各種泡沫參數(shù)對(duì)泡沫混凝土性能的影響研究

1、各種泡沫參數(shù)對(duì)泡沫混凝土性能的影響研究扈士凱1 李應(yīng)權(quán)1 羅寧2 段策1（1建筑材料工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究中心，2北京中建國(guó)信科技開(kāi)發(fā)中心 北京 100024）【關(guān)鍵詞】本文對(duì)泡沫容重、泡沫摻量、泡沫孔徑分布等因素對(duì)泡沫混凝土性能的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:泡沫容重對(duì)泡沫混凝土的強(qiáng)度等性能有顯著影響。本文認(rèn)為泡沫容重在70-90g/l時(shí)最為合適；隨著泡沫摻量的提高，泡沫混凝土的干表觀密度及強(qiáng)度逐步降低；泡沫孔徑分布不均勻，對(duì)泡沫混凝土的力學(xué)性能有負(fù)面影響?！菊颗菽?泡沫混凝土 泡沫容重Study on the foamed concrete performance impacted by foa

2、m parameterHu Shikai1 Li Yingquan1 Luo Ning2 Duan Ce1(1 Technology Supervision and research center of building material Industry，2 Beijing zhong jian guo xin technology develop center Beijing 100024)【Abstract】Properties of the foamed concrete influenced by weight of foams， Experiences indicate:the w

3、eight of foams have great influence to the strength of the foamed concrete， the best weight range of foam is 70-90g/l. As the increase of foam quantity， the density and strength reduce gradually. If the distribution of the bubble diameter is inhomogeneous， the strenth is lower in the same dry densit

4、y.【Keywords】foams foamed concrete foam weight1 引言泡沫混凝土是由預(yù)制出的泡沫與水泥（砂）漿均勻混合、硬化而成的一種多孔材料，具有輕質(zhì)、保溫隔熱、低彈性模量、大流動(dòng)度等特點(diǎn)，在屋面、地暖以及回填工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在影響泡沫混凝土性能的諸多因素中，泡沫自身的性能起著很大的作用，相同的配合比，使用不同的泡沫便會(huì)得到性能差別很大的泡沫混凝土材料。本文就泡沫容重、泡沫摻量、泡沫孔徑分布等泡沫參數(shù)對(duì)泡沫混凝土性能的影響進(jìn)行了論述。2 實(shí)驗(yàn)原材料及方法2.1 主要原材料硫鋁酸鹽水泥：北京中巖特種工程材料公司；HJ-1高性能泡沫劑：北京中建國(guó)信科技開(kāi)發(fā)中心

5、出品；專用減水劑：北京中建國(guó)信科技開(kāi)發(fā)中心出品。2.2 試驗(yàn)方法用SP-新型發(fā)泡機(jī)將發(fā)泡液制成泡沫，按一定比例將泡沫與攪拌好的水泥凈漿混合均勻后，注入鋼制試模，24小時(shí)拆模后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，測(cè)試方法參照J(rèn)C/T1062-2007泡沫混凝土砌塊標(biāo)準(zhǔn)。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 泡沫制備及評(píng)價(jià)參數(shù)目前可以通過(guò)兩種方式來(lái)制得泡沫。一種是高速攪拌法發(fā)泡，即將發(fā)泡劑溶液倒入高速攪拌機(jī)中，然后用攪拌機(jī)的葉片高速攪拌發(fā)泡劑溶液制取泡沫。這種方法存在的缺點(diǎn)是泡沫直徑不均一，攪拌機(jī)內(nèi)泡沫容重不均一，而且發(fā)泡倍數(shù)低。另一種方法是壓縮空氣法制泡，這種發(fā)泡工藝的壓縮空氣發(fā)泡設(shè)備與高速攪拌機(jī)相比較為復(fù)雜，但綜

6、合性能更好。即利用空氣壓縮機(jī)將發(fā)泡劑溶液和壓縮空氣在混合室內(nèi)進(jìn)行混合，然后在壓縮空氣的作用下，穿過(guò)一個(gè)特制的發(fā)泡管制成泡沫，發(fā)泡管內(nèi)有的采用磁片，有的采用玻璃球，有的采用銅網(wǎng)篩。該方法發(fā)泡效率比較高，制出的泡徑均一，容重均勻，而且可以將泡沫直接吹入攪拌好的水泥漿中，減少了中間環(huán)節(jié)，更好地防止中間環(huán)節(jié)導(dǎo)致的泡沫破滅。圖1 兩種制泡方式(左圖為高速攪拌發(fā)泡，右圖為壓縮空氣發(fā)泡)泡沫性能的評(píng)價(jià)參數(shù)，一般包括發(fā)泡倍數(shù)、半消時(shí)間、泌水量等，本研究在制備水泥泡沫材料時(shí)一般將泡沫容重作為評(píng)價(jià)泡沫質(zhì)量的主要指標(biāo)，一方面是由于泡沫容重測(cè)量更為方便直觀；另一方面泡沫容重幾乎可以直接或間接反映所有泡沫質(zhì)量指標(biāo)：由泡

7、沫容重、發(fā)泡液的總質(zhì)量可以計(jì)算出泡沫體積，進(jìn)而得出發(fā)泡倍數(shù)；泡沫容重可以反映泡沫直徑的大小，一般泡沫泡徑大時(shí)，制得的泡沫體積必然要大，表現(xiàn)為泡沫容重較小，反之，如果制得的泡沫容重較大，則證明單位體積的含氣量較小，排除含有未成泡的發(fā)泡液之外，一般表現(xiàn)為泡徑的變小。泡沫容重可以反映泡沫的穩(wěn)定性。制出泡沫后，可以每隔一段時(shí)間測(cè)試一次泡沫容重的大小，由此可以畫(huà)出泡沫容重的經(jīng)時(shí)變化曲線，泡沫容重變化較小則可反映出泡沫的泡徑、水分含量變化較小，說(shuō)明泡沫比較穩(wěn)定；反之，如果泡沫不穩(wěn)定，則一定表現(xiàn)為泡徑變大，水分泌出，這種情況下泡沫容重必然是變小的。為試驗(yàn)操作方便我們將泡沫容重作為評(píng)價(jià)泡沫性能的基本指標(biāo)。3.

8、2 泡沫容重對(duì)材料性能的影響影響泡沫容重的因素很多。本研究用發(fā)泡機(jī)制泡，影響泡沫容重的首要因素就是壓縮空氣的氣壓，氣壓越大則發(fā)泡效率越高，發(fā)泡液變?yōu)榕菽匠浞?，因此泡沫容重就越輕，反之則泡沫中含有未成泡的發(fā)泡液，容重就較大；再者泡沫容重還和發(fā)泡液的濃度有關(guān)，粘度較大的發(fā)泡液生成的泡沫泡壁較厚，容重稍大。但是，相對(duì)來(lái)說(shuō)，起主要作用的還是氣壓，濃度所起的作用不如氣壓那么明顯。另外，影響泡沫容重的還有溫度，發(fā)泡液溫度較高時(shí)，泡沫泡徑大，容重較輕。最后，泡沫是一種不穩(wěn)定的氣-液兩相體系，當(dāng)泡沫制備完畢后，組成泡膜的發(fā)泡液在重力和表面張力等因素作用下，會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，即所謂的排液現(xiàn)象，泡壁逐漸變薄，因此泡沫

9、容重隨著時(shí)間的推移也會(huì)逐漸變小。以上所有這些因素都會(huì)對(duì)泡沫容重產(chǎn)生影響，下面我們由發(fā)泡液溫度這一因素為例來(lái)制得不同容重的泡沫，研究不同泡沫容重對(duì)泡沫混凝土性能的影響。表1 發(fā)泡液溫度通過(guò)泡沫容重的變化對(duì)材料的影響發(fā)泡液溫度()泡沫容重（g/l）干表觀密度(kg/m3)抗壓強(qiáng)度(kPa)7d28d7d28d2075.92652683493884054.82953182382456042.65145266466908026.371071415021789圖2 發(fā)泡液溫度對(duì)泡沫容重的影響圖3 泡沫容重對(duì)材料干表觀密度（28d）的影響圖4 泡沫容重對(duì)材料（28d）抗壓強(qiáng)度的影響由圖2可知，隨著發(fā)泡液溫

10、度的升高，泡沫容重急劇下降，主要是因?yàn)闇囟雀邥r(shí)，熱空氣的高能狀態(tài)造成泡沫的直徑變大，泡沫體積變大，表現(xiàn)為發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)變大，因此相同體積的情況下，質(zhì)量大幅減少。雖然發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)得到了提高，但是泡沫穩(wěn)定性卻隨溫度升高而下降。高溫時(shí)，泡沫的破滅由泡沫柱頂端開(kāi)始，泡沫體積隨時(shí)間增長(zhǎng)呈規(guī)律性減小。這是由于在最上面的液膜上側(cè)，總是向上凸的，這種彎曲膜對(duì)蒸發(fā)作用很敏感，溫度越高蒸發(fā)越快，膜變薄到一定厚度時(shí)就破裂了1，因此大多數(shù)泡沫在高溫下是不穩(wěn)定的。如圖3，摻入相同體積的泡沫，泡沫容重越小制得的泡沫材料的干表觀密度越大，這說(shuō)明容重輕的泡沫，由于泡徑較大，在與相同的水泥漿混合時(shí)更容易破裂，造成泡沫體積

11、的損失，使得混入水泥凈漿的有效泡沫體積減少，最后得到的材料變重。泡沫容重對(duì)材料抗壓強(qiáng)度的影響較為復(fù)雜，一般在其它條件不變的情況下，水泥泡沫材料的強(qiáng)度隨材料的干表觀密度的減小而降低，由圖4可知，本試驗(yàn)制得的材料在干表觀密度相差較大的情況下也符合這樣的規(guī)律，由于低容重的泡沫在混入水泥漿時(shí)體積損失較大，造成材料干表觀密度增大，強(qiáng)度也較高。然而，水泥泡沫材料的強(qiáng)度還和孔徑大小、分布等有關(guān)。因此，在干表觀密度相差不是很大的情況下，雖然由容重75.9g/l的泡沫制得的水泥泡沫材料的干表觀密度低于由容重54.8g/l的泡沫制得的材料，但是由于高容重的泡沫泡徑較小、泡壁較厚，制得的泡沫材料孔徑小、孔徑分布較均

12、勻，造成稍低容重的水泥泡沫材料強(qiáng)度較高，即在高性能泡沫等因素下，低容重的泡沫混凝土的強(qiáng)度可以大于高容重的泡沫混凝土強(qiáng)度。其它影響泡沫容重的因素如：發(fā)泡液濃度、時(shí)間、壓縮空氣氣壓等對(duì)水泥泡沫材料性能的影響規(guī)律與溫度類似，他們均是通過(guò)影響泡沫容重、泡徑分布等泡沫性能來(lái)影響水泥泡沫材料的性能。值得注意的是，并不是容重越高的泡沫越適合制備水泥泡沫材料，因?yàn)楫?dāng)泡沫容重大到一定程度時(shí)，其表現(xiàn)形式是泡沫中包裹著大量未成泡的發(fā)泡液，比如用攪拌方式制得的泡沫容重有時(shí)達(dá)到200g/l，這其中就含有大量的發(fā)泡液，放置一定時(shí)間后，在重力作用發(fā)泡液向下運(yùn)動(dòng)，不斷泌出，一方面影響泡沫穩(wěn)定性，另一方面由于總水膠比過(guò)大，會(huì)降

13、低材料強(qiáng)度。比較理想的泡沫應(yīng)該是發(fā)泡液充分生成泡沫，不含自由液體，泡徑均勻、細(xì)小，這樣的泡沫最適合用來(lái)制備水泥泡沫材料。圖5 不同泡沫容重制得的泡沫材料孔徑對(duì)比3.3 泡沫摻量對(duì)材料性能的影響加入不同數(shù)量的泡沫就可以制得不同容重級(jí)別水泥泡沫材料，材料的性能也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，下面我們通過(guò)固定采用相同的水泥凈漿，然后向其摻入同條件下制得的不同摻量的泡沫，得到的不同容重的材料的基本性能見(jiàn)表2。表2 泡沫摻量對(duì)材料基本性能的影響泡沫摻量（L）料漿濕密度(kg/m3)干表觀密度(kg/m3)抗壓強(qiáng)度(kPa)7d28d7d28d13230189192188223112752522544384817

14、328334340608721544445147017331979366374975848455944圖5 泡沫摻量對(duì)材料密度的影響圖6 泡沫摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度（28d）的影響圖7 材料干表觀密度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系由上圖5可知，隨著泡沫摻量的逐步增加，泡沫料漿濕密度與材料的干表觀密度明顯降低，顯然這是由于不斷增加的泡沫引入了大量的空氣，單位體積的膠凝材料逐漸減少造成的。然而，圖中泡沫漿料的濕密度與最終材料的干表觀密度之間卻有一個(gè)交叉點(diǎn)，當(dāng)泡沫摻量較少時(shí)，材料干表觀密度大于料漿濕密度；而當(dāng)泡沫摻入較多時(shí)，材料干密度小于泡沫料漿的濕密度。造成這種現(xiàn)象的原因是由于本研究主要針對(duì)超低密度的水泥泡沫材料，

15、因此為保證材料的強(qiáng)度，在聚羧酸鹽高效減水劑的幫助下，采用了較低的水膠比，所以在泡沫摻量較少的情況下，加上泡沫中所含的水，總水膠比依然小于本試驗(yàn)所用硫鋁酸鹽水泥完全水化所需的用水量，在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)時(shí)，水泥水化結(jié)合了大量的外部的水，造成密度變大。而在泡沫摻量較多時(shí)，總水膠比（加上泡沫中所含的水）非常大，因此在養(yǎng)護(hù)烘干過(guò)程，除了水泥水化所需水之外，多余的水份逐漸失去，干表觀密度（干密度）是小于泡沫料漿濕密度的。圖6是泡沫摻量對(duì)材料28天抗壓強(qiáng)度的影響，由于泡沫摻量逐漸增加，一方面引入了大量氣孔，另一方面泡沫中含有大量的水份和一定量的表面活性劑，這兩方面因素造成了材料強(qiáng)度的急劇下降。而在圖7干表觀密度

16、與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系中，也反映出了這兩方面的影響，所以當(dāng)材料干表觀密度較小時(shí)，強(qiáng)度增加相對(duì)緩慢，而干表觀密度大到一定值時(shí)，強(qiáng)度則急劇增加。泡沫摻量對(duì)泡沫料漿的流動(dòng)性也有很大的影響，由于本研究用發(fā)泡機(jī)發(fā)泡，因此泡沫中幾乎不含自由水，泡沫自身毫無(wú)流動(dòng)性。隨著泡沫摻量的增多，泡沫料漿的流動(dòng)性顯著降低，甚至逐漸失去流動(dòng)性。一方面是由于摻入大量泡沫后，泡沫料漿的自身質(zhì)量明顯變輕，所受到的重力減小，料漿的流動(dòng)主要就是在重力的驅(qū)動(dòng)下完成的；另一方面泡沫混入水泥漿后，自身的結(jié)構(gòu)和粘性起到了阻礙料漿運(yùn)動(dòng)的效果2；再加上在這一泡沫起主要作用的體系中，泡沫質(zhì)量極輕，可以相互支撐，因此造成泡沫料漿的流動(dòng)性大幅下降。3.4

17、 泡沫孔徑分布對(duì)材料的影響泡沫孔徑分布對(duì)泡沫混凝土材料的強(qiáng)度有很大的影響，有文獻(xiàn)對(duì)破型后的泡沫混凝土材料進(jìn)行過(guò)研究，通過(guò)對(duì)材料斷面拍照，分析受壓破型時(shí)裂紋的分布情況3，發(fā)現(xiàn)材料破壞時(shí)裂紋均穿過(guò)較大的孔，說(shuō)明孔徑分布不均嚴(yán)重影響材料的抗壓強(qiáng)度，而局部的大孔則成為材料的最薄弱環(huán)節(jié)，因?yàn)椴牧鲜軌簳r(shí)應(yīng)力均向大孔處集中，首先在此產(chǎn)生微裂紋，并聯(lián)向其它孔徑較大的部位，隨著裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試件破壞。所以，要提高材料的強(qiáng)度，就必須要控制材料泡孔的均勻性和泡孔的的大小，這就要求制備的泡沫的泡徑要微小、均勻、封閉。4 結(jié)語(yǔ)泡沫自身參數(shù)對(duì)泡沫混凝土材料的性能影響很大，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）泡沫容重可以用來(lái)表

18、征泡沫泡徑大小、發(fā)泡倍數(shù)、泡沫穩(wěn)定性等泡沫自身的性能，其對(duì)泡沫混凝土材料性能有很大的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為泡沫容重在70-90g/l時(shí)最為合適；（2）隨著泡沫摻量的提高，泡沫混凝土的干表觀密度及強(qiáng)度逐步降低；（3）泡沫孔徑分布不均勻，對(duì)泡沫混凝土的力學(xué)性能有負(fù)面影響，要制備高性能的泡沫混凝土，就需要摻入泡徑均勻、細(xì)小的泡沫。參考文獻(xiàn)1 王翠花，潘志華.蛋白質(zhì)類發(fā)泡劑的合成及其泡沫穩(wěn)定性.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)J.2006，28(4):9296.2 E.K.Kunhanandan Nambiar，K.Ramamurthy， M.Asce.Fresh state characteristics of foam concrete.Journal of materials in civil engineeringJ.2008，20(2):111117.3 D. Meyer， H-K. Man， J.G.M. va