泡沫混凝土生产应用现状与前景分析

王静文 刘旭照 尹泽飞 袁晓波

（鄂尔多斯应用技术学院 土木工程学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

0 引言

泡沫混凝土是一大类以水泥基胶凝材料为主要基料，采用化学发泡或物理发泡工艺，制成的含有大量微小均匀独立气孔的轻质多孔材料的总称[1]。泡沫混凝土也被称为发泡混凝土、泡沫水泥或发泡水泥，属于加气混凝土中的一种。欧洲早在二十世纪初就发明了泡沫混凝土，但因生产方法局限，当时的泡沫混凝土并没有引起广泛关注。直至二十世纪七十年代，荷兰率先使用泡沫混凝土作为路基回填材料，人们才逐渐意识到了其作为建筑材料的潜力。如今，泡沫混凝土的制备方法取得了很大的改进，泡沫混凝土的应用领域已经从传统的保温隔热材料以及回填材料向一种多功能环保轻质建筑结构材料过渡。我国从二十世纪八十年代开始广泛引入泡沫混凝土，其因轻质环保、隔音隔热、减震消能、耐水阻燃、施工方便等优越性能正在成为我国备受关注的新型节能材料。

1 泡沫混凝土的生产

1.1 主要原材料及影响

不论是何种用途的泡沫混凝土，其主要原料均由胶凝材料、矿物掺合料、骨料及外加剂组成。

1.1.1 胶凝材料

泡沫混凝土的胶凝材料主要是水泥。由于市场上水泥种类多样且性能各异，如何合理选用水泥品种是需要关注的问题，目前生产应用较多的依然是通用硅酸盐水泥。就通用水泥的具体选择上，一般优选强度等级更高、细度更好、熟料含量更高、凝结速度更快、混合材品种更少、稳定性更佳、低碱、低热的水泥类型以获得强度更高、水化更彻底、发泡更稳定等的综合性能更好的泡沫混凝土。所以P·Ⅰ、P·Ⅱ型硅酸盐水泥应当是通用水泥当中的最佳选择，普通硅酸盐水泥居其次。表1总结了几种通用硅酸盐水泥的优势与应用于泡沫混凝土工业生产时的改进措施。随着建筑材料进入多元化应用时期以及人们对通用水泥各自性能上的认识逐渐深入，改性硅酸盐水泥、硫铝酸盐复合水泥、镁质复合水泥等新型水泥正逐渐开始应用，促进泡沫混凝土胶凝材料向高性能化发展。

1.1.2 掺合料

常用于泡沫混凝土的掺合料有粉煤灰、硅灰与高炉矿渣。

表1 通用硅酸盐水泥特性

粉煤灰对泡沫混凝土性能的提升机理可以归结为三大效应：微集料效应、活性效应与形态效应[2]。在生产泡沫混凝土时加入粉煤灰可以增强泡沫混凝土的后期强度、改善和易性、缓解开裂及干缩且节约造价，只是需要适当控制粉煤灰掺量。一般认为当粉煤灰掺量上限约为水泥掺量的70%，超过此掺量后泡沫混凝土强度增长不再明显[3]。

增加硅灰主要是为了增加泡沫混凝土的强度。他对泡沫混凝土强度的增加幅度要明显高于粉煤灰、矿渣、火山灰等。硅灰极细，在加入水泥浆体后有如润滑微珠一般填充到水泥颗粒之间的空隙之中，一方面使水流动的通道减少，提高浆体黏聚性，更有利于稳泡及减少成品泌水率，同时提高胶凝材料硬化体与气孔壁的密实度，提升强度。硅灰的掺量一般不宜过高，否则发生强度退化。研究数据表明，硅粉对泡沫混凝土各项性能（发泡倍数、浆体稳定性、干表观密度、抗压强度、体积吸水率和导热系数等）都有不同程度的改善，在配合使用高效减水剂后可使泡沫混凝土强度提升10%～20%。

高炉矿渣简称矿渣，其加入对泡沫混凝土最显著的有利影响为降低水化热及增强远期强度。因为矿渣的水化活性只有在细度较大时才可以达到泡沫混凝土凝结速度要求，故在矿渣选用时要挑选矿渣微粉，并非普通粒化矿渣。值得注意的是泡沫混凝土本身干缩大，加入矿渣后可能会愈发加重干缩，此可以通过一些外加剂来改善。

1.1.3 骨料

泡沫混凝土中一般不加入骨料，因为骨料易在轻质料浆中沉淀并导致泡沫灭失。一般在设计干密度大于1200kg/m3时才会考虑使用粒径不超过4mm的细砂作为骨料以适当增加泡沫混凝土的力学性能并减少干缩。

1.1.4 外加剂

发泡剂是泡沫混凝土所用最重要的外加剂，也是泡沫混凝土生产中仅次于胶凝材料的第二位原材料，它是在胶凝材料硬化体中形成气孔的主要物质基础。发泡剂有化学发泡剂和物理泡沫剂两种：化学发泡剂的基本原理是在材料浆体中产生气体形成无数微小独立的气泡，在泡沫混凝土实际生产中应用的大部分为双氧水；物理泡沫剂通过降低液体表面张力等物理作用而导入气泡，按照其在我国的演变历程可以分为第一代松香树脂类，第二代合成表面活性剂类，第三代蛋白类和第四代复合类。目前国内市场占有率较高的是合成阴离子表面活性剂型，蛋白类泡沫剂成本较高，但产生的泡沫气泡直径更小更均一，泡沫结构更稳定，在发达国家应用更多。图1比较了四种市售泡沫剂性能，其中松香皂属第一代松香树脂类泡沫剂，十二烷基苯磺酸钠是最常用的一种合成阴离子型表面活性剂，茶皂素是一种植物蛋白泡沫剂，动物蹄脚泡沫剂是一种优质动物蛋白泡沫剂。可以看出，单一成分泡沫剂在发泡倍数与稳泡能力两方面的性能表现均不够全面，这也就促使了第四代复合类泡沫剂的产生与发展，这是一类通过将不同类型泡沫剂复配实现较高的发泡倍数与较好的稳泡能力的泡沫剂，虽然目前市场占有率小，距离工业化生产也有一定的距离，但是具有相当广阔的工业应用前景。

图1 常见泡沫剂性能对比

除发泡剂外还有种类数量繁多的外加剂，如减水剂、缓凝剂、稳泡剂等，需要依据产品目标性能具体选用。

1.2 生产工艺

泡沫混凝土的生产工艺依据选用发泡方式不同一般有3种：物理发泡法、化学发泡法与搅打法。

物理发泡法将以表面活性剂为主的泡沫剂经发泡机发泡后制成泡沫，然后将泡沫加入搅拌好的水泥基料中并小心混合均匀，所以也叫预发泡法或混泡法，对应生产工艺流程如图2所示。这种发泡方式可以通过调整泡沫掺量灵活控制成品密度，生产方式灵活，有利于场地现浇，但是由于消泡严重、稳泡性能不佳，施工质量往往不好控制；化学发泡法是采用双氧水作为发泡剂，施工时将过氧化氢加入搅拌好的料浆中，经由化学反应在料浆中产生气体形成气泡，此方法也称后发泡法，常用于泡沫混凝土制品生产。化学发泡法对混凝土的温度、料浆的稠度有比较严格的要求；搅打法可用于蛋白类及表面活性剂类泡沫剂，主要做法是将泡沫剂与料浆在搅拌机里共同搅拌，通过机械搅拌引入气泡，含气量由搅拌速度与搅拌时间调节。

图2 物理发泡法制备流程

1.3 质量控制

1.3.1 泡沫

泡沫质量是决定泡沫混凝土性能的首要因素，不论是哪种发泡方法制得的泡沫都需要符合要求。需要泡沫满足的性能指标有三种：发泡倍数、沉降距以及泌水量，检测工具如图3所示，具体试验方法参照《JT/T266-2011 泡沫混凝土》行业标准。一般要求用于施工的泡沫混凝土泡沫剂发泡倍数＞20，沉降距＜10mm，泌水量＜80ml。

1.3.2 湿密度

因为现浇泡沫混凝土在运输及储存过程中易消泡，其间对环境也有一定的要求，加之市面上泡沫剂种类千差万别，故泡沫混凝土现浇质量很容易参差不齐。而密度等级不合格的泡沫混凝土一旦完成浇注，硬化后将对工程产生巨大损失，所以在浇注前检测泡沫混凝土的湿密度对及时发现工程质量问题与调整配合比有重要意义。湿密度采取测定已知容积内浆体质量的方法测定。

1.3.3 工作性

尽管现有规范中并没有对泡沫混凝土坍落度测试的必要性做明确说明，但是坍落度小于一定值的泡沫混凝土对浇注是极为不利的，尤其是当掺入纤维或轻骨料时，由掺量过大引起的料浆工作性变差问题在生产现场值得注意。

1.3.4 分层

搅拌不充分或者存放时间过久的泡沫混凝土料浆很容易发生分层现象，容重较轻的湿泡沫集中在料浆上层导致硬化后气孔分布不均，严重影响材料品质。分层程度可以在生产过程中肉眼观察或通过在硬化后试件的不同深度取样检查。

2 工程应用现状

2.1 传统应用

2.1.1 屋面保温层

屋面保温是我国应用较早的泡沫混凝土工程，目前应用也已经比较成熟。泡沫混凝土内部含有大量的密闭气泡与微孔，因此兼具轻质与很好的热工性能，其密度一般相当于普通混凝土的1/3～1/10左右，而导热系数却要比混凝土低得多，因此是建筑物屋面保温的首选材料之一。应用比较多的有现浇泡沫混凝土屋面保温层、泡沫混凝土隔热板等，其中现浇泡沫混凝土屋面保温层因为其良好的施工性还可充当找坡层，大大简化施工工序。

2.1.2 地暖绝热层

地暖绝热层是地暖中用于阻挡热量向下传递、减小热损失的一种地面构造层，处于地暖管与结构层之间，主要应用的是泡沫混凝土优异的热工性能。泡沫混凝土地暖绝热层一般采用现浇，且能够自流平施工，施工效率高。与最早流行的聚苯乙烯泡沫塑料板相比，泡沫混凝土地暖绝热层在阻燃、承载力、使用寿命、环保、施工工序等方面具有明显优势，目前在我国已经有替代聚苯乙烯等泡沫塑料绝热层的趋势。北京、辽宁等多地最新发布的地面辐射供暖相关标准均采用了泡沫混凝土绝热层。

2.1.3 泡沫混凝土外墙外保温板

建筑外墙外保温技术是我国建筑节能技术的主导方向。与泡沫塑料等有机保温材料相比，泡沫混凝土具有防火、耐久、隔音、环保等显著优势。但是自2013年起，由于国家取消对建筑保温材料必须达到A级防火等级的限定，B级保温材料的挤压直接导致了泡沫混凝土保温板市场的大幅萎缩。当下泡沫混凝土保温制品行业发展已经回归理性，正在从密度、强度、导热系数三个主要方面寻求转型升级方向。我国现已生产出密度150kg/m3以下，导热系数低于0.03W/（m·K），抗压强度不低于0.12MPa的泡沫混凝土保温板，生产工艺由最初以化学发泡法为主发展向物理、化学相结合等新工艺，产品形式也趋于多样，正由非结构保温向建筑结构自保温的方向发展。

2.1.4 泡沫混凝土砌块

泡沫混凝土砌块是将泡沫混凝土制成规格较大的块体以提高砌筑速度，适用于自保温外墙与自保温内隔墙，有良好的结构自保温及隔音效果。泡沫混凝土自保温砌块密度通常低于700kg/m3，导热系数低于0.15W/（m·K），厚度为200～400毫米，可满足不同气候地区建筑节能标准要求。泡沫混凝土砌块块型小、轻质、易施工，用作内隔墙可以有效增加建筑使用面积、减轻墙体自重，用作外墙时可以免去外墙外保温的施工，因此具有很好的发展势头。不过因为承重能力较低，目前泡沫混凝土砌块的产品定位主要还是保温，而不是结构，一般用于框架结构非承重墙体构造，不能用于承重墙，所以并不能完全取代传统砌体结构。

2.2 升级应用

2.2.1 泡沫混凝土墙体

泡沫混凝土墙体浇注是将泡沫混凝土浆料直接浇筑于墙体模版内制成泡沫混凝土保温墙体的施工工艺，分为免拆模墙体、拆模墙体两种。免拆模墙体是由竖向轻钢龙骨与横向断桥龙骨为支撑体系，以固定于龙骨两侧的无机面板为永久性模版，然后经由面板上预留的浇注孔向空腔内现浇泡沫混凝土，凝固后成一体的复合保温墙体，应用于免拆模墙体的泡沫混凝土密度一般小于700kg/m3。由于模版本身是墙体的组成部分，免于拆除，故而大大简化施工工序，并有效减少了泡沫混凝土干缩开裂的影响；可拆模墙体在浇注后需把模版拆除，因而对泡沫混凝土密度、强度、导热系数的要求比免拆模的更高一些，密度一般大于700kg/m3，主要用于自承重墙体。近年来还出现了一种钢网模构架泡沫混凝土复合墙体，其是利用拉伸钢网替代传统墙体模版，现浇泡沫混凝土凝固后使钢网与泡沫混凝土墙体表面牢固结合而成的复合墙体。钢网模构架泡沫混凝土复合墙体不但解决了泡沫混凝土墙体空鼓、开裂的技术难题，而且由于施工便捷、高性价比正逐渐成为现浇泡沫混凝土自保温复合墙体的主流技术体系[4]。

2.2.2 回填工程

泡沫混凝土由于良好流动性的优势可以被应用到各种回填工程当中，尤其是当作业空间过于狭小，施工人员与机具无法到达时。与混凝土相比，泡沫混凝土回填灌浆施工简便、凝结速度快、管道上浮力小，浇注完成后不需额外振捣，综合成本更低；与土、砂石等粒状回填材料相比，泡沫混凝土回填体荷载传递路径明确，回填密实度更高，无需碾压即可回填密实，具有更高的回填效率及填体质量。目前泡沫混凝土已经开始被用于旧建筑排污管道、水井、地下室回填及隧道、采空区、地下洞穴、管线等回填工程，在一些隧道工程中也应用到泡沫混凝土进行工程减荷回填。

2.2.3 地基工程

泡沫混凝土可用于补偿地基、运动场基础、机场跑道等。泡沫混凝土作为补偿地基不仅在强度方面满足地基的设计要求，而且在控制沉降及抗冻方面也展示出优异的性能；采用泡沫混凝土为轻质基础建造的运动场具有施工简单、耐久性好等特点，通过在其上覆盖草皮或塑胶层可满足各种运动需求；泡沫混凝土弹性模量低、吸能性好、应变率效应显著[5]，作为机场跑道地基时可以大大降低高强度振动对路基的损伤，逐渐成为机场阻滞系统的主要材料。

2.2.4 道桥工程

泡沫混凝土由于质轻、自立性好、易于施工、造价低廉且相较于普通回填材料较高的强度，目前在高速公路加宽扩建、路基减荷、台背回填、挡土墙工程、桥梁减跨等工程均有应用，在道桥维护工程中也可被用来整治基础脱空、桥台背跳车等不良现象[6]。

2.3 新兴应用

2.3.1 预制泡沫混凝土板装配式建筑

装配式建筑是指由预制部件在工地装配而成的建筑，有节能、环保、工期短的主要优势，是当今建筑业的最大热点之一。泡沫混凝土由于轻质、保温、隔音、环保等天然优势，可以与装配式建筑进行很好的结合。泡沫混凝土在装配式建筑中的应用形式主要是框架式镶嵌板建筑，就是指主体框架（以钢筋混凝土框架、钢框架为主）与工业化生产的各种不同构造形式的泡沫混凝土复合墙板、楼板、屋面板所组成的建筑，具有自保温、自重轻、空间分割灵活、施工速度快等诸多优点，可被用于中低层建筑、工业厂房与农业设施。

2.3.2 泡沫混凝土减震层

目前地下工程的抗震方法以加固围岩、强化衬砌等传统方法为主，通过设置减震层来减轻隧道等地下结构震害的方法是近年来学者提出的新理念。泡沫混凝土在地震作用下能吸收围岩的变形，消能减震，同时还有较好的施工性与耐久性，能够适应隧道等地下结构所处的地质环境与现场施工要求，是一种理想的地下结构减震材料[7]。

2.3.3 泡沫混凝土防护结构

地下人防与军事工程对结构的抗爆性能都有特殊的要求。以泡沫混凝土为吸能层的钢筋混凝土复合防护结构对子弹冲击及爆炸冲击波有很好的吸收作用，可以大幅度减少爆炸的破坏力，且造价低廉，可以大面积使用，有很高的军用及民用价值。

2.3.4 透水型泡沫混凝土

带有连通孔隙且开口率达80%以上的泡沫混凝土具有很好的透水及过滤功能，可以用于海绵城市建设、透水砖、生态植草地面、垃圾无菌无害化覆盖处理、化工过滤、沙河水过滤等。

2.3.5 景观与装饰工程

泡沫混凝土在园林景观与装饰工程领域的应用在我国尚属新兴领域，但是发展的势头非常好。泡沫混凝土因为成型快、易加工，可以很好的代替传统混凝土进行大体积景观造型的填充，实现生动的外形且节约造价；也可以经深加工制成泡沫混凝土保温装饰一体板，克服传统外墙外保温系统易破损与装饰性差的缺陷；也可以用于生产各种艺术摆件、装饰线条，且有比石膏更轻的自重与更高的强度；还可以很容易的制作水上漂浮景观，并实现无图栽培。

3 问题与展望

目前，泡沫混凝土行业正处于转型升级的关键时期。虽然我国泡沫混凝土年产量高居世界第一，但行业总体距离发达国家还是有一定的距离，主要表现在以下几个方面。

3.1 产品种类单一

虽然泡沫混凝土的应用领域逐渐拓宽，工程量也日益加大，但从生产及应用比例上看还是以传统应用为主，高端、高附加值应用严重短缺，低档次恶性竞争充斥着整个行业，导致泡沫混凝土的优势远没有得到充分利用。要扭转这种局面，唯有多元发展，及早开发拓展新兴应用市场。

3.2 产品性能难以保证

国内泡沫混凝土制备技术还不成熟，核心外加剂的研发力度还不够，产出的泡沫混凝土普遍存在密度高、强度低、干缩大、导热系数偏大、成本高的问题，难以为市场广泛接受。从原料、工艺等方面入手进行质量控制、研制高效发泡剂与外加剂、积极利用工业废料降低成本并提高产品性能是泡沫混凝土实现高性能化的必经之路。

3.3 工艺陈旧，难以实现产业化

国内泡沫混凝土生产设备，施工工艺多数仍沿用传统的混凝土施工工艺，缺少与泡沫混凝土工艺特性有机结合的切实可行的施工工艺，使应用领域长时间局限于对工艺要求不高的地暖绝热层与填充工程中。此外，国内泡沫混凝土企业规模小，数量多，生产经营模式粗放。所以，全行业必须加大对新技术的研制力度，整合资源，齐头并进研发新设备、新产品，早日向高端产业化迈进。

4 结语

泡沫混凝土的各项原料会对成品性能产生直接影响，所以不仅应当根据目标性能合理选用原料种类并控制用量，而且需要在生产的各个环节进行严格的质量控制。应积极研发高效发泡剂与外加剂以优化泡沫混凝土性能，同时应合理设计配合比，改进生产工艺，升级机具，实现国产泡沫混凝土高性能化与产业化；应尽早开辟多元化发展道路，开发新产品，将产业结构由目前的以传统应用为主调整向高技术含量、高附加值应用靠拢，促进行业的转型升级。