泡沫混凝土的制备工艺与设备的研究

2018-11-14李晨赵利军李雅洁刘朝阳王波

中国设备工程 2018年21期

李晨，赵利军，李雅洁，刘朝阳，王波

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安 710064）

装配式建筑将引领建筑材料向部品化、轻量化、结构功能一体化方向发展，是建筑行业一次革命性的突破，这一趋势也为泡沫混凝土的发展提供了契机。泡沫混凝土的轻质性、保温性、低密度、良好的隔音能力，相较于传统有机保温材料又具有良好的耐火性。除以上优点外，泡沫混凝土还具有减震性能好、环保无污染、可泵性能好等特性，因此在现代建筑行业中倍受欢迎。泡沫混凝土可在工厂内制成结构构件，砌块，保温板等，也可预制成保温层、透水层和墙体等。生产技术和设备是确保泡沫混凝土行业健康快速发展的基础。没有优良的技术，转型升级将无法实现；没有高效的设备，全面应用只是纸上谈兵。只有确保生产技术和生产设备的提高，才能为泡沫混凝土行业保驾护航。国内外研究学者从材料范畴和配合比设计等方面开展了大量研究，而对于泡沫混凝土生产时所需的搅拌工艺的重视和研究不够。

如下表1为近几年泡沫混凝土年产量。

表1 近几年泡沫混凝土年产量

1 泡沫混凝土

泡沫混凝土与加气混凝土具有许多相似之处，但又明显区别于传统加气混凝土。加气混凝土需要蒸压养护，且不适应于现场生产浇筑，而泡沫混凝土一般则是天然养护，且可以完成现场生产浇筑。传统的泡沫混凝土是指在有水泥、外加剂等组成的浆体中加入预先通过高速搅拌或发泡机制备好的泡沫，经过混泡、浇注、养护等形成具有一定强度的轻质混凝土。这种方法也称为物理方法制备泡沫混凝土。但近些年随着技术和设备的改进，行业中出现了一种广泛使用的化学方法制备泡沫混凝土，该方法以水泥、水、添加剂等材料搅拌成浆体，再加入过氧化氢（双氧水）、电石（碳化钙）等化学材料作为发泡剂，经过搅拌、浇注和发泡等流程便可生产出泡沫混凝土。这种化学方法生产的泡沫混凝土有悖于传统泡沫混凝土的定义，引起了对于泡沫混凝土定义一系列争议。有学者指出，传统泡沫混凝土的定义过于强调“物理制备泡沫”，过于片面。为区别于加气混凝土，应将具有独立封闭气孔结构且不需要蒸压的轻质多孔混凝土称为泡沫混凝土，这就需要加入化学方法产生泡沫进而制备泡沫混凝土的概念。参考了国内外的定义，泡沫混凝土的现状以及泡沫混凝土和加气混凝土的区别。笔者认为泡沫混凝土指以水泥及其他辅助掺合料为主要原料，采用物理或化学方法将气泡均匀分布在水泥浆体中，经过自然养护制成富含独立密闭气泡的轻质多孔混凝土。

2 泡沫混凝土存在的问题

（1）强度较低。为保证其低密度的特性，泡沫混凝土中不添加粗集料，砂等细集料也只会在一些较大密度的泡沫混凝土中少量添加。大量泡沫的加入提高了孔隙率，同时也导致了泡沫混凝土的强度较低的现象，有的甚至低于1.0MPa。这种现象严重限制了泡沫混凝土的应用领域。

（2）干缩、开裂和吸水率偏大等。泡沫混凝土中存在着大量的气孔，且填充材料多为水泥等粉料。因此泡沫混凝土具有较高的收缩和吸水率。较大的饱和吸水率容易引起冻融现象，严重降低了泡沫混凝土的耐久性。水分的蒸发直接影响着泡沫混凝土的开裂程度。泡沫混凝土的水灰比往往较高，当多余的水分蒸发时会导致泡沫混凝土会收缩开裂。

（3）发泡技术。国内发泡技术落后，发泡剂质量较差，一直限制着行业的发展。现有的发泡剂和发泡技术制成的泡沫稳定性差，泡沫不均匀。这也就导致了制备出的泡沫混凝土不能达到理想的密度值，从而也制约着泡沫混凝土市场。

3 泡沫混凝土性能影响因素分析

泡沫混凝土性能影响因素是多方面的，且各影响因素之间也都有一定的相关性。现从以下方面进行分析。

（1）材料方面。添加适量的粉煤灰代替水泥，泡沫混凝土的早期强度会略微下降，但对泡沫混凝土的最终抗压强度稍有提高，且由于粉煤灰密度小于水泥，可以降低泡沫混凝土的密度。有研究表明适量掺加粉煤灰和红泥对泡沫混凝土的干燥收缩有一定的抑制作用，改善泡沫混凝土的内部结构。泡沫混凝土的流动性随着泡沫剂的稀释率增加而增加，但抗压强度和抗弯强度随泡沫剂用量增大而迅速减小。Ma C等人研究结果表明，发泡剂掺量的增加对干密度、抗压强度和绝缘性等性能有降低作用。适量的添加剂（速凝剂、憎水剂等）可以改善泡沫混凝土的内部结构，减少连通孔，有效减轻塌模现象。掺加纤维可以提高泡沫混凝土的抗折强度，不同种类的纤维对泡沫混凝土改性效果不同。

（2）配比影响。通过调节水灰比，可以有效控制泡沫混凝土的孔隙尺寸、气孔连通度和内部结构。过高的水灰比会使相对粘度减小，导致气孔连通率升高，破坏内部结构。过低的水灰比又会限制发泡剂的发泡能力，导致泡沫混凝土的密度升高且降低保温等其他性能。合理的水灰比可以得到比较理想的抗压强度，合理的孔隙率、气孔平均孔径和圆度值。各添加剂的用量根据生产商的参考用量，以往试验用量为基础进行反复调整。外界环境、材料性能的区别等均会对添加剂的用量造成影响，因此各添加剂的用量需根据其他影响因素的变化反复调整。一旦其他的影响因素发生变化，相应添加剂的用量也需及时调整。

（3）外界环境。化学发泡对外界环境比较敏感，外界环境的温度、空气的干湿度和噪声都可能导致引起塌模现象。如环境温度直接影响泡沫混凝土中发泡剂的发泡速率和发泡量；噪声易诱泡沫凝土中气泡液膜变薄而破裂。已有研究证明，相同配比与工艺下，在不同生产环境中制备的泡沫混凝土的密度等性能可能相差悬殊。因此，在确定材料配比和生产工艺之后，尽量避免外界环境发生变化。

4 泡沫混凝土搅拌工艺

现阶段国内外对于泡沫混凝土的研究主要设及材料、配比和微观结构等，而针对泡沫混凝土的搅拌工艺和搅拌方式的研究却不多。有研究表明，在相同工况下，良好的搅拌工艺可以提高泡沫混凝土强度的54.5%。以往泡沫混凝土的生产过程中，企业往往只重视泡沫混凝土的发泡过程，忽视了发泡剂或泡沫对搅拌的一些特殊要求，沿用普通混凝土的搅拌工艺，导致产品生产效率低和性能差。

传统物理发泡泡沫混凝土的制备工艺已经基本完善，在此不过多赘述。相较于物理发泡泡沫混凝土，化学发泡混凝土具有孔径细小、尺寸均匀且孔的完整率高等优点，但其对搅拌工艺和搅拌方式的要求也更为苛刻，使用现有的设备和工艺很难达到所需的高均匀性。

在制备过程中，化学方法泡沫混凝土的制备大体分为两个阶段。第一阶段的主要目的是水泥浆体的均匀拌合，与传统混凝土相比，泡沫混凝土以水泥为主，没有碎石等粗集料，各种添加剂难以分散；另一个阶段是化学发泡剂与水泥浆体的拌合。化学发泡泡沫混凝土的生产过程中，必须对搅拌时间进行严格控制，搅拌时间不足时，发泡剂主要留存在浆体上层，容易塌模；时间过长时，发泡剂大量发泡，造成泡沫损失严重，从而损害泡沫混凝土的质量。搅拌工艺越合理，水泥、添加剂和发泡剂在浆体中分散的越均匀，加入的发泡剂可均匀的悬浮在浆体中，进而形成的气孔结构也会越合理，水泥也能发挥更好的胶凝作用，形成的泡沫混凝土制品性能也就越优良。若发泡剂没有均匀的分布在浆体中，堆积在浆体的上层，则易造成泡沫混凝土塌模，气孔分布不均匀，严重破坏泡沫混凝土性能。搅拌机是泡沫混凝土生产中必不可少的设备，搅拌工艺的优劣在很大程度上决定了泡沫混凝土的性能。如下图1为化学发泡生产泡沫混凝土工艺流程图。

图1 化学发泡生产泡沫混凝土工艺流程图

5 泡沫混凝土搅拌设备的要求

随着国内泡沫混凝土行业的逐渐成熟，对于泡沫混凝土设备的需求也越来越大。然而在过去的5年间泡沫混凝土的年产量快速增多，而泡沫混凝土的相关企业一直维持在1000多家。泡沫混凝土设备的生产效率低，忽略泡沫混凝土的特性，生产效率低及可控性能差已经逐渐不能满足市场的需求。

普通的混凝土拌合设备多为卧式搅拌机，转速较低，叶片布局简单，死角较多，无法保证搅拌质量。化学发泡泡沫混凝土需要浆体达到超高均匀度，采用普通混凝土拌合设备是肯定不行的。泡沫混凝土流动度非常大，卧式搅拌机的轴端密封，卸料门泄漏等问题严重影响了泡沫混凝土生产的效率和性能。常规搅拌机的转速只有20～40r/min，转速太低。要达到超高均匀度是困难的，化学发泡搅拌机的转速应达到120r/min以上。有研究结果表明，高转速搅拌机对加入化学发泡剂的水泥浆体有活化作用。化学发泡泡沫混凝土浆体水灰比大，无碎石等粗集料，因此搅拌阻力小，为高速搅拌机提供了技术条件。由于物料在不同阶段所需的搅拌机转速不同，泡沫混凝土搅拌机应具有调速功能，以适应不同搅拌阶段不同的转速要求。搅拌机必须具有较强的上下层浆体快速混合的作用，且不能留有死角。化学发泡剂是后加入在浆体表面，因此搅拌机必须能够在极短时间内完成上下层均匀混合的作用，否则发泡剂漂在浆体上部，会造成发泡不均匀，使成品产生过大的密度差。