泡沫混凝土原材料与性能关系研究综述.pdf

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1、建筑砌块与砌块建筑2009/2建筑砌块与!2010/6砌块建筑!泡沫混凝土是一种可应用于多种场合的轻质保温类建筑材料。随着国内外对泡沫混凝土的应用越来越广泛，使得对其展开的研究也越来越深入。本文从材料成分（包括胶凝材料、掺和料、外加剂等）角度简要阐述了泡沫混凝土不同材料及其对性能的影响关系。1泡沫混凝土制品的性能通过对泡沫混凝土的受压力学性能进行全过程试验研究1发现：泡沫混凝土的强度波动性较小,残余强度较高,弹性模量较低,约为1000MPa1200MPa，具有一定“塑性”，但其脆性相对于加气混凝土制品却要差些。Paul J,Tikalsky等2研究表明：泡沫混凝土抵抗冻融破坏的耐久性与所使用的

2、混合材性质、环境浓度、渗透深度和吸水率有关；并且发现低密度泡沫混凝土砌块具有良好的抗冻性。由于泡沫混凝土自身的多孔结构特征,导致其吸水率较大,吸水率的变化受到容重等级、稳泡时间、水泥硬化、各组分掺量等众多因素的影响3。同时泡沫混凝土成形水灰比较大，所以早期养护制度对泡沫混凝土的强度发挥和最终强度也至关重要。减小泡沫混凝土收缩、防止开裂和降低吸水率的主要技术措施有以下方面：适宜的水泥用量；掺加适量膨胀水泥；低的成形水灰比；优化养护制度、提高制品早期保水能力；使用防水剂（掺用或表面涂布）4。泡沫混凝土的轻质、保温隔热、抗震、隔音等性能受到多种因素的影响，其中材料成分就是至关重要的影响因素。2胶凝材

3、料和掺和料对泡沫混凝土的影响从目前收集的资料显示，国外的研究主要集中在水泥砂系、水泥砂粉煤灰系泡沫混凝土的原材料方面，而国内除了使用水泥作为胶凝材料外，还采用了掺加多种废弃物来部分代替水泥、或作为集料应用于泡沫混凝土中，并取得了不错的效果。2.1水泥泡沫混凝土选择最多的胶凝材料是普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥；另外还有选择镁质发泡水泥（氯氧镁水泥）作为无机胶凝材料的,它是由轻度煅烧菱镁矿(MgCO3)得到的菱苦土(MgO)及氯化镁水溶液反应生成的气硬性凝胶材料。水泥在泡沫混凝土中起主要胶凝作用，但也不是用量越多越好。国外研究5发现，泡沫混凝土采用高水泥含量时产生的高水化反应热，将导

4、致明显的内部温度增长，容易引起泡沫的热破裂。普通水泥价格低，但凝结较慢，乔欢欢等6就在普通水泥中掺入一定量的高铝水泥和碳酸锂，以调整水泥浆的凝结时间，研究发现：当掺入8%的高铝水泥后水泥的初凝时间是20min；掺加高铝水泥2%的碳酸锂后,初凝时间仅12min，但早期强度也降低。2.2粉煤灰粉煤灰是一种火山灰质活性材料，由于其本身的化学成分、结构和颗粒形状等特征，在混凝土中掺入粉煤灰可产生“粉煤灰效应”，即活性效应、形态效应和微集料效应。另外粉煤灰对混凝土内部的界面也产生影响，称为“界面效应”。由于粉煤灰来料方便，有政策优惠，所以其在泡沫混凝土材料研发和工程应用中比较广泛。盖广清等7把粉煤灰掺入

5、陶粒泡沫混凝土中，测试结果表明:掺入粉煤灰后，陶粒泡沫混凝土具泡沫混凝土原材料与性能关系研究综述田学春赵辉陈杰邵盈莹（重庆市建筑节能中心，重庆400015）【摘要】从材料成分及研究与应用领域的角度，综述目前泡沫混凝土的常用原材料及其对制品性能的影响。【关键词】泡沫混凝土；原材料；性能；影响【中图分类号】TU528.2【文献标识码】B【文章编号】1003-5274（2010）06-0049-04作者介绍田学春，男，工程师；地址：重庆市渝中区上青寺路69号 重庆市建筑节能中心；邮编：400015；电话：023-63671212；E-mail:。其它49建筑砌块与砌块建筑建筑砌块与2010/6砌块建

6、筑田学春:泡沫混凝土原材料与性能关系研究综述有强度高、干表观密度低和导热系数低的优点。一般来说，泡沫混凝土的强度会随粉煤灰掺量增大而不断下降，其吸水率也会随掺灰量增加而不断升高8。2002年，E.P.Kearsley9对大掺量粉煤灰对泡沫混凝土的抗压强度影响进行研究，结果发现不管是未分级的、还是分级的粉煤灰，高掺量都将导致泡沫混凝土早期强度降低；但当粉煤灰代替水泥掺量高达75%时，长期强度（一年后）反而有所提升。赵铁军10也发现掺未分级灰和掺分级灰的泡沫混凝土，其抗压强度是相似的，因而可以在泡沫混凝土生产时使用大掺量未分级灰，既降低造价、又不会显著影响制品的长期强度。E.P.Kearsley1

7、1还研究高掺量粉煤灰泡沫混凝土的孔隙和抗压强度之间的关系，并提出一个与之相对应的数学模型。2004年，M.R.Jones和A.McCarthy12在泡沫混凝土中利用未经处理的低钙粉煤灰代替砂子，结果表明：掺入这些低钙粉煤灰后可以明显提高泡沫混凝土的流动性和后期强度，也完全避免了硫酸盐侵蚀；但当粉煤灰含碳量较高时，必须大大增加泡沫含量才能达 到 设 计 的 密 度 等 级。2006年，E.K.KunhanandanNanbiar和K.Ramamurthy1314也用粉煤灰代替砂子对泡沫混凝土进行了研究，发现在泡沫混凝土密度一定的前提下，粉煤灰等量代替河砂可以获得更高的抗压强度，同时干表观密度在8

8、00kg/m31250kg/m3之间的砂粉煤灰泡沫混凝土，抗压强度范围在2.0MPa 13MPa之间。2.3矿渣粉矿渣是高炉炼铁过程的熔融物经淬冷得到的副产品，属于第一类矿物掺合料，矿渣粉颗粒表面粗糙，棱角尖锐，需水量较大。矿渣粉对和易性的贡献不及粉煤灰，但活性比粉煤灰高，在相同掺量时，掺矿渣粉的泡沫混凝土早期强度一般都比单掺粉煤灰的高，流动性变小，但其7d抗压强度稍大15。赵云雁研究16表明，在泡沫混凝土中掺入一定量的矿渣微粉，能提高泡沫混凝土的抗压强度，但过多的掺量反而会降低强度。这主要因为矿渣微粉的活性SiO2、AL2O3可以与Ca(OH)2反应生成胶凝物质，增加了混凝土内部胶凝物质的数

9、量，有效改善了界面结构，增强集料与水泥石的结合能力，并且促进了水泥的水化，形成更多的C-S-H凝胶；但另一方面，过多的矿渣粉会带来更多的惰性组分，减少了胶凝物质中Ca(OH)2的量，所以反而会降低制品强度。2.4煤矸石目前泡沫混凝土中应用比较成熟的填料或掺合料是粉煤灰，但随着粉煤灰的大量使用，优质粉煤灰已经出现供不应求的严重局面，利用煤矸石作为胶凝材料或掺合料研制新型泡沫混凝土就应运而生。俞心刚17等以煤矸石作为主要胶结料研制了煤矸石泡沫混凝土，将煤矸石分别研磨0.5h和1.0h后等量替代部分水泥，制成的泡沫混凝土7d和14d抗压强度相差不大；研磨1.0h的比研磨0.5h的28d抗压强度高。2

10、.5石膏把石膏作为胶凝材料可制造石膏发泡水泥（泡沫混凝土），俄罗斯18曾用石膏水泥火山灰胶结料以及磷石膏、使用有机泡沫剂和有机硅憎水剂，来制取平均密度800kg/m31000kg/m3、抗压强度2.5MPa4MPa的泡沫混凝土，但不足之处是其弹性模量低。国内也有研究者对此进行研究，柳华实等19以建筑石膏为原料,采用松香类复合发泡剂在常温常压下发泡制成石膏基保温材料,表观密度在1000kg/m3左右时抗压强度能达到7.7MPa，发现气泡多为封闭型，具有良好的保温隔热性能。石膏制品具有十分独特的“呼吸功能”，可调节建筑物室内舒适性。邱树恒等20以石膏为基础体系,外掺粉煤灰、电石渣等工业废渣，用水泥

11、和改性剂制成一种泡沫混凝土，在不同相对湿度下平衡吸湿量进行测定，结果表明：该材料调湿性能优于加气混凝土及烧结黏土砖，且吸湿性能随着显气孔率的增大而增大,显示出较好的关联性。3集料对泡沫混凝土性能的影响泡沫混凝土除常用砂子作为填充料外，还多使用固体废弃物和轻质骨料,如工业废渣(粉煤灰、矿渣粉、废石粉)、秸秆粉、锯末等,还有常用的陶粒、膨胀EPS颗粒、膨胀珍珠岩等。砂子在泡沫混凝土中主要起填充作用，砂子加入有利于提高硬化泡沫混凝土的体积稳定性。E.K.Kunhanandan Nambiar等14研究了填充料类型(砂粒和粉煤灰)和砂粒颗粒尺寸对湿养泡沫混凝土性能的影响。实验结果表明：选择合理的混合料

12、稠度及填充料类型，可以调节泡沫混凝土的密度；泡沫混凝土制备工艺中，料浆的流动性主要受泡沫量的影响；减小砂粒尺寸能提高泡沫混凝土的强度。宋旭辉等21充分利用沙漠和当地洗砂厂的细砂,在泡沫混凝土生产过程50建筑砌块与砌块建筑2009/2建筑砌块与!2010/6砌块建筑!中直接加入细砂，制品具有轻质、强度高、导热系数小等优点,且由于不含有粉煤灰等材料,制品的抗冻性能和抗碳化能力好，B06级泡沫混凝土砌块的抗压强度达1.7MPa，导热系数达到0.086W/(mK)，B08级砌块抗压强度2.8MPa、导热系数达到0.108W/(mK)。高倩等22选用表观密度为60kg/m390kg/m3的一等品膨胀珍珠

13、岩作为生产泡沫混凝土的功能调节剂,研究发现它不仅可使混凝土的浇注高度增大,确保料浆上下匀质,而且使制品具有良好的吸音效果，同时实践表明此泡沫混凝土的稳定浇注高度可达600mm左右。将多孔泡沫料浆注入预先放有陶粒的模后成型，可制成陶粒泡沫混凝土，制品强度随陶粒强度的增长而增加；抗冻性好,经50次冻融循环后重量和强度的降低不超过10%7。研究发现23，在配制陶粒泡沫混凝土时,陶粒掺量、泡沫掺量、砂率都有其最佳值,而增加水泥用量并不能显著增加这种泡沫混凝土的强度。4外加剂对泡沫混凝土的影响4.1发泡剂发泡剂是影响泡沫混凝土性能的一个关键因素。研究24表明：发泡剂生成的泡沫最终在混凝土中形成的孔形结构

14、会对混凝土性能产生较大影响；孔径越小,孔形越圆,孔分散越均匀,泡沫混凝土的性能越好。目前国内使用的发泡剂25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类型，产品型号主要有CONA型泡沫剂、CCW95型固体泡沫剂、u型发泡剂、HJ3型磺酸盐系列微泡剂，CLY99憎水发泡剂系列,CPV发泡剂等。但总体来看,国内发泡剂的功能偏少，稳定性差，制品强度较低。国外对发泡剂研究较早，普遍使用蛋白质类发泡剂，具有发泡速度快、泡沫细小、泡沫尺寸均匀、泡沫稳定性好、持续时间长等特点，同密度等级的泡沫混凝土制品强度普遍高于国

15、内；另外，产品较为成熟，如美国研制的烷基磺酸碱金属盐和水解蛋白质复合组成的液体发泡剂，日本采用蛋白质物添加适量的阳离子表面活性剂配成的混合发泡剂等。Niertrasz等认为:泡沫膜的弹性(泡沫膜受力变薄后靠自身修复以恢复原来厚度的能力)对泡沫膜排水有很大影响。泡沫膜的弹性可用膜表面粘度来衡量。当泡沫膜弹性高时,能降低外力(重力,毛细管力)对液膜中液相的作用,降低液膜排液速率,增加了泡沫稳定。Galvez-Ruiz,Maria J.研究了蛋白质/表面活性剂复合体系发泡剂对泡沫稳定性的影响，研究结果表明蛋白质和表面活性剂界面上的运动和排列也能影响泡沫稳定性。膜上吸附活性剂分子多,膜较致密,膜弹性强

16、,而且泡沫内气体难以通过液膜向外扩散,泡沫能够在较长时间范围内稳定存在。王翠花等26研究了三乙醇胺、烷基苯磺酸盐和阿拉伯胶对发泡剂的发泡性和泡沫稳定性的改善效果，结果表明它们对发泡液发泡性和泡沫稳定性都有不同程度的改善作用，其中烷基苯磺酸盐的改善作用最明显，当其掺量为0.2g/30mL发泡液时，发泡倍数为16.7，泡沫稳定时间大于3h。4.2早强剂早强剂对泡沫水泥、泡沫混凝土强度有一定影响。研究结果16表明，无机早强剂CaCl2、Na2SO4与三乙醇胺对泡沫混凝土的抗压强度有明显的促进作用，非常适合做泡沫混凝土的早强激发剂；其激发效果次序：三乙醇胺+Na2SO4三乙醇胺+CaCl2三乙醇胺Na

17、2SO4CaCl2，其 中，0.1%的 三 乙 醇 胺 和2.5%的Na2SO4复掺的情况下，激发效果最好。俞心刚等27研究发现，早强剂的种类和掺量对煤矸石粉煤灰泡沫混凝土的强度影响都较大，掺加Na2SO4的强度高于掺CaSO4的；且不同早强剂对此混凝土气孔结构、孔型和吸水率都有不同程度的影响。4.3其他外加剂成分E.P.Kearsley等11研究了合成纤维对泡沫混凝土裂纹形成和抗压强度的影响，实验结果表明材料的抗压强度、抗挠强度、弹性模量、孔隙率等并没有因为掺入聚丙烯短纤维而增加，但纤维的加入可以提高泡沫混凝土的抗裂强度。粉煤灰掺入会增加泡沫混凝土的吸水率，但掺入憎水剂可大幅降低此类泡沫混凝

18、土的吸水率,在最佳掺量范围内,随憎水剂掺量增加,强度变化幅度不大,吸水率呈迅速减小的趋势8。参考文献：1颜雪洲,姚谦峰.泡沫混凝土力学性能试验研究J.工业建筑,2007年第37卷增刊：962964.2 Paul J.Tikalsky,James Pospisil,William MacDonald.A method forassessment of the freeze-thaw resistance of preformed foam cellularconcrete.Cement and Concrete Research,2004(34):889893.3贺彬,黄海鲲,杨江金.轻质泡沫混

19、凝土的吸水率研究J.墙材革新与建筑节能，2007（12）：2428.4潘志华，陈国瑞，李东旭等.现浇泡沫混凝土常见质量问题分析及对策J.新型建筑材料，2004（1）：47.5 M.R.Jones,A.McCarthy，Heat of hydration in foamed concrete:Effectof mix constituents and plastic density.Cement and Concrete Research，(2006)36：10321041.田学春:泡沫混凝土原材料与性能关系研究综述51建筑砌块与砌块建筑建筑砌块与2010/6砌块建筑国家发改委颁布第6号令，公布

20、固定资产投资项目节能评估和审查暂行办法，规定从2010年11月1日起，对境内相关年综合能耗超过1000吨标煤以上的固定资产投资项目，实施节能专项评估和审查。该办法规定：年综合能源消费量3000吨标准煤以上（含3000吨标准煤，电力折算系数按当量值，下同），或年电力消费量500万千瓦时以上，或年石油消费量1000吨以上，或年天然气消费量100万立方米以上的固定资产投资项目，应单独编制节能评估报告书。年综合能源消费量1000至3000吨标准煤（不含3000吨，下同），或年电力消费量200万至500万千瓦时，或年石油消费量500至1000吨，或年天然气消费量50万至100万立方米的固定资产投资项目，

21、应单独编制节能评估报告表。预计，今后凡新（扩）建混凝土砌块（砖）、蒸压加气混凝土和蒸压粉煤灰砖生产线，特别是申请列入“国债贴息计划”的计划项目，均需编制“项目节能评估报告表”，并接受节能专项审查、备案。国家开始对实施固定资产投资项目节能评估与审查短讯目前全美国的混凝土砌块（砖）生产线，约80%使用一种直接安装在养护窑边上的蒸汽发生器来供蒸汽或热水。而这些蒸汽发生器中，绝大多数均来自同一厂家美国Kraft能源公司，一家专业从事混凝土制品养护窑用蒸气发生器（或热水器）和养护窑控制系统的供应商。自2008年金融风暴以来，美国、加拿大等北美地区的混凝土砌块（砖）生产线停产较多，企业放弃对生产线设备（包

22、括养护窑）进行技术改造，新建生产线更是基本绝迹，使Kraft能源公司业务大受影响。贝赛尔公司虽然销售额也受金融风暴影响而大幅下降，但利用企业兼并收购良好时机，于2010年4月完成了对Kraft能源公司的收购。通过这次收购，使美国贝赛尔公司拼接上了混凝土制品（混凝土砌块、混凝土管和桩）生产成套装备供应商的最后一块“短板”养护系统设计与专用装置的供应。今后，美国贝赛尔公司在增加了Kraft的养护系统和专业技巧后，能够有效地应对全球客户目前越来越复杂的养护过程要求，能更好地利用替换骨料(如碎玻璃、粉煤灰和矿渣粉等再生材料等)；将可以向客户提供混凝土砌块(砖)生产线从原料计量、搅拌、成型、养护、二次加

23、工等完整的成套装备方案设计、优化和供应，使客户能进一步节约生产线投资、降低产品生产能耗、提高产品质量。美国贝赛尔公司收购Kraft能源公司6乔欢欢,卢忠远,严云.用普通水泥制备泡沫混凝土基体材料的研究J.武汉理工大学报,2008,30(5):3537.7盖广清，张海波，马小秋.掺粉煤灰的陶粒泡沫混凝土承重保温砌块研究J.建筑砌块与砌块建筑，2007（1）：1718.8李娟,王武祥.大掺量粉煤灰泡沫混凝土的性能研究J.粉煤灰综合利用，2003(3)：3435.9 E.P.Kearsley,P.J.Wainwright.Ash content for optimum strength offoam

24、ed concrete.Cement and Concrete Research，(2002)32:241246.10赵铁军,高倩,王兆利.大掺量粉煤灰对泡沫混凝土抗压强度的影响J.粉煤灰，2002（6）：710.11 E.P.Kearsleya,P.J.Wainwright，The effect of porosity on the strengthof foamed concrete，Cement and Concrete Research,(2002)32：233239.12 M.R.Jones,A.McCarthy,Utilising unprocessed low-lime coal

25、 fly ashin foamed concrete；Fuel,2005(84):13981409.13 E.K.Kunhanandan Nambiar,K.Ramamurthy,Models relating mixturecomposition to the density and strengthof foam concrete usingresponse surface methodology,Cement&Concrete Composites，2006(28):752760.14 E.K.Kunhanandan Nambiar,K.Ramamurthy.Influence of f

26、iller typeon the properties of foam concreteJ.Cement and Concrete Research，2006(28)：475480.15胡曙光,王发州.轻集料混凝土M.北京：化学工业出版社,2006.16赵云雁.提高泡沫混凝土抗压强度的研究J.工程论坛,2005(15)：134156.17俞心刚,李德军,田学春等.煤矸石泡沫混凝土的研究J.新型建筑材料，2008（1）：1619.18屈志中.提高石膏混凝土建筑性能的若干技术途径J.建筑技术，2006，37（1）：1720.19柳华实,葛曷一,张国辉等.石膏保温材料的工艺与性能研究J.济南大学学报

27、(自然科学版),2002,16(1)：6970.20邱树恒,李子成,陆宇兰等.新型石膏基泡沫混凝土调湿性能的研究J.广西大学学报(自然科学版)，2007,32(1)：2630.21宋旭辉,侯文虎,杨树新等.利用沙漠细砂生产泡沫混凝土的研究J.混凝土,2007，218（12）：5557.22高倩,王兆利,赵铁军.泡沫混凝土J.青岛建筑工程学院学报,2002,23（3)：113115.23孙文博,李家和,张志春.陶粒泡沫混凝土强度及其影响因素研究J.哈尔滨工业大学学报,2002(31)：7983.24高波,王群力,周孝德.混凝土发泡剂及泡沫稳定性的研究J.粉煤灰综合利用,2004(1)：1316.25关博文,刘开平,赵秀峰.泡沫混凝土研究及应用新进展J.广东建材,2008(2):1921.26王翠花，潘志华.混凝土发泡剂的泡沫稳定性研究J.化学建材,2006,22(3):4750.27俞心刚，魏玉荣，曾康燕.早强剂对煤矸石-粉煤灰泡沫混凝土性能的影响J.墙材革新与建筑节能，2010(5)：2528.短讯52