泡沫水泥砂浆性能及检测方法研究进展

文/王毓晋 李庆冰 何泽文（.宁波交通工程建设集团有限公司；.长安大学材料科学与工程学院）

水泥砂浆是一种土木工程材料，往往用来做墙面铺装。普通的水泥砂浆难以满足隔音降噪、保温隔热等需求，通过发泡技术制备的泡沫水泥砂浆具有良好的保温性能和隔音性能。泡沫水泥砂浆是通过物理或化学发泡技术使气体稳定存在于水泥体系中，经养护制得的含细密气孔并具有一定强度的水泥制品。水泥泡沫砂浆质量轻，性能优异，保温和隔音性能好。本文对近年来泡沫水泥砂浆的材料、发泡关键问题、性能及其对应检测方法等方面的研究情况进行分析和汇总。

一、发泡材料及发泡技术

1.发泡剂

发泡剂是泡沫水泥砂浆的重要组成成分。通过发泡技术将预制的泡沫混入水泥体系中，或者在水泥中反应生成气泡并使之稳定存在。发泡剂的含量和种类对泡沫的质量有关键影响。常用的发泡剂可以分为物理发泡剂和化学发泡剂[1]。其中，物理发泡剂包含松香树脂类、表面活性剂类、蛋白质类及复合类；双氧水、碳化钙、铵盐类及铝粉等由于可以与水泥体系发生化学反应而产生气泡，可归类为化学发泡剂。

发泡剂种类不同，其特点也有所不同。松香树脂类发泡剂制备简单、价格低廉，但发泡效果整体较差；阴离子型发泡剂发泡较好，但是气泡稳定时间过短，阳离子型发泡剂稳定性相较于阴离子型有所提高，但价格较高；非离子型发泡剂发泡稳定性好，但是发泡率相对较低；蛋白类发泡剂虽然发泡能力出色，泡沫尺寸均匀细腻，但难以获取，且制备较为复杂；复合类发泡剂虽然能够改善气泡的稳定性，但制备较为复杂，且性能差异较大。

2.发泡原理

（1）物理发泡原理。物理发泡即在机械搅拌作用下，利用表面活性剂包裹空气，气泡的泡壁是由一种或者多种表面活性剂在液面上定向排列，形成稳定均匀的双电层结构，既降低了界面张力，又由于同性电子相斥，避免了气泡之间相互接触碰撞而发生聚合。

（2）化学发泡原理。化学发泡是利用发泡剂与水泥之间的反应生成气体。不同的物质与水泥反应所产生的气体不同，通常有O2、H2、N2等。化学发泡所产生的气泡稳定性较差，通过化学发泡方式制备泡沫砂浆时可能会产生较大收缩，难以控制。

3.发泡技术

根据发泡剂的种类不同，相应的发泡方式也可分为物理发泡和化学发泡。其中，物理发泡又可分为高速搅拌制备、压缩空气制备两种方式[2]。

（1）物理发泡技术。高速搅拌制备法是采用高速搅拌机对发泡剂溶液进行高速搅拌以获取泡沫，此种方法操作简单，较为常用，但在实际工程中需要通过中间设备将泡沫混入水泥砂浆中，且在与水泥砂浆的拌和过程中难以避免部分气泡破灭。压缩空气制备法是用空气压缩机将空气和发泡剂压入发泡筒内，在筒内将二者混合进行发泡并从筒内取出，此种方法的操作比高速搅拌制备法烦琐，但发泡效率较高且能有效减少气泡的破灭。

（2）化学发泡技术。化学发泡技术不需利用发泡机，直接将发泡剂与水泥材料混合,通过化学反应即可得到发泡材料，省时省力。但由于水泥体系主要以水泥为基体，水相并不充裕，通过此方法制备的气泡的稳定性难以保证，实际操作过程中容易出现收缩和坍塌现象。

二、发泡水泥砂浆性能

作为建筑工程中用于涂覆内外墙面的重要材料，抗压强度及黏附性能是发泡水泥砂浆的重要的力学性能指标。

1.抗压强度

抗压强度是泡沫水泥砂浆最为重要的力学性能指标之一，影响抗压强度的因素很多，国内外学者对此做了很多研究。张磊蕾[3]采用蛋白质类发泡剂和硫铝酸盐水泥制作不同密度的泡沫混凝土，通过对抗压试验结果的分析得出“抗压强度与其密度有紧密的关联，随着密度增大，抗压强度不断提高”的结论；而在密度提高的同时，砂浆内部的孔隙结构也在发生变化。对此，KEARSLEY 等[4]进一步验证孔隙结构对抗压强度的影响，认为孔隙率取决于干密度，与水泥品种无明显关系；随着干密度的减小，孔隙率增大，孔隙结构劣化，造成了砂浆抗压强度的降低。关凌丘[5]通过测定不同龄期下的泡沫混凝土的抗压强度，得出了同样结论。水灰比、孔隙结构、发泡剂及矿物掺合料等因素均能影响泡沫水泥砂浆的抗压强度，因此，通过多种手段对其强度的影响因素进行分析，并研究各因素之间的复合作用对强度的影响尤为关键。

2.黏附性能

黏附性能决定了泡沫水泥砂浆能否与墙体之间有良好的黏结能力。根据规范《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70—2009），砂浆的黏附性能可通过抗拉黏结强度或者抗剪黏结强度进行测定。王学成等[6]采用抗剪黏结强度试验方法，对不同发泡方式制备的泡沫保温砂浆的黏附性进行测定，研究表明采用物理发泡技术制备而成的泡沫混凝土具有更强的抗剪黏结强度。目前，针对泡沫水泥制品的黏结能力研究并不广泛，需对此进一步深入研究。

三、泡沫水泥砂浆性能检测方法

砂浆性能的影响因素众多，因此，需采用合适的检测手段对泡沫水泥砂浆的性能进行检测和表征。

1.孔径尺寸及孔隙分布检测技术

泡沫砂浆的孔隙结构对砂浆的强度、隔热性能以及降噪性能均有影响。因此，对孔径尺寸以及孔隙结构的评价和表征至关重要。邓军平等[7]利用光学显微镜对泡沫砂浆的截面进行观察，较为直观地反映出砂浆的孔隙结构，并研究其与隔热性能的关系。除了利用光学显微镜，通过软件对图像进行处理可以进一步量化研究孔径尺寸和孔径分布。方永浩等[8]采用光学显微镜并用图像处理软件研究水泥粉煤灰泡沫混凝土的孔隙结构，研究了气孔参数与不同配比泡沫混凝土的干密度和抗压强度之间的联系。孔隙结构和尺寸大小对砂浆的强度和隔音隔热性能有直接影响。因此，应通过研究影响孔径和孔隙结构的因素，对其结构和尺寸进行优化，从而提高其宏观力学性能和隔音隔热能力。

2.扫描电子显微镜检测技术（SEM）

扫描电子显微镜（SEM）是一种微观的分析手段，可以对水泥类材料的微观形貌和组成的分布状况进行观测。高鹤等[9]为进一步研究稳泡剂对泡沫混凝土微观结构的影响，选用了不同掺量的稳泡剂制备泡沫混凝土并利用SEM 对微观形貌进行观察。研究表明，掺入稳泡剂之后，泡沫混凝土内部气泡尺寸变小，孔隙结构良好，封闭孔数量增多。SEM 能够有效观测孔隙的分布状况以及气泡的形态特点，并能够观测水泥浆体系的形貌特征。

3.X 射线衍射（XRD）

XRD 在水泥类材料中可用于检测水泥水化产物的组成成分。梅军帅等[10]利用XRD 分析了掺入了粉煤灰的珊瑚砂水泥砂浆不同养护龄期下的矿物相组成。通过与石英砂作为集料的水泥砂浆对比可知，掺入粉煤灰之后，XRD 图像的CH 峰值明显降低，表明粉煤灰的火山灰效应造成了水泥水化产物中Ca(OH)2的进一步反应，从而提高了砂浆的强度，由于珊瑚砂的主要成分为碳酸钙，因此与标准砂浆相比，珊瑚砂浆的碳酸钙峰值更高。XRD 可以从微观角度分析不同类型的水泥水化产物的变化情况，也可研究不同外加剂或者掺合料以及不同类型集料对水泥砂浆的成分组成的影响。

4.红外光谱分析（IR）

红外光谱分析（IR）可以从化学角度对水泥材料的特殊官能团进行检测，通过官能团峰值的变化研究水泥类材料水化产物的化学变化。梅军帅等[10]利用IR分析了掺入了粉煤灰的珊瑚砂水泥砂浆不同养护龄期下的官能团变化情况。通过与石英砂作为集料的水泥砂浆对比可知，由于珊瑚砂的主要成分为碳酸钙，珊瑚砂浆在碳酸钙处的特征峰比标准砂浆更为显著；通过IR 图谱也可知珊瑚砂浆中的C-S-H 凝胶含量高于标准砂浆，表明珊瑚砂中的钙镁离子发生了水化反应，使得水化产物增加。

四、结论与展望

虽然泡沫水泥砂浆受到了广泛的关注和研究，但针对泡沫砂浆的黏附能力研究相对较少。此外，由于发泡剂、水泥等种类差异较大，对泡沫水泥砂浆的配合比设计难以有统一的标准设计规范，在实验过程中往往需要通过大量的实验去设计配合比。而作为砂浆的重要组成部分之一的集料，对其用量、级配以及吸水性等因素对泡沫水泥砂浆性能的影响研究相对较少，对实际工程缺乏有价值的参考。因此，在后续研究中，应注重对集料以及黏附性能的宏观和微观研究。

泡沫水泥砂浆具有密度低、强度适宜等特点，可减少土木工程材料的消耗；泡沫使其保温隔热效果良好，同时具有良好的降噪能力。在当前和未来绿色环保及资源合理利用的大趋势下，泡沫水泥砂浆在建筑领域应用潜力巨大。[本文系浙江省宁波市“科技创新2025”重大专项（项目编号：2019B10048）的研究成果。 ]