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泡沫混凝土概况及发展
发布日期:2017-11-24 22:53:27 点击数:79新闻来源:

 泡沫混凝土的快速发展是一个世界性的大趋势。十年前,泡沫混凝土大多在欧美发达国家及俄罗斯生产应用。如今,泡沫混凝土迅速扩展到全球各地的发展中国家,即使落后的非州国家也开始生产应用泡沫混凝土。在发达的欧美及日本,其用量也在迅猛增长,在韩国,泡沫混凝土几手进入了每一个家庭,成为建筑不可缺少的材料。

泡沫混凝土已经产生了80多年,历史悠久,但始终没有获得广泛的应用。这主要是历史发展的条件不成熟,社会经济不能为它创造适宜的应用环境。如今,在经过80多年的缓慢发展之后,泡沫混凝土终于迎来了高速发展的新时代。
1 泡沫混凝土
1.1 泡沫混凝土的定义
泡沫混凝土通常是指用机械方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫,再将泡沫加入到硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂组成的浆料中,经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种多孔材料。 
  泡沫混凝土的种类很多,有多种分类方法。按其组成中的胶结材料不同可分为水泥泡沫混凝土、菱镁泡沫混凝土、石膏泡沫混凝土、火山灰质胶结材料泡沫混凝土;按所用主要填充料的种类可分为粉煤灰泡沫混凝土、矿渣泡沫混凝土、秸轩泡沫混凝土等;按砌块干表现密度一般可分为8个等级,即B03、B04,B05、B06、B07、B08、B09、B10;按使用功能可分为保温型、保温结构型、结构型;按应用领域可分为房建泡抹混凝土、园林泡沫混凝土、工程泡沫混凝土、工业泡沫提凝土;按养护方式可分为自然养护泡沫混凝土、蒸汽养护泡沫混凝土、蒸压养护泡沫混凝土。[ 1]李福畴.泡沫混凝土的生产应用现状[J].广东化工,2010(05)
  1.2 泡沫混凝土的主要原材料
胶凝材料:生产泡沫混凝土的胶凝材料可以是硅酸盐水泥、双快硬水泥、菱镁水泥、石膏、火山灰等。泡沫混凝土为了固泡的需要,要求胶凝材料凝结尽量快些,因而在生产中宜选用双快硬水泥、菱镁水泥,但其成本较高。
  骨料:泡沫混凝土中常用的骨料来源广泛,主要有工业废料轻骨料,如粉煤灰陶粒、自燃煤矸石、膨胀矿渣珠、煤渣及轻砂:天然轻骨料,如浮石、火山渣及其轻砂;人造轻骨料,如页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩轻砂、玻化徽珠;增强骨料,如植物纤维、玻璃纤维等。 
  发泡剂:发泡剂可分为植物性、动物性、复合性三种。植物性发泡剂成本低廉,但其泡沫强度不高,泡沫不均匀;动物性发泡剂由于采用动物蛋白为主要原料,虽泡沫强度、均匀度均优于植物性的,可是保质期很短,特别在夏季气候炎热、施工高峰期,其弊端不仅影响整个工程的进度,还大大的浪费了材料,增加了轻质混凝土在制作过程中的成本;复合发泡剂提取了植物和动物发泡剂的优点,弥补了两者的缺憾,在实际施工中复合发泡剂是较好的选择。[2]高倩,王兆利,赵铁军.泡沫混凝土[J].青岛建筑工程学院学报,2002(03)
1.3泡沫混凝土的特性
1、轻质 
     泡沫混凝土的密度小,密度等级一般为300-1800kg/m3,常用泡沫混凝土的密度等级为300-1200 kg/m3,近年来,密度为160 kg/m3的超轻泡沫混凝土也在建筑工程中获得了应用。
2、保温隔热性能好 
     由于泡沫混凝土中含有大量封闭的细小孔隙,因此具有良好的热工性能,即良好的保温隔热性能,这是普通混凝土所不具备的。通常密度等级在300-1200 kg/m3范围的泡沫混凝土,导热系数在0.08-0.3w/(m?K)之间。采用泡沫混凝土作为建筑物墙体及屋面材料,具有良好的节能效果。
3、 隔音耐火性能好 
    泡沫混凝土属多孔材料,因此它也是一种良好的隔音材料,在建筑物的楼层和高速公路的隔音板、地下建筑物的顶层等可采用该材料作为隔音层。泡沫混凝土是无机材料,不会燃烧,从而具有良好的耐火性,在建筑物上使用,可提高建筑物的防火性能。 
  4、其它性能 
    泡沫混凝土还具有施工过程中可泵性好,防水能力强,冲击能量吸收性能好,可大量利用工业废渣,价格低廉等优点。[3]李龙珠,夏勇涛, 刘文斌, 肖雪军,泡沫混凝土的发展现状及应用前景[J].商品混凝土,2009(07).
 1.4泡沫混凝土的制备方法
目前泡沫混凝土的制作方法主要包括以下两种:一种方法是先制备出泡沫,再将制备出的泡沫与砂浆拌合,这种方法又被称为预制泡混合法。
预制泡混合法制作泡沫混凝土的主要工艺步骤包括三步:首先是水泥砂浆的制备;然后是泡沫的制备;最后是砂浆与泡沫混合、混凝上的浇筑。
另外一种方法足混凝土的拌合与发泡是同时进行的,称为混合搅拌法。这种制备方法的主要生产工艺包括三个步骤:首先是发泡剂水泥砂浆的制备、然后将制备好的砂浆进行预制浇
筑、最后是将浇筑后的坯体进行静停发泡。
比较上述制备泡沫混凝土的两种生产工艺可以发现,两种生产工艺最大的区别是:预制泡沫混合法是预先制作气泡后再与砂浆混合,然后将混合均匀稳定的泡沫砂浆进行现场浇筑或
预制泡沫混凝土;而混合搅拌法则首先是制备出含有发泡剂的砂浆、然后再进行预制浇筑、最后一步是在静停过程中完成发泡过程。两种制备工艺的不同决定了采用两种不同工艺生产出的泡沫混凝上的性能、用途也有所不同。一般情况下,采用预制泡沫混合法制备出的泡沫砂浆具有良好的流动性,可以进行远距离泵送;而采用混合搅拌法制备出的砂浆则一般不能用于泵送和现场浇筑。[4]阎振甲,何艳君.泡沫混凝土使用生产技术[M].北京:化学工业出版社,2006.
2. 泡沫混凝土的起源,历史及发展状况
2.1 起源
原始的泡沫混凝土可以追溯到5000年前,古埃及人使用一些天然物质,使之混合后产生气体,制作多孔材料。2000多年前,古罗马人用石灰、砂子、砾石混合,创造了原始的混凝土。此后不久,他们就惊奇地发现,在这个原始混凝土内加入动物血液,混合搅拌后,就产生了持久的气泡,使混凝土成为一种稳定的多孔材料。而且,他们探索出在这种多孔混凝土内加入马毛,来解决它的收缩开裂,就像我们今天在泡沫混凝土内使用人造纤维。可以说,古罗马人创造的这种多孔材料,应是最贴近当代泡沫混凝土技术的源流。至今,动物血水解物发泡剂仍是泡沫混凝土所用动物蛋白发泡剂的一种。
真正意义的近代工业泡沫混凝土,最早的探索开始于18世纪末、19世纪初。此前的原始泡沫混凝土的特征,是没有控制混凝土中引入空气量的技术手段,即没有控制材料密度的手段。瑞典极端寒冷的冬天,使他们急于找到高效保温材料。他们在前人原始泡沫混凝土技术的基础上,进行了泡沫混凝土的基础性研究。1923年,欧洲人首次提出了用预制气泡和水泥砂浆相拌合生产多孔混凝土的方法,世界上首次出现了真正近代意义上的泡沫混凝土。
2.2(一)国外发展
上世纪初,北欧各国及俄国,都曾积极致力于泡沫混凝土的技术开发。自此以后,泡沫混凝土开始较快地发展。上世纪三十年代初至五十年代初的二十年,是泡沫混凝土工业化技术体系形成的时期。在这一时期,正值二战爆发,生产加气混凝土的铝粉供应紧张,于是欧洲各国纷纷转向以泡沫取代铝粉,以泡沫混凝土取代加气混凝土,刺激了泡沫混凝土在二战前后及战争期间的研发及生产,形成了其发展的第一个高潮。其应用领域以建筑保温为主。
在这一时期,技术成就最大的是前苏联。应该说,前苏联为泡沫混凝土技术成熟并走向工业化生产,起到了关键性的作用。从1926年开始研发到1930年在列宁格勒(现圣彼得堡)开始工业化生产,前苏联只用了四年时间。从1936年起,他们在已成功生产自然养护泡沫混凝土的基础上,实现了蒸压泡沫混凝土及蒸压泡沫硅酸盐的工业化生产,建立了以彼尔伏乌拉尔斯克、别莱兹尼克等泡沫混凝土大型企业。如今泡沫混凝土基础技术,大多来自于前苏联。
自上世纪五十年代开始,泡沫混凝土技术开始从它的发源地欧洲以两个渠道向世界各地传播。一条渠道是前苏联将其技术传播到中国及东欧的波兰等各国,另一条渠道是德、英、瑞典、荷兰等西欧国家将其传播到北美及亚洲的韩国及日本等国。这一阶段是泡沫混凝土技术在世界各地的传播及发展期。在这一时期,泡沫混凝土的应用仍以建筑保温制品为主。
1979年,美国的Yamads等人首次将泡沫混凝土在油田固井方面获得成功,使泡沫混凝土走出了保温的单一领域,开始向多领域发展。其后,日本将其成功用于岩土工程的回填。韩国及日本将其应用于地暖保温层。进入新世纪之后,泡沫混凝土在吸音隔音领域,吸能吸波领域、耐火材料领域等许多新的应用方面研究活跃,并逐步形成了规范化应用。可以说,自1979年至今的30年,是泡沫混凝土技术水平的提高与应用领域的高速扩展阶段。
目前,它的应用领域已达20多个,并由民用扩展到军用、航空、工业应用等高端领域,为它未来的发展开辟了宽阔的道路。目前,泡沫混凝土最为发达的三个地区是:欧洲、北美、亚洲的中日韩及东南亚.在其它地区,泡沫混凝土也有一定的应用。总的来看,泡沫混凝土基本普及应用到全世界。[5]蒋冬青.国外泡沫混凝土应用的新进展[J].中国建材报,2002(09).
2.2(二)国内发展
中国泡沫混凝土的发展并不晚,仅次于欧洲。这主要是因为前苏联的原因。一方面,前苏联在泡沫混凝土技术方面及应用方面,在上世纪50年代初均走在世界前列。另一方面,当时苏联援建中国的热潮正高,为他们把泡沫混凝土先进技术及时传播到中国提供了社会历史条件。
泡沫混凝土几乎和新中国同时诞生和成长。1950年,前苏联专家就开始向中国推广泡沫混凝土技术。1952年,中国科学院土木建筑研究所成立了以黄兰谷为首的泡沫混凝土试验中心,开始了中国泡沫混凝土的正式试制
1952-1959年的8年间,是我国泡沫混凝土发展的第一个高潮期,形成了一定的生产规模。但可惜的是,由于随后的中苏关系恶化,苏联专家撤走,再加上紧接其后的文化大革命,致使我国泡沫混凝土从1960年-1980年,整整20年之久,很少有人问津。假若按50年代的速度发展,我国早已成为泡沫混凝土生产的强国。这实在令人惋惜
泡沫混凝土重新在我国兴起,是从现浇开始兴盛并发展起来的。这是与上世纪五十年代第一个高潮时期以制品为主有着根本性的不同。在1980年前后,随着改革之风吹开国门,欧洲的泡沫混凝土现浇技术进入了我国的开放前沿广东。继泡沫混凝土屋面保温现浇之后,在上世纪九十年代末期,泡沫混凝土地面保温层现浇自韩国传入我国,率先在靠近韩国的烟台、威海、天津、大连、秦皇岛等地成功地应用。进入新世纪之后,由于其适应了建筑节能的需求,获得了迅猛的发展,并从2005年起进入发展高潮。
从技术水平来看,我国泡沫混凝土已快速拉近了与发达国家的距离,在某些方面已超过了发达国家,居世界领先水平。总体来讲,我国泡沫混凝土的技术现状是:在一般常规应用领域特别是建筑保温领域,我国的工艺技术居世界前列,具有先进水平,但在装备技术及尖端应用领域,我国和发达国尚有很大的差距。[6]阎振甲.泡沫混凝土发展状况及发展趋势[J].混凝土世界,2009(11).
2.3泡沫混凝土的发展现状
(一)泡沫混凝土取得的成果
泡沫混凝土的种类很多,但最常用的是水泥泡沫混凝土。水泥泡沫混凝土根据其掺合料不同又可分为水泥-粉煤灰-石灰型、水泥-矿渣-石灰-石膏型、水泥-粉煤灰-砂-石灰型、水泥一砂一石灰型、水泥-矿渣-粉煤灰-石灰-植物纤维型、水泥-砂-玻璃纤维型等类型。[7]张磊,杨鼎宜.轻质泡沫混凝土的研究及应用现状1[J].混凝土,2005(08).
谢明晖阴对水泥-粉煤灰-石灰型的泡沫混凝土进行了试验研究,获得了密度为691kg/m3、抗压强度为3.4MPa、导热系数为0.210W/(m?K)、抗15次冻融循环合格、碳化系数为0.89的理想的泡沫混凝土墙体材料 ;[8]谢明辉.大掺量粉煤灰泡沫混凝土的研究[D].吉林:吉林大学出版社,2006.
陆爱萍、郭玉顺等对水泥-矿渣-石灰-石膏型的泡沫混凝土进行了试验研究,研究表明常压养护矿渣多孔混凝土是一种较理想的隔热保温材料(密度为910 kg/m3, 28d抗压强度为9.81MPa),同时在价格上优势明显,具有一定的市场竞争力;[9]刘子全,王波, 李兆海, 蒋润乾,泡沫混凝土的研究开发进展[J],混凝土,2009(02).
高波对水泥-粉煤灰-砂-石灰型的泡沫混凝土进行了试验研究,获得最佳配合比粉煤灰60%,石灰5%,发泡液3kg,细砂15%,水泥20%所对应的性能为密度创6kglm3、 吸水率229%、28d抗压强度3.4MPa ;[10]李森兰, 王建平, 路长发,王利亚.泡沫混凝土发泡剂评论指标及测定方法探讨[J].混凝土,2009(10).
 宋旭辉等对水泥-砂-石灰型的泡沫混凝土进行了试验研究,在得了密度为812kg/m3、抗压强度为2.8MPa、导热系数为0.108W/(m?K)、抗15次冻融循环合格、干燥收缩率0.43mm/m的泡沫混凝土;[11]张磊,杨鼎宜.轻质泡沫混凝土的研究及应用现状1[J].混凝土,2005(08).
高波、王群力等对水泥-矿渣-粉煤灰-石灰-植物纤维型的泡沫混凝土进行了试验研究,获得了干密度648kg/m3、抗压强度3.6MPa、吸水率12.0%、抗25次冻融循环合格、干燥收缩0.72mm/m、工艺简单、价格低廉的优异产品; [12]李龙珠,夏勇涛, 刘文斌, 肖雪军,泡沫混凝土的发展现状及应用前景[J].商品混凝土,2009(07).
詹炳根等对水泥-砂-玻璃纤维型的泡沫混凝土进行了试验研究,结果表明玻瑞纤维增加了泡沫混凝土的抗压和抗折强度,极大地改善了韧性,并在一定程度上抑制了早期干缩开裂。 [13]周明杰.王娜娜,赵晓艳,赵晓辉,泡沫混凝土的研究和应用最近进展[J].混凝土,2009(04).
(二)泡沫混凝土的缺陷
泡沫混凝土要获得普及应用,应重点解决以下几个技术问题。
1, 泡沫混凝土成品抗压、抗拉强度低。如何提高其强度,是一个长期的技术课题。特别是100~300 kg/m3的低密度产品,其强度最差,但需求量又最大;
2, 泡沫混凝土浇筑后初凝时间较长;
3, 如表面施工不当在严寒地区不易做防水面使用;
4, 泡沫混凝土代替保温层使用需要有一定的厚度,否则效果不佳,一般厚度不应少于80mm
5, 水泥用量大,成本高问题。目前,大多数企业生产泡沫混凝土,全部采用水泥,成本较高,在与聚苯泡沫的竞争中没有成本优势。[14]张磊蕾,王武祥.泡沫混凝土的研究进展及应用[J].建筑砌块与砌块建筑,2010(01).
3.泡沫混凝土的发展前景
    近年来,美国、英国、荷兰、加拿大等欧美国家以及日本、韩国等亚洲国家,充分利用泡沫混凝土的良好特性,将它在建筑工程中的应用领域不断扩大,加快了工程进度,提高了工程质量。除像国内把泡沫混凝土应用在建筑屋面保温、室内垫层、地暖、正负零层外,在其它领域泡沫混凝土的应用也可供国内的设计师们借鉴。
泡沫混凝土以其良好的特性,广泛应用于节能墙体材料中,在其他方面也获得了应用。目前,泡沫混凝土在我国的应用主要是屋面泡沫混凝土保温层现浇、泡沫混凝土面块、泡沫混凝土轻质墙板、泡沫混凝土补偿地基。但是,充分利用泡沫混凝土的良好特性,可以将它在建筑工程中的应用领域不断扩大,加快工程进度,提高工程质量,具体如下: 
  (1)用作挡土墙。主要用作港口的岩墙。泡沫混凝土在岸墙后用作轻质回填材料可降低垂直截荷,也减少了对岸墙的侧向载荷。这是因为泡沫混凝土是一种粘结性能良好的刚性体,它并不沿周边对岸墙施加侧向压力,沉降降低了,维修费用随之减少,从而节省很多开支。泡沫混凝土也可用来增进路堤边坡的稳定性,用它取代边坡的部分土壤,由于减轻了质量,从而就降低了影响边坡稳定性的作用力。
  (2)修建运动场和田径跑道。使用排水能力强的可渗性泡沫混凝土作为轻质基础,上面覆以砾石或人造草皮,作为运动场用。泡沫混凝土的密度为800-900kg/m3此类运动场可进行曲棍球,足球及网球活动。或者在泡沫混凝土上盖上一层0.05m厚的多孔沥青层及塑料层,则可作田径跑道用。
(3)作夹芯构件。在预制钢筋混凝土构件中可采用泡沫混凝土作为内芯,使其具有轻质高强隔热的良好性能。通常采用密度为400 - 600kg/m3的泡沫混凝土。 [15]邓容有.隔热泡沫混凝土的工程应用[J].建筑技术开发,2001,(2).
    (4)管线回填。地下废弃的油柜、管线(内装粗油、化学品)、 污水管及其他空穴容易导致火灾或塌方,采用泡沫混凝土回填可解决这些后患,费用也少。泡沫混凝土采用的密度取决于管子的直径及地下水位,一般为600-1100kg/m3。
(5)贫混凝土填层。由于使用可弯曲的软管,泡沫混凝土具有很大的工作度及适应性,因此它经常用于贫混凝土填层。如对隔热性要求不很高,采用密度为1200kg/m3左右的贫混凝土填层,平均厚度为0.05m;如对隔热性要求很高,则采用密度为500kg/m3的贫混凝土填层,平均厚度为0.1- 0.2m
(6)屋面边坡。泡沫混凝土用于屋面边坡,具有重量轻、 施工速度快、价格低廉等优点。坡度一般为10mm/m.厚度为0.03-0.2m,采用密度为800 - 1200kg/m3的泡沫混凝土。 
  (7)储罐底脚的支撑。将泡沫混凝土浇阶在钢储罐(内装粗油、化学品)底脚的底部,必要时也可形成一凸形地基,这样可确保整个箱底的支撑在焊接时年处于最佳应力状态,这一连续的支撑可使储罐采用薄板箱底。同时凸形地基也易于清洁。泡沫混凝土的使用密度为800-1000kg\m3。
  (8)其他。泡沫混凝土也可用于防火墙的绝缘填充,隔声楼面填充、隧道衬管回填;以及供电、水管线的隔离等方面。 [16]扈士凯, 李应权,徐洛屹, 段策, 罗宁. 国外泡沫混凝土工程应用进展[J]. 混凝土世界, 2010,(04)
4.结语
泡沫混凝土是混凝土大家族中的一员,是一种新型的节能环保型建筑材料,近年来,国内外都非常重视泡沫混凝土的研究与开发,使其在建筑领域的应用越来越广,但其还存在一定的缺陷,如强度偏低、开裂、吸水等,因而要进一步扩大其应用领域还需在发泡剂、配合比、工艺流程、设备等方面做更进一步的研究。泡沫混凝土一定会迎来它的新时代,一个更广阔的未来!
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