轻质泡沫混凝土材料性能研究
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作者:俞佳美 邵梦婷 王震 周永进 朱稼峰
摘 要：轻质混凝土材料为特殊混凝土的一种，具有比一般混凝土较低的单位重，透过掺入大量气泡或轻质粒料与水泥浆均匀混合而成，硬固后混凝土空隙体积占总体积25%～75%，轻质混凝土大致区分为三类，分别是无细料混凝土、轻质粒料混凝土和发泡混凝土，以轻质粒料混凝土、输气或发泡混凝土及空心混凝土最为常见。利用轻质粒料取代天然砂石降低混凝土单位重称为轻质粒料混凝土，将空气引入水泥浆体降低其单位重的混凝土称为输气混凝土，透过大量输气混凝土的研究、制造和应用成果，才能确立泡沫混凝土的技术。
关键词：轻质 泡沫 混凝土 材料
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（a）-0048-02
1 引言
发泡混凝土的相关研究最早出现在公元1923年，当时主要用于轻量、半结构材料。发泡混凝土亦可被称为“发泡水泥” 或可称为“泡沫混凝土”，其为轻质混凝土中的一项特殊材料，对于发泡混凝土的定义，发泡混凝土指利用物理方法产生泡沫，将泡沫添加到水泥浆或水泥砂浆中，经拌合均匀后浇注硬化，一种内部含有大量独立封闭且均匀分布气孔的多孔材料。
2 发泡机制
欲制造稳定的发泡混凝土取决于许多因素，如：发泡剂的种类、泡沫的制程、空隙分布的均匀性、材料的选择和配比设计等，而后仍需透过反复试验确立其工程性能。一般轻质建筑材料常见的制造方式有下列3种。
2.1 机械发泡
将空气藉由高速搅拌的方式夹带入水泥浆体或他种混合物中，使用的输气材料如： 发泡剂产生的泡沫、输气剂或预先拌合的稳定含气浆体等。
机械式方法中最常见的即为添加发泡剂，发泡剂属于界面活性剂（Surfactants）的一种，表面具有较高活性以降低液体的表面张力，使水膜不易破裂，并且在搅拌过程中空气容易混入液体中，让液膜表面的双电子层包围空气形成气泡，再由多个独立气泡组成泡沫。界面活性剂根据其水溶液的亲水性原子团的特性，大致可分阳离子型、阴离子型、两性离子型及非离子型等四种。发泡剂依类型及成分的不同，其发泡能力与泡沫稳定性也有所差别，依实物应用分类可分为松浓度的发泡剂水溶液中均匀分散，增加液体与气体间的接触面积形成泡沫。
发泡剂的发泡机制可分为预发泡方式和混合发泡方式。将欲被发泡的基底结构材料，如水泥浆体，与已制造出的稳定泡沫均匀混合，称为预发泡方式;混合发泡方式则是以界面活性剂与水泥浆体混合，在拌合的过程中产生气泡，从而在混凝土中形成蜂窝状的多孔隙结构。界面活性剂产生的泡沫结构必须是稳定、牢固的气泡以抵抗从水泥浆体包裹的压力，至初凝后，泡沫会在混凝土中形成庞大的空隙骨架[1]。影响发泡稳定性的因素，可归纳为：
（1）水泥浆体黏稠度： 影响泡沫成形表面。
（2）界面分离压力： 存在于吸附离子、非离子界面活性剂和聚合物的相邻界面。
（3）发泡剂浓度。
2.2 化学发泡
主要取决于外加剂的种类及其产生的化学作用，或是与原先存在于水泥浆中的特定化合物产生反应，形成气泡空隙均匀分布于浆体中。
使用的广泛材料如： 铝粉、过氧化氢（俗称双氧水）、次氯酸钙（漂白粉的主要成分）或高锰酸钾。化学发泡成型的关键在于发泡剂的发泡速率需与浆料凝结硬固的速率相一致达到动态平衡，以得到最佳发泡效果。在均匀分散于浆体中的发泡剂与激发剂反应作用下，当气体压力大于浆体的极限剪切应力时，气源加速膨胀不断产生气体形成众多独立气泡，膨胀过程中浆体稠度亦缓慢增加，造成膨胀所要克服的阻力不断增大，同时，反应物持续消耗则膨胀的潜在动力变小，待浆体逐渐硬固后，水泥浆的体积变化也随之趋缓[1]。
近年来环保议题日趋高涨，废弃物回收再利用俨然成为热门的话题，在发泡混凝土中所使用的金属铝粉原料，是在轧制铝箔过程中产生的铝屑，铝屑经过机械研磨成片状铝粉（Aluminum flake powder）。片状铝粉被广泛应用于轻质混凝土中，其外观为银灰色，具备高亮度、高纯度（铝纯度达 99.4 % 以上）及良好黏着度等特性[2]。工业用片状铝粉平均细度20～45，比表面积3～6m2/g，依使用途径不同，要求规格也不近相同[3]。在“下水污泥灰发泡混凝土的轻质化与隔热特性”的研究中，利用金属铝粉为水泥浆发泡材料，当水泥在混凝土中与水进行水化反应时，得到钙硅水化物（C-S-H胶体）及氢氧化钙（Ca（OH）2CH）（）等产物，其反应机制如式（2-1），氢氧化钙溶于水解离为Ca2+Ca2+与OH-离子，其反应机制如式（2-2），大量OH-离子使水泥浆体呈现碱性，添加的金属铝粉在碱性水泥浆环境中的不稳定行为，即会引起化学反应生成铝酸盐和氢气，其反应机制如式（2-3），水泥浆体包裹释放出的氢气造成体积膨胀，水化作用持续进行亦使发泡反应不断产生氢气，终凝时遂成多孔洞的蜂窝结构。
另一种化学添加剂则是采用高锰酸钾（KMnO4）及过氧化氢（H2O2），使用高锰酸钾（KMnO4）与过氧化氢（H2O2）作为发泡剂，利用高锰酸钾水溶液与过氧化氢混合发生化学反应产生氧气，其反应机制如式（2-4），无机聚合物浆体包裹生成的氧气达到多孔化的效果，藉以提升材料隔热能力。此外，可利用高錳酸钾（KMnO4）与过氧化氢（H2O2）氧化还原反应生成的氧气作为化学发泡的气源具良好效果，相较于他种物质反应过程，其反应速率与气体释放体积较容易控制，可得到较佳的发泡效果。 2.3 超额水量法
采用低浆量设计，由胶结材和粒料以及较一般相同体积混凝土多数倍的水量所组成，经过高压蒸气养护与硬固过程后，透过超额水量的蒸散，将使材料获得较低的密度及形成众多细微且分散的空隙。这种材料制作方法所制成的混凝土常被称作轻石灰混凝土（Light-lime Concrete），而石灰通常是指水泥胶结材料。
3 发泡轻质材料性质
发泡轻质材料因为内部含有大量细小、封闭、均匀的气孔，是一种多孔性材料，由于其特殊的材料结构特性，具有轻质、保温隔热、隔音耐火等性能，因此受到产学界的重视，而近几年更是针对其材料性质投入相关研究与应用。在发泡轻质材料性质中，材料的组成与配方、发泡方式与制程等皆直接影响到内部孔隙大小与分布，进而会影响了发泡轻质材料性能。将水泥基材料的孔隙分为三种，分别是凝胶孔（Gel proes）、毛细管孔（Capillarypores）和大孔（Macropores），其中凝膠孔与毛细管孔是由空气引入水泥浆中形成的空隙，大孔则是因浆体压实度不足而形成，但是这三种空隙都会造成混凝土的抗压强度降低。添加飞灰不但可使混凝土中的细粒料均匀分布，对于发泡轻质混凝土中的气泡空隙分布有更佳效果，当飞灰粒径愈小，愈能提升空隙分布的均匀度，并会在气泡表面形成类似镀膜的效果，防止气泡间相互合并及重迭造成连通孔泡的情形发生，而孔隙率直接影响混凝土的收缩及潜变行为，但对于抗压强度较 无直接的关系。依不同比例的飞灰掺入卜特兰水泥，并添加预先发泡好的泡沫制成发泡轻质混凝土，发现提高飞灰掺量会降低混凝土中的气泡孔径，导致抗压强度增加，因此，不影响发泡轻质混凝土的早期强度。
4 结语
长期受到冻融作用的环境中，使用多孔隙发泡混凝土的建筑物较一般混凝土建物拥有较佳的耐久性，且能达到工程性能标准;由于混凝土中孔隙易含水，当外界气温降至冰点时，孔隙内的水结成冰使体积增大，体积膨胀将对孔隙壁产生极大压力，当气温回升时，冰融化成水压力骤减，如此一来在长年冻融反复作用下，混凝土易从内部产生裂缝延伸至表面后，终致构造物破坏毁损。抗压强度、渗透深度及吸水率等都是影响发泡混凝土抗冻融能力的影响因素，但相较之下，发泡混凝土的单位重及透气性影响程度较小。输气剂的有效输气量为混凝土体积的 4%～8%，输气量愈多抗冻融能力愈加，但是输气过量反而会导致混凝土强度降低。
参考文献
[1] 乔禺森.无机盐对砖粉泡沫混凝土性能影响的研究[J].混凝土，2014（9）：27.
[2] 董素芬.再生EPS颗粒对砖粉泡沫混凝土性能影响的研究[J].混凝土与水泥制品，2014（9）：51.
[3] 吴丽曼.粉煤灰对超轻发泡混凝土孔结构及吸声性能的影响[J].硅酸盐通报，2014（9）：31-33.
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