫混凝土制品强度较低&。
近年来,国内研究者作了大量研究工作,致力于开发性能优良的发泡剂&。王翠华等[5]利用牛蹄角为主要蛋白质原料,在适量Ca(OH)2和少量NaHSO3存在的条件下,合成出发泡倍数为14、稳泡时间为90min的蛋白类发泡剂&。石行波等[6]利用猪蹄粉也成功制备出蛋白类发泡剂,并且采用与矿物材料发泡相结合的新型模式制备出一系列具有不同密度(581-772)kg/m3和抗压强度(3.0-6.0) MPa的泡沫混凝土砌块&。尹冰等[7]利用NaOH和人发水解,再加稀盐酸中和,制备出XK型动物蛋白发泡剂,发泡倍数达到30,稳泡时间为6h,该发泡剂性能优异&。李军伟[8]研究了活性污泥蛋白类发泡剂的泡沫稳定性,这种发泡剂是近年来新研制的蛋白类发泡剂品种,它是污水处理厂用化学方法处理污水剩余污泥而得到的,具有优良的发泡性能&。丁起[9]将质量浓度分别为3.5%的十二烷基硫酸钠溶液与10%的皂素溶液按3:7体积比进行复配,制备出SDS发泡剂,经测试,该复合型发泡剂比单一发泡剂的起泡能力更强,泡沫稳定性提高&。
 
2 泡沫混凝土微观结构与性能的关系
 
E.P.Kearsley等[10]研究了泡沫混凝土孔隙率与抗压强度之间的关系,并且提出了它们之间的数学模型,试验发现泡沫混凝土的抗压强度主要受孔隙率和龄期的影响&。E.K. Kunhanandan等[11]研究了孔体积、孔径及孔间距对泡沫混凝土强度和表观密度的影响,结果表明孔径分布越窄,强度越高&。掺入泡沫量越大,泡沫越易合并成大孔隙,从而造成孔径分布变宽,强度降低,但孔隙形状对泡沫混凝土的性能没有影响&。Paul J.Tikalsky等[12]对泡沫混凝土的抗冻融性作了相关研究,发现抗压强度、初始渗透深度、吸收及吸收速率是影响泡沫混凝土抗冻融性最关键的因素,而表观密度和渗透性对抗冻融性的影响较小&。Prinya Chindaprasirt等[13]研究了密度等级为1600kg/m3的结构轻质泡沫混凝土的干缩性能,试验发现乙二醇复合物可改善泡沫混凝土的干缩性能,利用粉煤灰部分代替水泥和砂也能减少干缩&。Md Azree Othuman等[14]通过试验分析了密度为(600-1800)kg/m3的轻质泡沫混凝土在高温下的热学性能,提出了测量热导率的两种方法:热防护板测量法和瞬间加热测试法&。
 
3 泡沫混凝土研究与应用中存在的问题
 
3.1 理论研究中的问题
 
(1) 发泡剂是决定泡沫混凝土质量的关键因素之一&。目前发泡剂发展十分迅速,市场上发泡剂品种繁多,但质量参差不齐&。我国应加强优质发泡剂的开发,制定泡沫混凝土用发泡剂的相关标准,规范发泡剂的性能检测方法,使各研究单位及研究工作者之间的试验结果具有更好的对比性和参考性&。
(2) 目前国内对泡沫混凝土的研究主要集中在强度、密度和热工性能方面,应加强对其干缩性能、渗透性和耐久性等方面的研究,并建立各性能与材料组成之间相关性的理论公式,这将进一步推动其在工程中的应用&。
(3) 泡沫混凝土具有保温隔热等优良性能,主要原因在于其内部具有大量均匀分布的封闭细孔&。但目前国内研究者的工作很少涉及微观孔结构方面,应加强孔结构与性能之间相关性的研究,建立相应的模型&。
 
3.2 实际应用中的问题
 
(1) 强度低、干缩大及吸水率高等缺点是阻碍泡沫混凝土进一步发展的主要原因&。泡沫混凝土的抗压强度与其密度之间存在矛盾关系,低密度(小于300kg/m3)的超轻泡沫混凝土具有良好的保温和隔音等性能,但其抗压强度极低,表面易开裂,导致混凝土的吸水率增加,从而影响工程质量;强度较高的泡沫混凝土,其密度一般较大,从而具有较低的保温和隔音等性能&。因此,应使泡沫混凝土的强度及其密度之间保持平衡,即降低密度的前提下最大程度地提高强度,可通过优选胶凝材料和超轻骨料,并选用高质量发泡剂来实现&。
(2) 生产设备问题&。国内泡沫混凝土生产施工的机械设备无统一的标准机型,并且水泥净浆配比、泡沫混合比例及泡沫料浆湿密度等仍靠人工经验调配,导致无法精确计量,浆体密度难以控制等问题&。我国应尽快开发研制自动化、大型化和加工精良化的生产设备&。
(3) 与国外相比,我国泡沫混凝土制品整体规模偏小,技术水平不高,没有大宗应用的主导产品&。因此,应加强泡沫混凝土在预制品和现浇方面的技术创新,如钢结构现浇墙体和框架结构泡沫混凝土墙体等,并且在电磁屏蔽、抗爆和吸声等高技术领域推广其应用&。
 
4 结语
 
目前,关于泡沫混凝土的理论研究和实际应用方面还存在诸多问题&。混凝土发泡剂的性能及掺量是影响泡沫混凝土性能的重要因素,使用质量良好的发泡剂是保证泡沫混凝土性能的首要条件&。为了促进泡沫混凝土在我国的应用与发展,需致力于研制具有发泡速度快、泡沫尺寸均匀以及泡沫稳定性好等优异性能的高效发泡剂&。只有不断总结实际工程应用中的经验,加强理论研究,制定相应的标准规范,才能实现泡沫混凝土的可持续发展&。
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