泡沫混凝土的研究现状与制备技术分析

王升元 任 伟

（吉林建筑大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130022）

0 引言

泡沫混凝土是指将预制好的泡沫通过机械搅拌的方法融入到由水泥、水、矿物掺合料、外加剂组成的料浆中，经充分搅拌均匀后使用泵送系统将其进行现浇施工或浇筑成各种所需规格，然后养护而成含有大量封闭气孔的新型建筑节能材料[1]。近年来，随着我国建筑节能减排相关政策的颁布与实施，公众对建筑节能的环保意识也逐渐加强。泡沫混凝土作为一种新型建筑节能材料，与普通混凝土相比，具有更加优异的质轻、保温、隔热、隔声、抗震、环保、成本低等性能。不仅可以有效减轻建筑物的自重，还可以作为建筑墙体保温材料，最重要的是能够弥补传统苯板保温材料的诸多缺陷。本文仅就泡沫混凝土的研究现状与制备技术进行分析。

1 我国泡沫混凝土的研究现状

我国在泡沫混凝土领域的研究应用相对国外稍有落后，在20世纪50年代末，当时前苏联先进的泡沫混凝土技术和应用实例传到了我国，因泡沫混凝土具有质轻、保温、隔热、隔声、环保、成本低等特性，使泡沫混凝土得到了广泛推广。

相比普通混凝土的分类，泡沫混凝土的分类，各位专家学者说法不一。泡沫混凝土可按不同方式进行简单分类，列入表1。

表1 按不同方式对泡沫混凝土分类

国内不少专家学者对泡沫混凝土性能展开了相关研究。贾艳涛等[2]通过在泡沫混凝土中掺入聚丙烯纤维和EPC颗粒分别发现聚丙烯纤维的掺入量在一定范围内对泡沫混凝土的抗压强度有提高作用，EPC颗粒的掺入可以有效地降低泡沫混凝土的容重，但也降低了其抗压强度。Gong等[3]在泡沫混凝土中掺入矿渣粉和硅灰后使用SEM分析，发现其孔隙结构比之前更加致密，孔隙率也有所降低，从而提高了泡沫混凝土的抗冻性。职红涛[4]将研制的改性发泡剂掺入到矿渣硅酸盐水泥中，发现泡沫混凝土的抗压强度、导热系数都有所改善，而泡沫混凝土的气孔结构得到了显著优化。宋强等[5]对泡沫混凝土的抗压强度和导热系数进行研究并发现其抗压强度与导热系数成反比关系，而泡沫混凝土的导热系数与密度成正比关系，与孔隙率成反比关系。近几年，随着我国建筑节能减排相关政策的颁布与实施，作为新型建筑节能材料的泡沫混凝土得到了飞速发展，在2020年我国泡沫混凝土总产量达到6000万m3，仍居全球总产量第一位，尤其是在路桥工程、回填工程、现浇墙体与房屋整浇工程、屋面保温隔热层、现浇地暖绝热层等应用较为广泛[6]。

图1是泡沫混凝土在（a）墙体保温材料现浇工程、（b）路桥路基加宽工程、（c）基坑回填工程、（d）屋面保温工程中的应用。詹胜文等[7]在中俄东线长江盾构隧道项目中为了有效约束超长管道内3LPE防腐管轴向位移的工程难题，利用泡沫混凝土填充约束管道轴向变形，不仅达到了预期效果，还为今后工程提供了借鉴资料。李聪聪等[8]在长隆宿舍项目使用泡沫混凝土取代陶粒作为卫生间沉箱回填材料，提高了施工效率和防水性，同时在设备房地坪回填时使用泡沫混凝土取代一般混凝土不仅简化了施工工序而且减轻其荷载。在2022年4月1日由住房和城乡建设部颁布的国家标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》正式开始实施，这标志着作为新型建筑节能材料的泡沫混凝土的应用发展进入到一个全新的阶段。

图1 泡沫混凝土在各工程上的应用

2 泡沫混凝土的制备技术

2.1 原材料

泡沫混凝土的基本原料由水泥、水、泡沫构成，为了提高泡沫混凝土各方面的性能会加入一定比例的外加剂、矿物掺合料以及会对发泡剂进行必要的改性等。其中，常用的外加剂有早强剂、减水剂、速凝剂等，矿物掺合料有硅灰、粉煤灰、矿渣等。

2.2 泡沫制备工艺

泡沫混凝土的性能首先取决于泡沫的质量，目前发泡工艺通常有3种，分别是[9]：

（1）采用发泡剂和水融合到一起，不借助外力使其与水泥搅拌自然发泡，这种方法的优点是工艺较简单，缺点是耗费大量发泡剂，成本较大且泡沫不均匀、稳定性差；

（2）采用高速搅拌机搅拌预制泡沫，将预制好的泡沫在规定的时间内加入到水泥浆体中，该方法的优点是操作比较简单，有效地提高了发泡效率且泡沫较稳定均匀，缺点是预制泡沫的产出量不好控制，在规定时间用不完易造成浪费；

（3）采用压缩空气法预制泡沫，该方法通过空气压缩机制备的泡沫相比前两种制备的泡沫更加均匀稳定细腻，可以用多少制备多少，不存在浪费问题，性能最优。不管使用哪种工艺制备泡沫都应符合泡沫的指标参数。

2.3 泡沫混凝土的制备方法

泡沫混凝土的制备方法主要有两种：（1）将预制泡沫与混合料浆通过砂浆搅拌机充分搅拌均匀，从而形成泡沫混凝土；（2）将发泡剂与混合料浆搅拌同时进行形成泡沫混凝土。本文主要介绍第一种方法。图2为改性泡沫混凝土制备工艺流程图。

图2 改性泡沫混凝土制备工艺流程图

泡沫混凝土在实际制备过程中受到多种因素的的影响，其中，水料比、发泡剂、外加剂对泡沫混凝土的影响较大。

（1）水料比。在制备泡沫混凝土的过程中，往往在配合比设计时使用水料比取代水灰比，原因在于在制备泡沫混凝土过程中，在加入水泥的同时，还会加入一定比例的矿物掺合料，例如矿渣、粉煤灰、硅灰等。这些矿物掺合料都具有一定的吸水性，会吸走一部分水泥所需的用水量，从而导致水灰比出现偏差。所以，在考虑水灰比的同时还需考虑水料比。在泡沫混凝土配合比设计过程中水料比是一个重要的技术参数，同时也是泡沫混凝土制备的关键因素[10]。

（2）发泡剂。泡沫混凝土质量的优劣直接受发泡剂性能的影响，尤其是在制备高性能泡沫混凝土过程中起着关键性作用。在1937年，由美国人研究发明且在1938年获得专利的“文沙”（Vinsol），是全球第一款混凝土发泡剂。从此人们对发泡剂的研发开展了一系列的研究，到目前为止常见的发泡剂有松香类、合成表面活性剂类、蛋白类和复合型等4类[11]，但对发泡剂进行改性的并不多见。近年来，普通发泡剂制备的泡沫已经不能满足制备性能优异泡沫混凝土的需要。国内外不少专家学者利用纳米粒子对发泡剂进行改性以此获得均匀细腻稳定性更强的泡沫。以下主要介绍二氧化硅纳米粒子改性发泡剂对泡沫的影响。杜仪[12]在自身配制的复合型发泡剂中加入一定比例的纳米二氧化硅后发现其有效地提高了泡沫的密度、稳定性，微观结构也得到了优化。岳野[13]通过使用不同浓度的己胺对纳米二氧化硅表面进行不同程度的改性后对比发现，己胺浓度一定时二氧化硅颗粒含量越高，泡沫的稳定性越好。Sonn等[14]通过活性比法和接触角法使用二甲基二氯硅烷（DMDCS）对二氧化硅纳米颗粒进行改性，发现二氧化硅纳米颗粒表面疏水性和润湿性对泡沫的稳定性有一定的影响，随DMDCS浓度的逐渐增加，其稳定性先达到最大值然后慢慢下降。Zhu等[15]使用KH550、KH570和DMDCS三种不同硅烷偶联剂对二氧化硅纳米粒子进行改性，通过FTIR和疏水性分析得出疏水性是影响泡沫稳定的关键因素，其中使用DMDCS对二氧化硅纳米粒子改性后掺入泡沫中的稳定性最为优异。

（3）外加剂。泡沫混凝土受自身特性的影响，存在大量的微孔，虽然会使其本身具有轻质、隔音、保温等优点，但也存在强度低、易收缩开裂、易塌方的缺点，所以在泡沫混凝土的制备过程中掺入适宜的外加剂，可以有效改善泡沫混凝土的和易性、孔结构特征、力学性能等[16]。近年来，有不少专家学者研究发现，各类外加剂对泡沫混凝土的性能都有一定的影响。管文[17]通过对聚羧酸减水剂、三聚氰胺减水剂、萘系减水剂实验对比发现，萘系减水剂对泡沫混凝土的效果最优，它有效提高了泡沫混凝土的抗压强度，同时吸水率和干燥收缩率也有所下降。吴亚飞等[18]研究发现早强剂的掺入对泡沫混凝土的3d、7d强度有明显提高，但对28d强度影响较小。杨之璋等[19]在泡沫混凝土中掺入一定比例的减缩剂，发现可以有效地抑制泡沫混凝土收缩的问题。胡驰等[20]发现掺入合适比例的速凝剂、促凝剂可以改善泡沫混凝土的气孔分布范围、缩小气孔，抗压强度也有所提高。

泡沫混凝土的制备是一项系统性工程，俗话说：“三分材料，七分施工”，要想得到高质量的泡沫混凝土制品，在施工期间还应注意“人（人员）、机（机器）、料（材料）、法（方法）、环（环境）”五项因素。简单来说，不同的人员、机器的优劣、材料质量的把控、施工方法的不同、施工时环境的变化都会对泡沫混凝土的质量带来一定的影响[21]。

3 结束语

随着经济的增长，时代的变迁，人们节能环保意识越来越强，而泡沫混凝土作为一种性能优异的新型建筑节能材料，将会得到更加广泛的应用。虽然，目前我国对泡沫混凝土的研究取得了一些不错的成绩，但对改性泡沫混凝土的研究需要加强；对轻质高强、功能多样复合型泡沫混凝土制备技术的研究需要升级；泡沫混凝土制备设备需要向先进的自动化、智能化发展。与此同时，人们对泡沫混凝土的认识会更上一个台阶，对泡沫混凝土的分类更加细化，将其应用于更多不同的领域，为绿色建筑添砖加瓦，锦上添花。