陶粒泡沫混凝土的研究进展及应用

于斐凡 武立伟 王茁伊 郭雪源

(华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063200)

上世纪末开始，我国建筑行业步入了一个蓬勃发展的新阶段，同时也形成了资源浪费、环境污染等问题。据不完全统计，我国在建筑工程领域方面的能源消耗总量占到了社会能源总消耗量的近30%[1]。为了减轻建筑消耗造成的经济发展负担，我国制定了一系列关于建筑节能设计、管理的法律条文与规范。同时节能减排国策的推行，使建筑行业迎来了一次重大革新。在此阶段，涌现出许多新型建筑节能材料，轻骨料混凝土之一的陶粒泡沫混凝土备受关注。

陶粒，是用黏土或页岩等物料制作而成的球形或椭圆形颗粒。其表面光滑、内部孔隙大，具有密度小、硬度高、耐火性好等优点。在泡沫混凝土浆料中掺入一定量的陶粒，不但可以降低水泥用量，还能够增加泡沫混凝土的强度。陶粒泡沫混凝土以其密度低、硬度高、保温隔热、节能环保等优点逐步成为新型建筑节能材料的研究重点。

1 国内外研究现状

目前建筑结构的发展主要有两个方向：一是大跨度建筑；二是超高层建筑。无论是大跨度建筑还是超高层建筑，面临的重要问题就是给结构减重，由于常规混凝土的密度高自重大，在整个建筑中难以全面应用。陶粒泡沫混凝土作为一种新型建筑材料，以其制备的砌块和保温墙体具有密度小、强度高、保温隔声性能好等优点，在建筑保温和高层建筑中具有较好的应用。此前，国内关于陶粒泡沫混凝土的生产厂家有近1 000余家，但是陶粒泡沫混凝土在国内并没有被大范围推广应用，原因主要是目前国内陶粒泡沫混凝土的制备厂商大小规模不一和缺乏系统的生产规范，小规模企业的生产质量参差不齐，质量难以保证，阻碍了陶粒泡沫混凝土的发展与应用。

美国、加拿大、日本和意大利等西方发达国家在泡沫混凝土方面的应用主要体现在建筑墙体和挡土墙以及海上石油平台等方面。但总体上国际方面可借阅的经验有限，相关方面的研究文献和报道也较少。

2 陶粒泡沫混凝土的性能与制备优化

2.1 陶粒泡沫混凝土的性能

陶粒泡沫混凝土又被称为陶粒发泡混凝土，是指以陶粒、水泥、发泡剂、粉煤灰、水等材料，按照一定比例充分混合搅拌、浇筑成型、养护而成的轻集料混凝土。具备泡沫混凝土导热系数低和陶粒混凝土强度高等特点，是一种优化的轻集料混凝土产物。其物理性能显著，与普通混凝土形成明显的对比，具体对比结果如表1所示。

表1 陶粒泡沫混凝土与普通混凝土物理性能对比

由表1可以得知，陶粒泡沫混凝土的干密度远低于普通混凝土，在实际的工程应用中，可以有效控制构件重量下降30%～60%，并且陶粒泡沫混凝土的强度较好，可以应用于隔墙等非承重的构件。相比于一般的混凝土，陶粒发泡混凝土的导热系数更低，仅有普通混凝土的10%左右，热量损失少，保温效果更好，能够满足墙体和楼板的保温隔热要求。同时和一般的混凝土相比，陶粒泡沫混凝土的燃烧等级为A1，也属于优质的防火材料。而吸水率对于混凝土来讲，既是优点也是缺点，陶粒泡沫混凝土的吸水率明显大于普通混凝土，在抗渗工程或者构件中，要避免陶粒泡沫混凝土的使用；相反，陶粒泡沫混凝土可以应用在吸水性要求高的工程中。除此之外，陶粒泡沫混凝土自身的多孔结构使其拥有优异的隔声性能。

2.2 陶粒泡沫混凝土的制备与优化

目前国内陶粒发泡水泥的生产方式主要分为物理发泡与化学发泡。化学发泡方式操作简单，但制备的混凝土质量难以控制。在现阶段的行业生产中，绝大多数企业使用的都是物理发泡方法。相比于化学发泡方式，物理发泡的方式更容易控制陶粒在混凝土中的分布，制备的陶粒泡沫混凝土质量普遍更高，性能更优异，并且物理发泡方式的成本相对更低。其制备流程如图1所示。

图1 陶粒泡沫混凝土制备流程

陶粒本身存在吸水特征，因此在生产陶粒发泡混凝土之前，需要对陶粒进行预湿处理[2]，赵洪春等通过试验研究发现，对陶粒进行预湿处理能够有效避免由于陶粒吸水而造成泡沫破灭的现象，而且预湿之后的陶粒在进行混凝土生产时，也明显改善了陶粒和泡沫水泥浆料拌合物的稳定性，同时研究发现过度吸水的陶粒也会因为水分析出而导致混凝土中的泡沫破灭。因此综合考虑混凝土的稳定性和经济效益，预湿处理1h为比较合理的时间。

由于现场搅拌混凝土容易造成环境污染和混凝土强度不达标等问题。自2004年起，商品混凝土取代了以往的现场搅拌混凝土。对于陶粒泡沫混凝土而言，采用商品混凝土的运输方式也存在一定的弊端。在运输过程中陶粒极容易发生上浮，使混凝土出现分层，不仅会降低混凝土拌合物的和易性，同时施工质量也难以保证。针对陶粒泡沫混凝土运输过程中陶粒上浮的现象，易秋[3]等通过试验研究得到了较为合理的改善方法，通过预先对陶粒表面包裹水泥砂浆，提高陶粒的密度来减少陶粒上浮的现象，通过这种方法不仅提高陶粒本身的强度，利用处理后的陶粒制备的混凝土强度也有所增强。

3 陶粒泡沫混凝土性能研究

3.1 泡沫掺量对陶粒泡沫混凝土性能的影响

陶粒泡沫混凝土中的泡沫,是通过使用发泡机把特定含量的发泡剂溶液引入气体形成的。泡沫的含量会直接影响到陶粒泡沫混凝土的内部结构。研究发现，泡沫使用量越多，混凝土硬化后的孔隙率越大。高宇甲[4]等通过试验对掺入不同泡沫体积的陶粒泡沫混凝土进行研究，结果表明，在陶粒发泡混凝土中掺入泡沫的体积越大，其抗压强度越低，干密度越小。

虽然泡沫的掺入会降低混凝土自身的密度，使其质量减轻，但是泡沫对于混凝土的抗压强度性能来说属于不利影响因素。因此在实际生产应用中，在满足混凝土所需的性能要求下，要尽可能减少泡沫的用量，避免混凝土抗压强度过度损失。

3.2 陶粒和水泥掺量对陶粒泡沫混凝土性能的影响

陶粒与水泥是陶粒泡沫混凝土的主要组成部分，对其性能的影响也最大。两种材料的掺量与陶粒发泡混凝土的强度、密度、保温隔热等性能之间存在着相互制约的关系。陈益[5]等人开展了关于陶粒与水泥掺入量对陶粒泡沫水泥强度影响的试验研究。发现随着陶粒掺量越来越多，混凝土的抗压强度曲线呈现先上升后下降的趋势，当陶粒的掺量达到0.87m3/m3时，混凝土抗压强度值最高。同时，试验发现水泥掺量越多，陶粒泡沫混凝土的抗压强度越高，当水泥掺量增加到一定程度，混凝土抗压强度的增长速度逐渐变慢，最终趋于平缓。因此，在保证混凝土强度的基础上，可以选择尽可能多的增加陶粒的掺量，不仅可以减少水泥的用量，降低经济成本，还可以减轻陶粒泡沫混凝土的自重。

3.3 粉煤灰掺量对陶粒泡沫混凝土性能的影响

粉煤灰最初作为一种火力发电的生产废料，并未被引入建筑行业的生产应用当中。但随着对其研究的增多，逐步在水泥和混凝土制品的生产中得到了广泛的应用。尤其是掺加粉煤灰后生产的混凝土展现出了良好的物理性能，使其在混凝土生产中的应用备受关注。在文献[4-5]中，笔者通过深入研究各种配合比对陶粒泡沫混凝土性能的影响，得出了掺入粉煤灰可以增强陶粒泡沫混凝土的整体强度。其根本原因是，由于粉煤灰中的SiO2、Al2O3等活性物质与水泥发生水化反应生成胶凝性物质，加强了混凝土内部之间的粘结效果。而粉煤灰掺量对陶粒泡沫混凝土整体强度的影响趋势和陶粒掺量的影响相同，最佳的粉煤灰掺量为30%-40%，但实际生产中的最佳配合比还需要进行进一步的调整。

4 陶粒泡沫混凝土的应用与前景展望

对于我国东北地区来说，常年降雪，年平均温度低。在此种情况下，建筑材料的外立面保温就变得尤为重要。一般情形下墙体的保温处理包括三种：外墙外保温、外墙内保温和外墙自保温。外墙外保温的材料大多为有机材料，如发泡聚板(EPS)、挤塑聚板(XPS)等，但这些材料防火性差、施工周期长、透气性差。而外墙内保温技术虽有较长的使用历史，但热桥效应处理较为麻烦，且造价较高，不符合绿色经济的发展要求。外墙自保温则有效克服了前两种技术的不足，施工方便，对环境污染较小，性价比高。将陶粒泡沫混凝土与外墙自保温技术相结合，可以有效达到要求保温节能65%的性能指标。

在当前节能减排的新形势下，要根据绿色建筑的发展需要，降低对环境的污染与资源的浪费。利用黏土生产陶粒的方式对环境的污染较大，许晴莹[6]等发现工业废料磷石膏生产的陶粒可以用来制备陶粒泡沫混凝土砌块，造价低的同时合理利用了工业废料，实现废弃物的二次利用，达到资源可持续发展的目标。

目前，建筑行业基本上处于饱和状态。在未来几年内，建筑行业的施工重点可能会转移到大面积的旧城区改造与加固上，陶粒泡沫混凝土以其轻质高强、保温隔热的特性，在建筑保温工程中或将会有更好地应用。此外，自2015年开始，我国推出了海绵城市的试点计划，目地在于使城市在面对雨水等自然灾害时具有更好的弹性。在已试点成功的城市来看，雨水过后的道路和广场路面积水明显减少，成效较为显著。可进一步利用陶粒泡沫混凝土轻质高强，吸水性好等特点，在可渗透的道路和广场等地方铺设陶粒泡沫混凝土砖，加强路面的透水效果。在这新一轮的发展形势下，陶粒泡沫混凝土或将迎来新的发展机遇和挑战。

5 结 语

陶粒泡沫混泥土相较于普通混凝土而言，原材料的获取途径更加广泛，具有较大的发展潜力和空间。为了进一步扩大陶粒泡沫混凝土的应用范围，还需要不断优化制备工艺，确定更加合理的配合比。虽然陶粒泡沫混凝土正处在发展初期，大范围的推广和使用可能还需要较长一段时间，但我们仍需要不断提高陶粒泡沫混凝土的各项性能，加强在耐久性方面的研究，早日实现陶粒泡沫混凝土在各个领域的应用。