泡沫混凝土的研究与应用现状

2022-08-06魏剑锋

建材发展导向 2022年11期

魏剑锋

（山西亚美商砼有限公司，山西阳泉 045000）

1 泡沫混凝土的优势

泡沫混凝土存在大量封闭的气孔，这些气孔的保温隔热性能非常优越，同时还存在开孔气孔，这些气孔在吸声降噪方面发挥着良好的作用。该材料具有较高的流动性，隔热性能良好，能够达到隔音降噪的效果，同时在生产中可以降低水泥和骨料的使用量，从一定程度上节约了成本，是一种节能环保的建筑材料，也正是凭借着诸多优势，泡沫混凝土在建筑市场上逐渐得到推广应用，相关学者也加大了对该材料的研究力度。具体来讲，泡沫混凝土具有如下特点和优势。

第一，密度小。泡沫混凝土内部存在大量气孔，其密度较小，当前很多建筑工程施工中都利用了其密度小的特点，比如在灌浆保温时采用的泡沫混凝土的密度大约在400 kg/m；在非结构构件中所用的泡沫混凝土的密度大约在600 kg/m左右；作为结构构件所用的泡沫混凝土密度在1 200 kg/m～1 950 kg/m范围内。建筑企业使用泡沫混凝土可以显著降低建筑自身重量，有助于减少上部结构对基础产生的压力。

第二，导热系数低。泡沫混凝土的内部气孔大大降低了其自身重量，也正是这些闭孔结构大大降低了其导热能力。密度1 600kg/m的泡沫混凝土的导热系数一般在0.66 W/（m·K）。随着泡沫混凝土密度升高时其绝热性能会有所下降，其导热系数低的特点促使其节能效果明显，所以在墙体或者屋面保温中常常采用此材料。

第三，良好的耐火性。泡沫混凝土的耐火范围和普通混凝土十分接近，但是在高温条件下，泡沫混凝土会由于蒸发率高而出现收缩过度的情况。决定其耐火性能的主要是泡沫混凝土的组成成分或者配合比。通过研究可知，密度升高会降低其耐火性，两者之间存在反比关系，比如950 kg/m密度的泡沫混凝土的耐火能力为3.5h，而1200 kg/m的泡沫混凝土耐火能力为2h。

第四，优良的隔声性能。泡沫混凝土有着相对较高的隔声性能，这和其细胞状微观结构有着较大关系，同时泡沫数量、空隙大小、分布是否均匀也会对其隔声性产生不同程度的影响。混凝土质量实际刚度即表面密度决定了其隔声性能和反射频率。固体壁面声阻理论以吸声反射频率和避免厚度、容重的关系可知，如果是厚度较大的泡沫混凝土能够吸收比蜂窝墙更高的反射声音。

2 泡沫混凝土研究现状

2.1 密度及孔隙率

衡量泡沫混凝土性能的主要参数之一就是其抗压强度，而密度、孔隙率、骨料、掺和料、水灰比等都会对泡沫混凝土的抗压强度产生影响，尤其是密度对其影响尤其明显。通过分析国内外文献可知，很多学者对泡沫混凝土密度和抗压强度进行了研究，得出如图1 所示的关系。张磊蕾为了能够对泡沫混凝土密度和抗压强度关系进行定量描述，制作了不同密度的泡沫混凝土。她采用蛋白质发泡剂和42.5 级快硬型硫铝酸盐水作为发泡剂，测试了泡沫混凝土的抗压强度，得到如图2 所示的试验结果。

图1 不同密度泡沫混凝土的抗压强度

通过图2 可知，泡沫混凝土的抗压强度和密度之间的关系非常密切，两者呈正相关的关系，即泡沫混凝土的抗压强度会随着密度的增加而增大。当泡沫混凝土的密度等级发生变化时，其内部状态、泡沫尺寸等方面的变化较为明显，这也表明抗压强度会受到泡沫混凝土孔结构这一内在因素的影响。

图2 泡沫混凝土密度与抗压强度关系

2.2 发泡剂

泡沫混凝土内部的孔结构维持着其强度，所以在生产中需要做好发泡剂的合理选择，从而保证得到的泡沫混凝土内部的泡沫在尺寸、分布、寿命方面有着优良的性能。当前物理发泡剂和化学发泡剂是泡沫混凝土中最为常用的两大类发泡剂。其中物理发泡剂主要是利用机械搅拌或者高压空气提前制作泡沫，然后在浆料搅拌过程中将其混入其中，然后制备并且养护。化学发泡法主要是用指定的化学药剂添加到浆料中，药剂和材料发生化学反应产生气体，促使浆料内部形成多孔的气泡，进而制作内部存在多孔气泡的泡沫混凝土。有相关研究认为，相比于化学发泡剂，物理发泡可以形成更加均匀的气泡，在预制生产工艺中可以使用化学发泡剂。在其他生产工艺中常常使用物理发泡剂，其中常用的发泡剂主要包括四大类，分别为松香树脂、表面活性剂、动植物蛋白以及复合型发泡剂。

松香发泡剂具有价格低廉和制作简单的优点，而松香发泡剂发泡质量差，通常适用于密度低于600 kg/m的泡沫混凝土。离子型发泡剂种类多种多样，包括阴离子、阳离子、非离子和两性离子发泡剂，不同类型离子型合成类发泡剂优缺点各异。通常阴离子和两性离子发泡剂发泡性能良好，但也存在稳定性差、价格昂贵等问题。动植物蛋白质发泡剂普遍泡沫稳定性好，发泡倍数高，但也存在成本高、适于超低密度（200 ～500 kg/m）泡沫混凝土的问题。基于以上问题，研究者通过复配法实现发泡剂功能协同增效，然而目前复合型发泡剂种类复杂、泡沫混凝土性能差异明显。

2.3 掺合料

粉煤灰、矿渣、硅粉都是常见的泡沫混凝土。其中，粉煤灰的粒度会影响其活性物质的分布，进而影响泡沫混凝土水化产物和孔隙分布。 Wang等研究发现，当粉煤灰粒度为0.25 ～0.5 mm时，泡沫混凝土气孔均匀分布较好，泡沫混凝土C-S -H（硅酸钙）含量较多，各项性能指标优异。在单一掺合料泡沫混凝土研究基础上，研究者进一步考察了复合掺合料对泡沫混凝土导热系数影响。杭美艳研究了粉煤灰和矿渣粉掺量对泡沫混凝土导热系数影响，随着粉煤灰掺量的增加导热系数逐渐降低，当粉煤灰掺量＞30%时，导热系数的下降效果不明显；粉煤灰和矿渣粉复合掺加，当二者比例大于2∶3 时，导热系数明显增大。此外，硅粉是常见的泡沫混凝土掺合料，该材料的应用会从一定程度上影响泡沫混凝土的导热系数。通过研究可知，掺加硅粉可以将泡沫混凝土的导热系数适当降低，但是掺加量过高又会升高其导热系数。

3 泡沫混凝土的应用

3.1 保温方面

3.1.1 建筑保温隔热应用

在建筑物保温隔热施工中常常使用泡沫混凝土材料，并且该材料已经得到了较为广泛的应用。泡沫混凝土凭借着自身良好的隔热性能和节能优势得到了广泛的应用。现如今建筑墙体中对泡沫混凝土应用尤其广泛，工作人员可以利用该材料提高建筑物自身的保温效果。很多企业都发现了泡沫混凝土的发展潜力，开始推出泡沫块、泡沫墙板、泡沫整体墙和各种复合型外墙保温隔热板，其生产规模也呈现逐渐扩大的趋势。

从宏观角度来看，当前泡沫混凝土已经得到了较为广泛的应用，其有着广阔的市场，未来发展前景良好，预计再经过3 ～5 年将会达到发展高峰。如果建筑屋顶隔热层、墙壁隔热层、地暖采暖隔热层等均使用泡沫混凝土，那么每平米建筑需要使用的泡沫混凝土为0.2 ～0.5m，如果是10000m的建筑物那么泡沫混凝土的用量将达到2000 ～5000 m，其市场潜力巨大。

3.1.2 冷库保温

在隔热冷藏室中常常使用聚苯乙烯泡沫塑料，但是这种泡沫容易出现老化、收缩、燃烧等问题，所以很多发达国家开始使用泡沫混凝土或者砖砌保温材料进行冷藏室的建造，我国也开始使用泡沫混凝土建设冷藏室。泡沫混凝土有着整齐的结构，在施工中可以形成整齐的屋顶、墙壁等结构，其不会存在缝隙和冷桥效应，在冷库保温中有着十分良好的应用价值。

3.2 吸声隔声方面

泡沫混凝土的隔声降噪效果明显，其中开孔泡沫混凝土可以吸音，闭孔泡沫混凝土能够隔音，两者均可以应用于吸声隔声方面。吸声材料指的是平均吸声系数在0.2 以上的建筑材料，石棉、矿棉等纺织品和泡沫、泡沫玻璃等多孔产品为传统建筑常用的两类吸声物质。泡沫混凝土的平均牺牲系数在0.8 ～1.4 之间，比传统吸声物质有着更好的效果。

3.2.1 室外吸声材料

在公路、铁路等大型户外公共设施中常常会设置吸声屏障，其中泡沫混凝土就是一种良好的吸音材料。我国对交通基础设施建设力度一直较大，在交通系统建设中需应用大量的吸声材料，其中木水泥板吸声能力不足，无法满足高铁隔音的需求，外观也有待改善；泡沫玻璃板有着良好的吸声效果，但是使用成本较大，难以被广泛地应用。泡沫混凝土的出现有效解决了两者的缺陷，能够在保证吸声的同时节约成本，所以可以广泛地应用于大型公共工程吸声屏障施工中。

3.2.2 室内墙面吸声

天花板和吸声墙是当前室内吸声常用的设施。在墙体吸声方面，泡沫混凝土效果显著。相比于传统的石棉等吸声材料，泡沫混凝土的切割、安装不会危害施工人员身体健康，有着良好的强度，节约成本，所以该材料在车站候车室、剧院、会议室、地铁墙和大型购物中心中得到了广泛的应用。

3.2.3 隔声夹芯复合板（隔断薄板）

目前很多室内隔板均用5 ～10mm的石膏板作为吸声隔断，这种隔断墙壁内部中空，不但无法达到隔音的效果，还容易破损，承载能力不高。 5cm厚度的泡沫混凝土隔音复合板无需占用过多的空间，同时可以达到隔音的效果，安装速度也较快，凭借着诸多优势广受消费者的青睐。

3.3 抗渗防水功能

3.3.1 建筑防水及工程防水

建筑物的屋顶、地下室、厨卫等对防水要求较高的位置可以使用泡沫混凝土，在施工中可以直接浇筑或者铺筑，无需添加防水外加剂，能够达到良好的放回效果，将传统防水工程中防水层容易破损、水密性差等问题有效解决。泡沫混凝土有着较长的使用寿命，生产成本低，在水路、水池、灌溉工程等项目中可以应用。

3.3.2 地下及水中工程抗氯离子侵蚀应用

很多地基桩、墩台等都需要暴露在氯离子含量较高的土壤或者水中，传统的钢筋混凝土长期在这种环境中容易出现腐蚀的问题，如果用泡沫混凝土作为保护层浇注于这些结构的外部，可以充分发挥其不可渗透的特点，避免氯离子侵蚀基础结构，达到良好的保护效果。

3.4 轻质降密填筑功能的应用

泡沫混凝土的密度相对传统混凝土结构更小，在道路回填中可以作为回填料使用。美国、欧洲以及我国广东等地区已经开始使用轻质泡沫混凝土作为回填材料。如果市场发达，工程量较大，那么可以大批量地生产和使用泡沫混凝土。在地下室、地下区域上层覆盖和回填中可以使用此回填材料，其中最常用的是底板垫层施工。泡沫混凝土可以在天然气、地暖地下管道等地下管道中作为填充物质。在奥运会期间，国家邮政通信会议中心大楼土壤垫层采用的就是泡沫混凝土回填料。

3.5 轻质装饰材料及园林制品的应用

3.5.1 室内轻质装饰品

泡沫混凝土有着较轻的重量，在制作金银的古董壁画、吊坠、艺术装饰等方面可以发挥其这一特点。最初人们用灰泥制作这些产品，后来树脂材料、菱镁矿等将灰泥取代，但是这些材料普遍存在重量大的问题，很多制造商开始使用泡沫将装饰品的质量和密度降低。

3.5.2 外墙轻质装饰砖

大理石或者花岗岩其面板、瓷砖（3mm）、装饰性外墙面板等装饰材料中都开始使用泡沫混凝土，比如泡沫混凝土悬浮板可以作为艺术混凝土装饰于外墙上，还可以用塑料制作泡沫混凝土面板用于建筑装饰装修。

3.5.3 轻质园林制品

仿木和竹葡萄架是最常见的建筑部件，利用泡沫混凝土还可以制作假山、花盆、花池等，营造出优美的园林景观。

4 未来发展需要注意的问题

建筑行业持续发展，各种科学技术不断创新，泡沫混凝土制作和应用也会得到进一步发展。当前泡沫混凝土正处于发展阶段，在发展中还要面临诸多的难题。当前虽然泡沫混凝土的保温、耐火、隔音等性能都表现十分优异，但是生产中难以高效地控制泡沫的稳定性。在制作泡沫混凝土过程中，可能产生的气孔体积较大，无法均匀地分布，同时还可能存在塌孔、连通等情况，这就导致泡沫混凝土结构的稳定性有待进一步提升。也正是这些因素，导致泡沫混凝土的生产受到限制，所以在未来发展中需要进一步研究泡沫混凝土的生产方法，从外加剂、原材料、生产工艺等方面加强研究。