泡沫混凝土的制備工藝與設備的研究

李晨，趙利軍，李雅潔，劉朝陽，王波

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

裝配式建筑將引領建筑材料向部品化、輕量化、結構功能一體化方向發展，是建筑行業一次革命性的突破，這一趨勢也為泡沫混凝土的發展提供了契機。泡沫混凝土的輕質性、保溫性、低密度、良好的隔音能力，相較于傳統有機保溫材料又具有良好的耐火性。除以上優點外，泡沫混凝土還具有減震性能好、環保無污染、可泵性能好等特性，因此在現代建筑行業中倍受歡迎。泡沫混凝土可在工廠內制成結構構件，砌塊，保溫板等，也可預制成保溫層、透水層和墻體等。生產技術和設備是確保泡沫混凝土行業健康快速發展的基礎。沒有優良的技術，轉型升級將無法實現；沒有高效的設備，全面應用只是紙上談兵。只有確保生產技術和生產設備的提高，才能為泡沫混凝土行業保駕護航。國內外研究學者從材料范疇和配合比設計等方面開展了大量研究，而對于泡沫混凝土生產時所需的攪拌工藝的重視和研究不夠。

如下表1為近幾年泡沫混凝土年產量。

表1 近幾年泡沫混凝土年產量

1 泡沫混凝土

泡沫混凝土與加氣混凝土具有許多相似之處，但又明顯區別于傳統加氣混凝土。加氣混凝土需要蒸壓養護，且不適應于現場生產澆筑，而泡沫混凝土一般則是天然養護，且可以完成現場生產澆筑。傳統的泡沫混凝土是指在有水泥、外加劑等組成的漿體中加入預先通過高速攪拌或發泡機制備好的泡沫，經過混泡、澆注、養護等形成具有一定強度的輕質混凝土。這種方法也稱為物理方法制備泡沫混凝土。但近些年隨著技術和設備的改進，行業中出現了一種廣泛使用的化學方法制備泡沫混凝土，該方法以水泥、水、添加劑等材料攪拌成漿體，再加入過氧化氫（雙氧水）、電石（碳化鈣）等化學材料作為發泡劑，經過攪拌、澆注和發泡等流程便可生產出泡沫混凝土。這種化學方法生產的泡沫混凝土有悖于傳統泡沫混凝土的定義，引起了對于泡沫混凝土定義一系列爭議。有學者指出，傳統泡沫混凝土的定義過于強調“物理制備泡沫”，過于片面。為區別于加氣混凝土，應將具有獨立封閉氣孔結構且不需要蒸壓的輕質多孔混凝土稱為泡沫混凝土，這就需要加入化學方法產生泡沫進而制備泡沫混凝土的概念。參考了國內外的定義，泡沫混凝土的現狀以及泡沫混凝土和加氣混凝土的區別。筆者認為泡沫混凝土指以水泥及其他輔助摻合料為主要原料，采用物理或化學方法將氣泡均勻分布在水泥漿體中，經過自然養護制成富含獨立密閉氣泡的輕質多孔混凝土。

2 泡沫混凝土存在的問題

（1）強度較低。為保證其低密度的特性，泡沫混凝土中不添加粗集料，砂等細集料也只會在一些較大密度的泡沫混凝土中少量添加。大量泡沫的加入提高了孔隙率，同時也導致了泡沫混凝土的強度較低的現象，有的甚至低于1.0MPa。這種現象嚴重限制了泡沫混凝土的應用領域。

（2）干縮、開裂和吸水率偏大等。泡沫混凝土中存在著大量的氣孔，且填充材料多為水泥等粉料。因此泡沫混凝土具有較高的收縮和吸水率。較大的飽和吸水率容易引起凍融現象，嚴重降低了泡沫混凝土的耐久性。水分的蒸發直接影響著泡沫混凝土的開裂程度。泡沫混凝土的水灰比往往較高，當多余的水分蒸發時會導致泡沫混凝土會收縮開裂。

（3）發泡技術。國內發泡技術落后，發泡劑質量較差，一直限制著行業的發展。現有的發泡劑和發泡技術制成的泡沫穩定性差，泡沫不均勻。這也就導致了制備出的泡沫混凝土不能達到理想的密度值，從而也制約著泡沫混凝土市場。

3 泡沫混凝土性能影響因素分析

泡沫混凝土性能影響因素是多方面的，且各影響因素之間也都有一定的相關性。現從以下方面進行分析。

（1）材料方面。添加適量的粉煤灰代替水泥，泡沫混凝土的早期強度會略微下降，但對泡沫混凝土的最終抗壓強度稍有提高，且由于粉煤灰密度小于水泥，可以降低泡沫混凝土的密度。有研究表明適量摻加粉煤灰和紅泥對泡沫混凝土的干燥收縮有一定的抑制作用，改善泡沫混凝土的內部結構。泡沫混凝土的流動性隨著泡沫劑的稀釋率增加而增加，但抗壓強度和抗彎強度隨泡沫劑用量增大而迅速減小。Ma C等人研究結果表明，發泡劑摻量的增加對干密度、抗壓強度和絕緣性等性能有降低作用。適量的添加劑（速凝劑、憎水劑等）可以改善泡沫混凝土的內部結構，減少連通孔，有效減輕塌模現象。摻加纖維可以提高泡沫混凝土的抗折強度，不同種類的纖維對泡沫混凝土改性效果不同。

（2）配比影響。通過調節水灰比，可以有效控制泡沫混凝土的孔隙尺寸、氣孔連通度和內部結構。過高的水灰比會使相對粘度減小，導致氣孔連通率升高，破壞內部結構。過低的水灰比又會限制發泡劑的發泡能力，導致泡沫混凝土的密度升高且降低保溫等其他性能。合理的水灰比可以得到比較理想的抗壓強度，合理的孔隙率、氣孔平均孔徑和圓度值。各添加劑的用量根據生產商的參考用量，以往試驗用量為基礎進行反復調整。外界環境、材料性能的區別等均會對添加劑的用量造成影響，因此各添加劑的用量需根據其他影響因素的變化反復調整。一旦其他的影響因素發生變化，相應添加劑的用量也需及時調整。

（3）外界環境。化學發泡對外界環境比較敏感，外界環境的溫度、空氣的干濕度和噪聲都可能導致引起塌模現象。如環境溫度直接影響泡沫混凝土中發泡劑的發泡速率和發泡量；噪聲易誘泡沫凝土中氣泡液膜變薄而破裂。已有研究證明，相同配比與工藝下，在不同生產環境中制備的泡沫混凝土的密度等性能可能相差懸殊。因此，在確定材料配比和生產工藝之后，盡量避免外界環境發生變化。

4 泡沫混凝土攪拌工藝

現階段國內外對于泡沫混凝土的研究主要設及材料、配比和微觀結構等，而針對泡沫混凝土的攪拌工藝和攪拌方式的研究卻不多。有研究表明，在相同工況下，良好的攪拌工藝可以提高泡沫混凝土強度的54.5%。以往泡沫混凝土的生產過程中，企業往往只重視泡沫混凝土的發泡過程，忽視了發泡劑或泡沫對攪拌的一些特殊要求，沿用普通混凝土的攪拌工藝，導致產品生產效率低和性能差。

傳統物理發泡泡沫混凝土的制備工藝已經基本完善，在此不過多贅述。相較于物理發泡泡沫混凝土，化學發泡混凝土具有孔徑細小、尺寸均勻且孔的完整率高等優點，但其對攪拌工藝和攪拌方式的要求也更為苛刻，使用現有的設備和工藝很難達到所需的高均勻性。

在制備過程中，化學方法泡沫混凝土的制備大體分為兩個階段。第一階段的主要目的是水泥漿體的均勻拌合，與傳統混凝土相比，泡沫混凝土以水泥為主，沒有碎石等粗集料，各種添加劑難以分散；另一個階段是化學發泡劑與水泥漿體的拌合。化學發泡泡沫混凝土的生產過程中，必須對攪拌時間進行嚴格控制，攪拌時間不足時，發泡劑主要留存在漿體上層，容易塌模；時間過長時，發泡劑大量發泡，造成泡沫損失嚴重，從而損害泡沫混凝土的質量。攪拌工藝越合理，水泥、添加劑和發泡劑在漿體中分散的越均勻，加入的發泡劑可均勻的懸浮在漿體中，進而形成的氣孔結構也會越合理，水泥也能發揮更好的膠凝作用，形成的泡沫混凝土制品性能也就越優良。若發泡劑沒有均勻的分布在漿體中，堆積在漿體的上層，則易造成泡沫混凝土塌模，氣孔分布不均勻，嚴重破壞泡沫混凝土性能。攪拌機是泡沫混凝土生產中必不可少的設備，攪拌工藝的優劣在很大程度上決定了泡沫混凝土的性能。如下圖1為化學發泡生產泡沫混凝土工藝流程圖。

圖1 化學發泡生產泡沫混凝土工藝流程圖

5 泡沫混凝土攪拌設備的要求

隨著國內泡沫混凝土行業的逐漸成熟，對于泡沫混凝土設備的需求也越來越大。然而在過去的5年間泡沫混凝土的年產量快速增多，而泡沫混凝土的相關企業一直維持在1000多家。泡沫混凝土設備的生產效率低，忽略泡沫混凝土的特性，生產效率低及可控性能差已經逐漸不能滿足市場的需求。

普通的混凝土拌合設備多為臥式攪拌機，轉速較低，葉片布局簡單，死角較多，無法保證攪拌質量。化學發泡泡沫混凝土需要漿體達到超高均勻度，采用普通混凝土拌合設備是肯定不行的。泡沫混凝土流動度非常大，臥式攪拌機的軸端密封，卸料門泄漏等問題嚴重影響了泡沫混凝土生產的效率和性能。常規攪拌機的轉速只有20～40r/min，轉速太低。要達到超高均勻度是困難的，化學發泡攪拌機的轉速應達到120r/min以上。有研究結果表明，高轉速攪拌機對加入化學發泡劑的水泥漿體有活化作用。化學發泡泡沫混凝土漿體水灰比大，無碎石等粗集料，因此攪拌阻力小，為高速攪拌機提供了技術條件。由于物料在不同階段所需的攪拌機轉速不同，泡沫混凝土攪拌機應具有調速功能，以適應不同攪拌階段不同的轉速要求。攪拌機必須具有較強的上下層漿體快速混合的作用，且不能留有死角。化學發泡劑是后加入在漿體表面，因此攪拌機必須能夠在極短時間內完成上下層均勻混合的作用，否則發泡劑漂在漿體上部，會造成發泡不均勻，使成品產生過大的密度差。

6 結語

（1）影響泡沫混凝土性能的因素是粉煤灰的摻加量、添加劑的種類和用量、水灰比、外界環境等。

（2）嚴格控制原材料質量、材料配比、摻入其他材料如纖維可以改善泡沫混凝土內部結構，提高性能。

（3）合理的攪拌工藝和攪拌設備對泡沫混凝土的內部結構和性能具有重要意義。

（4）保持穩定的外界環境，改善并加強施工質量控制可以提高泡沫混凝土的性能。