【關鍵詞】本文對泡沫容重、泡沫摻量、泡沫孔徑分布等因素對泡沫混凝土性能的影響進行了研究。結果表明:泡沫容重對泡沫混凝土的強度等性能有顯著影響。本文認為泡沫容重在70-90g/l時最為合適；隨著泡沫摻量的提高，泡沫混凝土的干表觀密度及強度逐步降低；泡沫孔徑分布不均勻，對泡沫混凝土的力學性能有負面影響。

　　【摘要】泡沫 泡沫混凝土 泡沫容重

　　1 引言

　　泡沫混凝土是由預制出的泡沫與水泥（砂）漿均勻混合、硬化而成的一種多孔材料，具有輕質、保溫隔熱、低彈性模量、大流動度等特點，在屋面、地暖以及回填工程中得到了廣泛的應用。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對泡沫混凝土性能的影響進行了論述。

　　2  實驗原材料及方法

　　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：北京中建國信科技開發(fā)中心出品；

　　專用減水劑：北京中建國信科技開發(fā)中心出品。

　　2.2  試驗方法

　　用SP-Ⅱ新型發(fā)泡機將發(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小時拆模后在標準條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期，測試方法參照JC/T1062-2007泡沫混凝土砌塊標準。

　　3  實驗結果及分析

　　3.1  泡沫制備及評價參數

　　目前可以通過兩種方式來制得泡沫。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中，然后用攪拌機的葉片高速攪拌發(fā)泡劑溶液制取泡沫。這種方法存在的缺點是泡沫直徑不均一，攪拌機內泡沫容重不均一，而且發(fā)泡倍數低。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)泡設備與高速攪拌機相比較為復雜，但綜合性能更好。即利用空氣壓縮機將發(fā)泡劑溶液和壓縮空氣在混合室內進行混合，然后在壓縮空氣的作用下，穿過一個特制的發(fā)泡管制成泡沫，發(fā)泡管內有的采用磁片，有的采用玻璃球，有的采用銅網篩。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)

　　泡沫性能的評價參數，一般包括發(fā)泡倍數、半消時間、泌水量等，本研究在制備水泥泡沫材料時一般將泡沫容重作為評價泡沫質量的主要指標，一方面是由于泡沫容重測量更為方便直觀；另一方面泡沫容重幾乎可以直接或間接反映所有泡沫質量指標：①由泡沫容重、發(fā)泡液的總質量可以計算出泡沫體積，進而得出發(fā)泡倍數；②泡沫容重可以反映泡沫直徑的大小，一般泡沫泡徑大時，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。③泡沫容重可以反映泡沫的穩(wěn)定性。制出泡沫后，可以每隔一段時間測試一次泡沫容重的大小，由此可以畫出泡沫容重的經時變化曲線，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。為試驗操作方便我們將泡沫容重作為評價泡沫性能的基本指標。

　　3.2  泡沫容重對材料性能的影響

　　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，粘度較大的發(fā)泡液生成的泡沫泡壁較厚，容重稍大。但是，相對來說，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，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，會向下運動，即所謂的排液現(xiàn)象，泡壁逐漸變薄，因此泡沫容重隨著時間的推移也會逐漸變小。以上所有這些因素都會對泡沫容重產生影響，下面我們由發(fā)泡液溫度這一因素為例來制得不同容重的泡沫，研究不同泡沫容重對泡沫混凝土性能的影響。

表1 發(fā)泡液溫度通過泡沫容重的變化對材料的影響

　　由圖2可知，隨著發(fā)泡液溫度的升高，泡沫容重急劇下降，主要是因為溫度高時，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)泡倍數變大，因此相同體積的情況下，質量大幅減少。雖然發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數得到了提高，但是泡沫穩(wěn)定性卻隨溫度升高而下降。高溫時，泡沫的破滅由泡沫柱頂端開始，泡沫體積隨時間增長呈規(guī)律性減小。這是由于在最上面的液膜上側，總是向上凸的，這種彎曲膜對蒸發(fā)作用很敏感，溫度越高蒸發(fā)越快，膜變薄到一定厚度時就破裂了[1]，因此大多數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，這說明容重輕的泡沫，由于泡徑較大，在與相同的水泥漿混合時更容易破裂，造成泡沫體積的損失，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。

　　泡沫容重對材料抗壓強度的影響較為復雜，一般在其它條件不變的情況下，水泥泡沫材料的強度隨材料的干表觀密度的減小而降低，由圖4可知，本試驗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體積損失較大，造成材料干表觀密度增大，強度也較高。然而，水泥泡沫材料的強度還和孔徑大小、分布等有關。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、孔徑分布較均勻，造成稍低容重的水泥泡沫材料強度較高，即在高性能泡沫等因素下，低容重的泡沫混凝土的強度可以大于高容重的泡沫混凝土強度。

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　　其它影響泡沫容重的因素如：發(fā)泡液濃度、時間、壓縮空氣氣壓等對水泥泡沫材料性能的影響規(guī)律與溫度類似，他們均是通過影響泡沫容重、泡徑分布等泡沫性能來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，因為當泡沫容重大到一定程度時，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達到200g/l，這其中就含有大量的發(fā)泡液，放置一定時間后，在重力作用發(fā)泡液向下運動，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大，會降低材料強度。比較理想的泡沫應該是發(fā)泡液充分生成泡沫，不含自由液體，泡徑均勻、細小，這樣的泡沫最適合用來制備水泥泡沫材料。

圖5 不同泡沫容重制得的泡沫材料孔徑對比

　　3.3  泡沫摻量對材料性能的影響

　　加入不同數量的泡沫就可以制得不同容重級別水泥泡沫材料，材料的性能也會隨之發(fā)生相應的變化，下面我們通過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表2。

表2 泡沫摻量對材料基本性能的影響

　　圖6是泡沫摻量對材料28天抗壓強度的影響，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度的急劇下降。而在圖7干表觀密度與抗壓強度的關系中，也反映出了這兩方面的影響，所以當材料干表觀密度較小時，強度增加相對緩慢，而干表觀密度大到一定值時，強度則急劇增加。

　　泡沫摻量對泡沫料漿的流動性也有很大的影響，由于本研究用發(fā)泡機發(fā)泡，因此泡沫中幾乎不含自由水，泡沫自身毫無流動性。隨著泡沫摻量的增多，泡沫料漿的流動性顯著降低，甚至逐漸失去流動性。一方面是由于摻入大量泡沫后，泡沫料漿的自身質量明顯變輕，所受到的重力減小，料漿的流動主要就是在重力的驅動下完成的；另一方面泡沫混入水泥漿后，自身的結構和粘性起到了阻礙料漿運動的效果[2]；再加上在這一泡沫起主要作用的體系中，泡沫質量極輕，可以相互支撐，因此造成泡沫料漿的流動性大幅下降。

　　3.4  泡沫孔徑分布對材料的影響

　　泡沫孔徑分布對泡沫混凝土材料的強度有很大的影響，有文獻對破型后的泡沫混凝土材料進行過研究，通過對材料斷面拍照，分析受壓破型時裂紋的分布情況[3]，發(fā)現(xiàn)材料破壞時裂紋均穿過較大的孔，說明孔徑分布不均嚴重影響材料的抗壓強度，而局部的大孔則成為材料的最薄弱環(huán)節(jié)，因為材料受壓時應力均向大孔處集中，首先在此產生微裂紋，并聯(lián)向其它孔徑較大的部位，隨著裂紋的擴展，最終導致試件破壞。所以，要提高材料的強度，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  結語

　　泡沫自身參數對泡沫混凝土材料的性能影響很大，主要體現(xiàn)在以下幾點：

　?。?）泡沫容重可以用來表征泡沫泡徑大小、發(fā)泡倍數、泡沫穩(wěn)定性等泡沫自身的性能，其對泡沫混凝土材料性能有很大的影響，通過實驗認為泡沫容重在70-90g/l時最為合適；

　　（2）隨著泡沫摻量的提高，泡沫混凝土的干表觀密度及強度逐步降低；

　?。?）泡沫孔徑分布不均勻，對泡沫混凝土的力學性能有負面影響，要制備高性能的泡沫混凝土，就需要摻入泡徑均勻、細小的泡沫。

　　參考文獻

　　[1] 王翠花,潘志華.蛋白質類發(fā)泡劑的合成及其泡沫穩(wěn)定性.南京工業(yè)大學學報[J].2006,28(4):92～96.

　　[2] E.K.Kunhanandan Nambiar,K..Ramamurthy, M.Asce.Fresh state characteristics of foam concrete.Journal of materials in civil engineering[J].2008,20(2):111～117.

　　[3] D. Meyer, H-K. Man, J.G.M. van Mier,Fracture of Foamed Cementitious Materials: A Combined Experimental and Numerical Stucy, InAbstract book IUTAM Symposium on ‘Mechanical Properties of Cellular Materials’,LMT-Cachan, September 17～21, 2007.

　　【作者簡介】扈士凱，男，（1982-），碩士，就職于建筑材料工業(yè)技術監(jiān)督研究中心,主要研究方向：泡沫混凝土材料及發(fā)泡劑、墻體保溫材料、混凝土外加劑、特種工程材料等。