泡沫混凝土的節(jié)能保溫等效果探析

宋 京 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 泡沫混凝土材料簡介

泡沫混凝土（又名發(fā)泡混凝土）屬無機保溫材料，多用于內(nèi)墻和屋面保溫，是一種密度小的多孔氣泡狀材料。其制作過程為：將泡沫劑制備成泡沫，再將泡沫加入到由水泥、骨料、外加劑和水制成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、養(yǎng)護而成的輕質(zhì)多孔混凝土。泡沫混凝土特點如下：

①輕質(zhì)，泡沫混凝土中含有大量氣泡結(jié)構(gòu)，用于建筑物中可以降低建筑物的自重；

②耐火，泡沫混凝土材料屬于無機材料，擁有很好的耐火性；

③緩震，泡沫混凝土因其密度較小、多孔等特性，對震動的吸收效果較好；

④生產(chǎn)方便，泡沫混凝土對施工場地沒有要求，可以在任何地點澆筑，且操作簡單；

⑤安全，泡沫混凝土在制備過程幾乎沒有有害物質(zhì)產(chǎn)生，且燃燒不產(chǎn)生有毒氣體；

⑥經(jīng)濟環(huán)保，泡沫混凝土的生產(chǎn)過程對環(huán)境污染極小，其水泥用量低于正常使用的普通混凝土，降低材料成本。

本世紀初，泡沫混凝土保溫材料技術(shù)取得重大突破，其以輕薄的結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的力學性能和不燃絕熱等特點得到了建材行業(yè)的廣泛關(guān)注，應用量迅速上升，成為最常用的無機保溫材料之一。

2 泡沫混凝土相關(guān)性能研究

2.1 節(jié)能保溫研究

就建筑物保溫隔熱來說，采用墻體保溫材料比增加墻體厚度更具有經(jīng)濟性，做法是將保溫隔熱性能好的材料依附在墻面或屋面保持室內(nèi)溫度恒定。因此其導熱系數(shù)是保溫材料最重要的一個屬性，直接影響到建筑物的能耗。

2.1.1 導熱系數(shù)

導熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚度的材料，兩側(cè)表面溫差為1℃，在一定時間（秒）內(nèi)，通過1m2傳遞的熱量，單位為瓦/米·度（W/m·K)。因此，保溫隔熱材料的導熱系數(shù)通常越小越好。

目前來說，無機保溫材料的通病就是導熱系數(shù)高，泡沫混凝土正是如此，這也是限制泡沫混凝土大規(guī)模使用的主要因素。因此，研究導熱系數(shù)對改善泡沫混凝土節(jié)能保溫效果有著充分的必要性。

根據(jù)劉力提出的觀點，泡沫混凝土的干密度會影響導熱系數(shù)。基于此，展開實驗探究干密度與導熱系數(shù)之間的關(guān)系，得出影響泡沫混凝土節(jié)能效率的因素。

2.1.2 原材料與試驗方法

水泥為安徽某公司生產(chǎn)的PO42.5硅酸鹽水泥，發(fā)泡劑為自有的動物蛋白發(fā)泡劑。制備干密度不同的泡沫混凝土試件，試件尺寸為300mm×300mm×30mm，共計8個。參照GB 10294，將試件置于養(yǎng)護箱標準養(yǎng)護3d后脫模，在達到28d養(yǎng)護齡期時烘干，直到質(zhì)量損失不變后采用智能化導熱系數(shù)測定儀進行導熱系數(shù)測試，研究干密度對導熱系數(shù)的影響。

2.1.3 結(jié)果與討論

實驗數(shù)據(jù)見表1，所得實驗數(shù)據(jù)滿足JG/T 266-2011的要求，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出圖1。由數(shù)據(jù)分析得：在干密度300 kg/m至 1200 kg/m范圍內(nèi)，導熱系數(shù)與干密度近似為線性關(guān)系，隨著干密度的增加而增大。其原理為：泡沫混凝土屬于氣固兩相混合物，其傳熱過程是由固體中微觀粒子振動和氣體中氣體分子碰撞共同作用的結(jié)果，以固體材料傳熱為主。泡沫混凝土干密度越大，固相占比越高，熱量傳遞效率越大，導熱系數(shù)越大，節(jié)能效果越差。

圖1 導熱系數(shù)與干密度的關(guān)系

表1 不同干密度對應的導熱系數(shù)

因此，想要節(jié)能效率高，采用多孔的低干密度泡沫混凝土是一種選擇。

2.2 吸水性能研究

由于泡沫混凝土內(nèi)部有大量的氣泡，加之自身較大的水灰比，因此其防水性能較差，屬親水性材料，這一定程度上影響了其保溫絕熱效果也降低了其耐久性。研究如何降低泡沫混凝土的吸水性能對于其推廣應用有著重要意義。

2.2.1 影響吸水率的因素

在借鑒國內(nèi)一些參考資料和先前試驗的基礎上，認為泡沫混凝土的吸水率大體取決于以下幾個方面：

①泡沫

一般來說，泡沫混凝土孔徑分布越均勻，其孔隙率越小，吸水率越低。而孔結(jié)構(gòu)又與泡沫息息相關(guān)，不同的泡沫在穩(wěn)定性、大小和均勻性上的表現(xiàn)也不一樣。泡沫氣泡越小越穩(wěn)定成品孔徑分布越均勻。因此可以說，泡沫質(zhì)量是影響泡沫混凝土質(zhì)量的重要因素之一。

②配合比

根據(jù)本人之前的實驗結(jié)果，泡沫混凝土的吸水率隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，水膠比為0.44時泡沫在漿體中的分布最均勻，連通孔比例最小，此時吸水率最小。劉力的實驗也得出了類似的結(jié)論，根據(jù)其實驗結(jié)果，當水灰比為0.4～0.5時，其體積吸水率最小。

③粉煤灰

根據(jù)本人之前的實驗結(jié)果，泡沫混凝土的吸水率也隨著粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但是在摻量為0%～30%時吸水率變化不明顯，在40%較為顯著。這可能與該程度的粉煤灰摻量會對泡沫造成損害導致漿體中的游離水變多有關(guān)。

④外加劑

混凝土防水劑顯著具有提高混凝土抗?jié)B防水功能，同時具有緩凝、早強，減水、抗裂等功效，并可改善新拌砂漿的和易性。而對于如何選擇防水劑最佳的摻量，國內(nèi)并沒有統(tǒng)一的規(guī)范，大多憑借工程經(jīng)驗而定。因此，通過實驗選擇合適的防水劑摻量，將泡沫混凝土的吸水率控制在一個較小的區(qū)間，可以更好地發(fā)揮泡沫混凝土的保溫性能。

2.2.2 原材料與試驗方法

泡沫混凝土試件規(guī)格采用100mm×100mm×100mm，制作5組，每組3個。測得干密度約為600 kg/m，防水劑為某公司F1型憎水防水劑，摻量百分比分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%。養(yǎng)護和吸水率試驗按JGJ/T12-2019進行，測定2h、24h和48h對應的吸水率。

2.2.3 結(jié)果與討論

實驗數(shù)據(jù)見表2，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出圖2。由數(shù)據(jù)分析得：防水劑確實可以降低泡沫混凝土吸水率，且在一定范圍內(nèi)，隨著防水劑摻量的增加，泡沫混凝土吸水率下降；當防水劑摻量范圍在0%～1%時，隨著摻量的增大，吸水率有較大程度的下降；當防水劑摻量增加至1%以上時，吸水率的下降已不明顯；摻加了防水劑的試件其吸水率隨著時間增加而增大。防水劑影響吸水率的機理為：與水泥反應生成致密小顆粒充滿孔隙、或者在泡沫混凝土表面形成永久性憎水防水膜，從而外部水分難以向內(nèi)部滲透，達到降低吸水率的作用。考慮到使用防水劑的經(jīng)濟問題，建議該F1型防水劑摻量控制在1%～1.5%之間。

圖2 防水劑摻量與吸水率的關(guān)系

表2 不同防水劑摻量對應的吸水率

2.3 耐高溫性能研究

泡沫混凝土材料為A級防火耐溫材料，本身不易燃燒。為了研究泡沫混凝土板在長時間高溫灼燒后其強度的變化情況，開展了對其耐高溫性能的研究。這對采用泡沫混凝土的建筑物在長時間的高溫灼燒后能否保持原有強度有著積極意義。

2.3.1 原材料與實驗方法

制備兩種干密度不同的泡沫混凝土。取試件規(guī)模為100mm×100mm×100mm的標準立方體，澆筑24h后脫模，將試件置于養(yǎng)護箱進行標準養(yǎng)護，在達到28d養(yǎng)護齡期時烘干，直到質(zhì)量損失不變。測得干密度分別為611 kg/m和800 kg/m。后用煤氣噴燈對其進行750℃不同時間的灼燒加熱，最后用20MPa量程的壓力試驗機測其不同加熱時間后的抗壓強度，研究灼燒時間與不同干密度泡沫混凝土抗壓強度的影響。涉及到的實驗器材有煤氣噴燈、壓力試驗機、秒表等。實驗數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 灼燒時間與泡沫混凝土抗壓強度的關(guān)系

2.3.2 結(jié)果與討論

由圖3知，泡沫混凝土抗壓強度隨著干密度的增加而增大；長時間灼燒會影響泡沫混凝土制品的抗壓強度，影響程度與干密度有關(guān)：密度為800 kg/m的泡沫混凝土在30分鐘灼燒后強度下降了14.6%，而611 kg/m的泡沫混凝土強度下降了28.8%。因此，選取干密度較大的泡沫混凝土更能增加建筑物在火災中的穩(wěn)定性，避免其因長時間的高溫環(huán)境導致保溫板強度降低，影響建筑安全。但根據(jù)前文的研究，干密度較大的泡沫混凝土導熱系數(shù)也較大，又會導致經(jīng)濟性的下降。對于這個問題需要進行更加深入的研究，在保證其高溫穩(wěn)定性的同時設法降低導熱系數(shù)，兼顧泡沫混凝土的安全性與經(jīng)濟性。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

近些年來，泡沫混凝土因其輕薄、節(jié)能環(huán)保、不燃等優(yōu)點進入了公眾的視野，但是其隔熱保溫的效果不及很多有機保溫材料，也缺乏其他方面相應的實驗研究。為提高泡沫混凝土保溫效果，通過試驗進行了保溫性能、吸水性能和耐高溫性能的研究，并提出了以下建議：采用多孔的低干密度泡沫混凝土以獲得更高的節(jié)能保溫效率；控制F1型防水劑摻量在1%～1.5%以獲得更優(yōu)秀的防水效果；使用干密度較大的泡沫混凝土能提高其在高溫中的穩(wěn)定性，但是經(jīng)濟性會變差。

由于篇幅限制和本人能力有限，不免有一些遺漏和錯誤，懇請批評指正。

3.2 不足與展望

①僅僅研究了干密度與導熱系數(shù)之間的關(guān)系，但是泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)（如孔形狀、孔徑、孔隙率）可能也會對導熱系數(shù)有影響，需要進行更加深入的實驗。

②沒有考慮發(fā)泡劑、減水劑的種類和摻量等對泡沫混凝土吸水率的影響，需要進行更多的對照實驗，這也是今后泡沫混凝土吸水率研究的一個方向。

③可以結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，建立起泡沫混凝土導熱系數(shù)、吸水率等指標與干密度、孔隙率等參數(shù)的數(shù)學模型，進一步分析泡沫混凝土相關(guān)性能與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

④有實驗表明，泡沫混凝土中加入纖維會提高其抗壓強度和抗折強度，還能降低導熱系數(shù)，因此二者的結(jié)合也會是未來研究的熱門方向。