泡沫混凝土在建筑中的應(yīng)用與發(fā)展

泡沫混凝土在建筑中的應(yīng)用與發(fā)展

1可澆泡沫混凝土在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用隨著我國(guó)墻體材料改革和節(jié)能政策的實(shí)施，節(jié)能建筑材料的開發(fā)和應(yīng)用受到高度重視。我國(guó)大力發(fā)展節(jié)能、利殘、節(jié)能、輕體、隔熱等新材料，對(duì)泡沫混凝土進(jìn)行了深入研究和開發(fā)。目前,我國(guó)的泡沫混凝土砌塊年產(chǎn)量在50萬m3左右,在建筑領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用,南方地區(qū)利用其隔熱性能和輕質(zhì)高強(qiáng)作為框架結(jié)構(gòu)的填充墻,北方地區(qū)用作墻體保溫層和管道保溫套等。此外,現(xiàn)澆泡沫混凝土用于屋面保溫層施工、地基補(bǔ)償?shù)刃聭?yīng)用也在不斷發(fā)展。發(fā)泡混凝土通常是用機(jī)械方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫,再將泡沫加入到含硅質(zhì)材料(砂、粉煤灰等)、鈣質(zhì)材料(石灰、水泥等)、水及各種外加劑等組成的料漿中,經(jīng)混合攪拌、澆筑成型、養(yǎng)護(hù)而成的一種內(nèi)部含有大量封閉氣孔的混凝土,這種混凝土由于輕質(zhì)多孔,使其具有良好的物理力學(xué)性能。2泡沫混凝土研究2.1泡沫混凝土的性能泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)和性能與加氣混凝土相似,是多孔混凝土的一種。將發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫加入到含硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、水及各種外加劑等組成的料漿中攪拌,硬質(zhì)顆粒粘附到泡沫外殼,使其變成互相隔開的單個(gè)氣泡,混合料中的細(xì)孔分布得愈均勻、尺寸愈小,則泡沫混凝土強(qiáng)度愈高。在常溫下多孔混合料稠化凝結(jié)形成坯體,或在蒸壓、蒸養(yǎng)下硅質(zhì)、鈣質(zhì)材料產(chǎn)生水熱反應(yīng),形成膠凝物質(zhì),逐漸變?yōu)榫哂幸欢◤?qiáng)度和其他物理性能的多孔材料。泡沫混凝土是一種輕質(zhì)、保溫、隔熱耐火、隔音和抗凍的混凝土材料,料漿可以自流平、自密實(shí),施工和易性好,便于泵送及整平,與所有其它建材幾乎都有較好的相容性,且強(qiáng)度可調(diào)整。顯著性能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)輕質(zhì)密度小。常用的泡沫混凝土密度等級(jí)為300kg/m3～1200kg/m3,在建筑結(jié)構(gòu)中使用可降低自重25%左右,從而降低結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的費(fèi)用,對(duì)房屋抗震有利,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。(2)熱工性能優(yōu)越。泡沫混凝土中含有大量的細(xì)小孔隙,有良好的熱工性能,通常導(dǎo)熱系數(shù)在0.08W/(m·K)～0.25W/(m·K)之間,具有顯著的保溫隔熱效果,在我國(guó)北方地區(qū),采用厚度200mm～250mm的泡沫混凝土砌塊砌筑外墻,相當(dāng)于490mm厚磚墻的保溫效果,可作為節(jié)能墻體和屋面材料。(3)隔音耐火等其他性能好。泡沫混凝土屬多孔材料,可在樓層的隔音層、高速公路的隔音板中使用,在防火性能、防水、流動(dòng)性也具有良好的效果,能大量利用工業(yè)廢料,價(jià)格低廉。2.2泡沫劑性能研究和應(yīng)用2.2.1發(fā)泡劑的性能發(fā)泡劑種類很多,目前常用的泡沫劑主要是各種表面活性劑,目前,國(guó)內(nèi)發(fā)泡劑品種主要有松香膠發(fā)泡劑、廢動(dòng)物毛發(fā)泡劑、樹脂皂類發(fā)泡劑、水解血膠發(fā)泡劑、石油磺酸鋁發(fā)泡劑、木質(zhì)素磺酸鹽、蛋白質(zhì)水解物及高分子表面活性劑等。我國(guó)發(fā)泡劑總體上說功能偏少、穩(wěn)定性差、制品強(qiáng)度不高。日本、意大利的發(fā)泡劑多為蛋白質(zhì)類,其發(fā)泡倍數(shù)及穩(wěn)定性較。近年來我國(guó)相繼開發(fā)出一批性能優(yōu)越的固體樹脂泡沫劑和蛋白質(zhì)泡沫劑,有:CON-A型泡沫劑、U型發(fā)泡劑、CCW-95型固體泡沫劑、青海3%型、HJ-3型磺酸鹽系列微泡劑等。發(fā)泡劑生成泡沫的質(zhì)量以堅(jiān)韌性、發(fā)泡倍數(shù)、泌水量等指標(biāo)來衡量。泡沫的堅(jiān)韌性就是泡沫空氣中在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不致破壞的特性,常以泡沫柱在單位時(shí)間內(nèi)的沉陷距來確定,發(fā)泡倍數(shù)是泡沫體積大于發(fā)泡劑溶液體積的倍數(shù),泌水量是指泡沫破壞后所產(chǎn)生發(fā)泡劑水溶液的體積。表1為常見發(fā)泡劑的性能,泡沫質(zhì)量的鑒定可以采用相應(yīng)的儀器和方法來測(cè)定上述各項(xiàng)指標(biāo)。發(fā)泡劑因其分子結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性,能聚集在氣-液界面上,降低表面張力,提高膜的機(jī)械強(qiáng)度,因而在純靜液體中加入發(fā)泡劑后用攪拌、混合、吹入、噴射等機(jī)械方法將氣體帶入就能制得泡沫。一些試驗(yàn)研究表明:堿濃度對(duì)反應(yīng)程度是否完全很重要,一般在20%～25%左右;水溶性高分子化合物膠的加入能改變?nèi)芤赫承?有利于泡沫穩(wěn)定;陽離子表面活性劑三乙醇胺的加入有利于泡沫劑的起泡和穩(wěn)泡性能,泡沫劑的極性基和非極性基決定了泡沫劑的性能,R.Sedev等人對(duì)蛋白質(zhì)和聚合物為表面活性劑的泡沫表面強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定,表明具有很好的發(fā)泡作用和穩(wěn)泡作用,另外發(fā)泡劑還應(yīng)該具有對(duì)水泥的促凝作用。2.2.2穩(wěn)泡劑的使用泡沫自身不穩(wěn)定,會(huì)很快發(fā)生衰變,目前普遍認(rèn)為有兩個(gè)方面的原因:泡沫中液體的析出和氣體穿透液膜擴(kuò)散,泡沫自身的穩(wěn)定性主要取決于液體析出的快慢和液膜的強(qiáng)度,而增大溶液的粘度可以解決這兩方面的問題。如果液體本身的粘度較大,則液膜中的液體不易排出,液膜厚度變小的速度較慢,因而延緩了液膜破裂的時(shí)間,增加了泡沫的穩(wěn)定性。穩(wěn)泡劑一般為膠類物質(zhì),可以增加溶液粘度,發(fā)泡倍數(shù)明顯降低,但穩(wěn)定性卻顯著提高。常用泡沫穩(wěn)定劑是高分子物質(zhì),如蛋白質(zhì)、皂角甙、淀粉、阿拉伯膠、瓊膠及合成高分子物質(zhì)等。在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和選擇合適的穩(wěn)泡劑來獲得穩(wěn)定泡沫。研究表明外界環(huán)境中壓力越大、氣泡分布越窄、越均勻,泡沫越穩(wěn)定;泡沫穩(wěn)定性隨溫度升高而下降,料漿中顆粒(粉煤灰、細(xì)砂等)形狀均勻,表面圓滑,這樣泡沫本身的“機(jī)械強(qiáng)度”和“彈性”特征可能很好發(fā)揮,不致產(chǎn)生應(yīng)力集中,有利于泡沫穩(wěn)定。2.2.3打泡時(shí)間的確定目前國(guó)內(nèi)制泡技術(shù)主要采用高速攪拌機(jī),用攪拌機(jī)的高速葉片攪拌發(fā)泡劑制取泡沫,其上下泡徑不均,發(fā)完的泡沫須經(jīng)中間設(shè)備倒入攪拌好的料漿中,中間環(huán)節(jié)會(huì)導(dǎo)致部分泡沫破滅,泡沫質(zhì)量與葉片長(zhǎng)度、角度、層數(shù)、線速度、時(shí)間有關(guān),制泡過程首先打開攪拌機(jī),然后加入一定濃度的泡沫劑水溶液,攪拌時(shí)間以泡沫達(dá)到均勻、細(xì)小、穩(wěn)定為準(zhǔn),容積2m3的打泡機(jī)制泡時(shí)間大約為5min左右。國(guó)外制取發(fā)泡混凝土的泡沫多為壓縮空氣發(fā)泡,發(fā)泡效率較高,泡徑均勻,能更好地防止中間環(huán)節(jié)導(dǎo)致的泡沫破滅,泡沫質(zhì)量與氣泵壓力有關(guān),制泡過程是首先將一定濃度的泡沫劑溶液注入料倉內(nèi),然后開動(dòng)氣泵,在達(dá)到設(shè)定的壓力后氣泵自動(dòng)停止,打開開關(guān)后氣泡將自動(dòng)噴出,可以連續(xù)供泡。2.3主要原材料(1)早強(qiáng)早強(qiáng)水泥膠凝材料泡沫混凝土是一種大水灰比的流態(tài)混凝土,為使混合料在短時(shí)間內(nèi)快凝,防止產(chǎn)生沉降和泌水以及提高混凝土早期強(qiáng)度,宜采用高標(biāo)號(hào)早強(qiáng)硅酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥,由于硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥具有早強(qiáng)、微膨脹、低干縮的優(yōu)點(diǎn),是泡沫混凝土較理想的膠凝材料。(2)粉煤灰替代水泥的強(qiáng)度粉煤灰兼具有集料和生成膠凝材料的雙重作用,它的活性越大,粉煤灰泡沫混凝土的質(zhì)量越好,粉煤灰技術(shù)性質(zhì)應(yīng)符合“用于水泥和混凝土中的粉煤灰”(GB1596-91)的規(guī)定,放射性應(yīng)符合GB6763規(guī)定。E.P.Kearsley等人的研究利用粉煤灰替代水泥達(dá)75%質(zhì)量分?jǐn)?shù),28天和一年的強(qiáng)度值可以表明,雖然早期抗壓強(qiáng)度明顯減少,但后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)很快,最終的強(qiáng)度比同等級(jí)的普通水泥泡沫混凝土要高,并建立了干容重和粉煤灰取代率為變量的強(qiáng)度公式,但對(duì)于低密度的泡沫混凝土,滲透力隨粉煤灰的摻量增加而明顯增大。泡沫混凝土的絕干容重取決于孔隙率,粉煤灰的類型和摻量對(duì)孔隙率影響不大,對(duì)于高摻量的粉煤灰泡沫混凝土,孔隙率和齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度影響很大,不同的容重等級(jí)有相應(yīng)的粉煤灰取代水泥的最優(yōu)比例,一些推導(dǎo)公式已經(jīng)有效預(yù)測(cè)了其強(qiáng)度發(fā)展變化。高摻量粉煤灰泡沫混凝土的應(yīng)用也說明了可行性,一般適宜的摻量在30%～60%左右,磨細(xì)礦渣與粉煤灰的復(fù)合效應(yīng)也有利于混凝土的強(qiáng)度發(fā)展,若要配制強(qiáng)度較高,可以同時(shí)摻入適量硅灰。(3)粉煤灰用量的影響宜采用生石灰,生石灰消化時(shí)產(chǎn)生的熱量有利于粉煤灰泡沫混凝土早期強(qiáng)度及質(zhì)量的提高,隨著石灰摻量提高,粉煤灰泡沫混凝土強(qiáng)度增加,其用量一般10%～15%之間。石膏在膠凝材料組分中起激發(fā)劑作用,隨著石膏摻量增加,粉煤灰泡沫混凝土早期強(qiáng)度急劇增大,但超過一定值后,強(qiáng)度反而降低,所以控制其用量一般在3%～4%左右,CaSO4含量不小于65%。(4)輕集料巖、非巖石粒當(dāng)需設(shè)計(jì)容重等級(jí)較低的粉煤灰泡沫混凝土?xí)r可考慮摻少量超輕集料(如膨脹珍珠巖、EPS顆粒等),容重等級(jí)要求較大時(shí)可摻加一定比例的輕集料(如陶粒、爐渣、浮石、砂等)。當(dāng)選用膨脹珍珠巖作為生產(chǎn)泡沫混凝土的功能調(diào)節(jié)劑時(shí),不僅可使混凝土的澆筑高度增大,確保料漿上下勻質(zhì),而且使制品具有良好的吸音效果。2.4合外加劑復(fù)合膠凝劑的應(yīng)用泡沫混凝土與加氣混凝土相似,也具有干縮大、吸濕性強(qiáng)等缺點(diǎn),為彌補(bǔ)其缺點(diǎn)可以采取添加復(fù)合外加劑,復(fù)合外加劑應(yīng)與膠凝材料相匹配,具有早強(qiáng)、減水和促凝的功能,提高耐水性等,如摻膨脹劑、減少收縮裂縫;摻纖維材料、提高抗拉強(qiáng)度;用有機(jī)物對(duì)其進(jìn)行表現(xiàn)浸漬聚合、提高強(qiáng)度和降低吸水性;摻適量骨料、減小收縮;摻入粉煤灰后可以加入一些激發(fā)劑來加快強(qiáng)度發(fā)展。2.5泡沫混凝土的性能泡沫混凝土生產(chǎn)流程基本上是先將水泥、摻合料、集料、復(fù)合外加劑和水分別計(jì)量、攪拌混合,加入制得的泡沫溶液內(nèi)繼續(xù)攪拌均勻,再注模、低幅震動(dòng)密實(shí)、預(yù)養(yǎng)護(hù)、脫模、養(yǎng)護(hù)得到成品。攪拌時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)泡沫混凝土的影響很大,試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著水化時(shí)間的延長(zhǎng),泡沫混凝土的強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),密度呈下降趨勢(shì),軟化系數(shù)呈上升趨勢(shì),氣孔率變化不大,根據(jù)水泥顆粒ζ電位正負(fù)性在水化初期的變化規(guī)律,對(duì)于以陰離子表面活性劑作為泡沫劑所生成的泡沫,其與水泥顆粒相結(jié)合的時(shí)間值應(yīng)定為水泥顆粒水化30min后,如此,水泥顆粒帶負(fù)電,與泡沫混合攪拌所生成的泡沫混凝土的各項(xiàng)性能良好。攪拌盡量減少泡沫破裂、過度失水等問題。養(yǎng)護(hù)泡沫混凝土?xí)r表面的泡沫破裂是不可避免的,在水平和垂直方向均可發(fā)生,但因表面干燥脫水出現(xiàn)的微裂紋卻可設(shè)法避免,澆筑后應(yīng)用鏝刀刮平,待凝固后蓋上塑料布或噴灑表觀養(yǎng)護(hù)劑,早期也可采用蒸養(yǎng),加快強(qiáng)度形成,養(yǎng)護(hù)期需經(jīng)常澆水濕潤(rùn),防止表面過度失水。3中國(guó)泡沫混凝土的應(yīng)用成果和現(xiàn)狀3.1凝土當(dāng)前密度和密度等級(jí)泡沫混凝土已應(yīng)用于墻體、屋面等節(jié)能材料,其中泡沫混凝土砌塊應(yīng)用量較大,華南地區(qū)一般用密度800kg/m3～1000kg/m3的泡沫混凝土砌塊,尺寸規(guī)格趨向于輕集料混凝土空心砌塊,主規(guī)格尺寸390mm×190mm×190mm,西北地區(qū)一般用密度500kg/m3～700kg/m3的砌塊,規(guī)格趨向于蒸壓加氣混凝土砌塊,主規(guī)格尺寸600mm×300mm×300mm等。密度等級(jí)有300級(jí)～1200級(jí),每100級(jí)增加,密度不同強(qiáng)度等級(jí)也不同,一般有1.5MPa、2.5MPa、3.5MPa等。不同地區(qū)對(duì)泡沫混凝土的功能有不同的要求,如抗凍性、碳化性能、隔音效果等,內(nèi)外墻不同施工,表2為其中西安某工程研究中心研制的免蒸復(fù)合發(fā)泡混凝土砌塊,質(zhì)量等級(jí)為600kg/m3的砌塊配合比,原材料包括粉煤灰、水泥、石灰、復(fù)合外加劑(主要為硅酸鹽和硫酸鹽,產(chǎn)生超塑性)、發(fā)泡劑(選用自制的F-3復(fù)合發(fā)泡劑)、減水劑、礦渣超細(xì)粉、植物纖維、水等。經(jīng)檢測(cè),600級(jí)產(chǎn)品技術(shù)性能為:干容重648kg/m3;抗壓強(qiáng)度3.6MPa;吸水率12.0%;抗凍性25次凍融循環(huán)合格;干燥收縮值0.72mm/m,產(chǎn)品各項(xiàng)性能與傳統(tǒng)加氣混凝土對(duì)比顯著,社會(huì)效益明顯。PaulJ.Tikalsky等人研究表明泡沫混凝土抵抗凍融破壞的耐久性與混合材性質(zhì)、環(huán)境濃度、滲透深度和吸水率有關(guān),試驗(yàn)最低抗壓強(qiáng)度能保持在1.0MPa,低密度泡沫混凝土砌塊具有良好的抗凍性。3.2粉煤灰抗壓強(qiáng)度以700級(jí)粉煤灰泡沫混凝土砌塊,試件采用比表面積400m2/kg的磨細(xì)粉煤灰作為主要原料,發(fā)泡劑為XY型(聚合物改性松香皂液)為例:工藝中確定的配合比為:m(水泥):m(粉煤灰):m(激發(fā)劑熟石灰):m(石膏):m(減水劑UNF):m(早強(qiáng)劑硫酸鹽):m(膨脹劑):m(發(fā)泡劑)=1:(1～1.6):(0.05～0.25):(0.05～0.20):(0.005～0.01):(0.005～0.02):(0.005～0.09):適量,粉煤灰摻量達(dá)60%左右。通過檢測(cè),抗壓強(qiáng)度3.4MPa、干燥收縮值0.72mm/m、碳化系數(shù)0.89、導(dǎo)熱系數(shù)0.21W/(m·K),15次凍融循環(huán)合格。經(jīng)過試驗(yàn)研究,產(chǎn)品粉煤灰摻量大,常溫常壓下養(yǎng)護(hù),質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、抗凍性高,研究表明粉煤灰細(xì)度提高,抗壓強(qiáng)度提高。通過對(duì)粉煤灰泡沫混凝土研究的因素水平正交試驗(yàn),結(jié)果分析,隨著泡沫劑摻量增加,粉煤灰泡沫混凝土的容重減小、吸水率升高、28天抗壓強(qiáng)度降低,并且對(duì)三者影響顯著。而粉煤灰摻量的增加則對(duì)容重和強(qiáng)度的影響相對(duì)較小,齡期長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度略有提高。石灰摻量對(duì)三者影響都較小。在粉煤灰摻量40%～60%范圍內(nèi),隨著泡沫劑和粉煤灰摻量的增加,粉煤灰泡沫混凝土的容重減少,吸水率增加且28d抗壓強(qiáng)度降低。粉煤灰泡沫混凝土早期強(qiáng)度偏低,應(yīng)進(jìn)一步改善養(yǎng)護(hù)條件和摻加適宜外加劑,改善強(qiáng)度發(fā)展。3.3屋頂現(xiàn)澆發(fā)泡混凝土與水泥膨脹珍珠巖泡沫混凝土節(jié)能屋面復(fù)合層是采用泡沫混凝土密度等級(jí)在200kg/m3～1000kg/m3,將保溫(或隔熱)層、找坡層、找平層合三為一,簡(jiǎn)化屋面構(gòu)造和施工工藝,而且經(jīng)濟(jì)合理、熱工性能好,屋面現(xiàn)澆發(fā)泡混凝土的性能優(yōu)于水泥膨脹珍珠巖,適用于屋面保溫。舉例配合比:特種低堿水泥90kg/m3普通硅酸鹽水泥165kg/m3輕質(zhì)骨料198kg/m3發(fā)泡劑6kg/m3外加劑9.6kg/m3水200kg/m3防水透氣液1.6kg/m3經(jīng)一次性現(xiàn)場(chǎng)水泥發(fā)泡澆筑成型,性能檢測(cè)水泥發(fā)泡氣體充分、孔徑均勻、密度小、抗壓強(qiáng)度高、耐磨損、不龜裂,吸聲隔音好,既能減輕建筑物的荷載,而且按設(shè)計(jì)要求可以達(dá)到防水、抗?jié)B、保溫和隔熱等多重功效。3.4發(fā)泡劑和水這種泡沫混凝土采用由鋁酸鈣(包括C12A7或C11A7CAF2)和硫酸鈣組成的硅酸鈣水泥作快硬材料、水泥緩凝劑以及根據(jù)需要而選用的骨料所構(gòu)成?？梢詫l(fā)泡劑(發(fā)泡劑用蛋白質(zhì)、表面活性劑及產(chǎn)生氣體的發(fā)氣劑等)和水,必要時(shí)與骨料一起用預(yù)拌法、發(fā)泡法、鋁粉法制作。該制品具有快硬性能,干縮值比普通泡沫混凝土顯著減小,同時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)特別快,注型后加熱,可在任一時(shí)間內(nèi)使其硬化。3.5降低陶粒泡沫混凝土的標(biāo)準(zhǔn)陶粒泡沫混凝土是將多孔泡沫料漿注入預(yù)先放有陶粒的模后成型,強(qiáng)度隨陶粒強(qiáng)度的增長(zhǎng)而增加,陶粒泡沫混凝土抗凍性好,經(jīng)50次凍融循環(huán)后重量和強(qiáng)度的降低不超過10%。在配制時(shí),陶粒摻量、泡沫摻量、砂率都有其最佳值,而增加水泥用量并不能顯著增加混凝土的強(qiáng)度,從降低陶粒泡沫混凝土成本出發(fā),應(yīng)以粉煤灰代替部分水泥。低密度(200kg/m3～600kg/m3)EPS輕混凝土性能優(yōu)越,是一種用聚苯乙烯發(fā)泡顆粒作輕骨料生產(chǎn)的礦物質(zhì)膠結(jié)泡沫混凝土。分為原生和再生EPS混凝土,性能相似,可用于保溫墻板、砌塊,現(xiàn)澆回填、屋面保溫層、復(fù)合保溫墻澆筑等。3.6粉煤灰摻加法粉煤灰泡沫水泥輕質(zhì)墻板在保持GRC輕質(zhì)墻板使用效果的基礎(chǔ)上,降低了生產(chǎn)成本,具有明顯的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益,通常做法是摻加粉煤灰30%～4