泡沫水泥基材料性能特点及改性研究

朱建霆 宋能

（金华市消防救援支队）

0 引言

随着地球资源的日渐枯竭、全球极端天气的增加，节约能源、降低碳排放、绿色环保成为全球热点话题。最新数据显示建筑能耗占我国能耗总量约30%，并且建筑能耗将逐年增加，因此，建筑节能是降低我国总能耗的必要手段。墙体的热损失约占房屋建筑总热损失26%，门窗、地面及屋顶、外墙等围护结构造成的热损失超过整个房屋总热损失的60%。由此得出，对建筑外围护采取保温措施可以有效降低房屋热量损耗。

图1 房屋热量损耗组成

泡沫水泥基材料通过物理方法将大量气泡引入水泥基材料中，在水泥基材料内部形成多孔结构，从而使得水泥基材料具有隔热保温、轻质、隔声等优点，因此泡沫水泥基材料被广泛运用作建筑外墙保温材料、非承重墙体材料、室内装修材料等。在制备泡沫水泥基材料时能再次利用工业废渣，提高了资料利用率，因此泡沫水泥基材料具有环保、低成本的优点。在使用泡沫混凝土过程中也存在一些问题，比如材料的强度低、质量不可控、吸湿性大、弹性模量低等。本文介绍了泡沫水泥基材料的性能特点以及泡沫水泥基材料的一些性能缺陷，针对泡沫水泥基材料存在的问题介绍了三种改性方法：以减水剂为代表的化学外加剂对泡沫水泥基材料的强度和吸水性能的改善；以可再分散乳胶粉聚合物对泡沫水泥基材料改性，改善泡沫水泥基材料的冲击韧性；使用矿物掺合料改善水泥基材料力学性能。

1 泡沫水泥基材料性能研究

1.1 泡沫水泥基材料优势

在拌合的过程中，采用物理或化学方法将发泡剂制成的泡沫加入到水泥基材料中，将材料搅拌均匀后成型，并养护至规定龄期。浆体硬化后，水泥基材料的内部形成了大量的封闭气孔。在水泥基材料内部引入气孔使泡沫水泥基材料具有轻质、保温、吸声、隔热、抗震等特点。

1.1.1 轻质

砂浆的密度约为2100kg/m3，通过在砂浆中引入大量气孔增加砂浆内部的孔隙率，降低砂浆的密度。制备的泡沫水泥基材料的绝干密度通常在300～1200kg/m3范围内，低于200kg/m3的称为超轻泡沫水泥基材料[1]，目前已有密度仅为120kg/m3的超轻泡沫水泥基材料被运用于建筑工程[2]。泡沫水泥基材料自重小，在用于建筑物填充时，可以有效减少地基沉降、减轻结构负重。实际工程运用中，泡沫水泥基可用于拱桥的加固维修、减轻桥体自重、提升拱桥的承载能力[3]。

1.1.2 保温隔热

空气的比热容高于固相材料，泡沫水泥基材料中大量气孔有效阻隔了热传递，因而水泥基材料的导热系数降低。泡沫水泥基的导热系数与干密度正相关，在一定范围内，干密度随着导热系数降低而减少。相关研究还表明，温度也影响泡沫水泥基材料的导热系数，随着温度升高，泡沫水泥基材料的导热系数增加[4]。一般条件下，多孔的泡沫水泥基材料的导热系数为0.08～0.3w/(m·k)，而普通粘土砖的导热系数约为0.8w/(m·k)。因此，采用具有较高保温隔热效果的泡沫混凝土替代传统的保温隔热墙体材料，可以降低建筑能耗。

1.1.3 耐火

与传统的聚合物保温板相比，以无机材料制备的泡沫水泥基材料具有良好的耐火性能，泡沫水泥基材料耐火等级为A 级，为不燃耐火材料，耐火极限长。对绝干密度为300～900kg/m3泡沫水泥基材料进行测试，它的耐火极限在1.5～2.7h 之间，符合《建筑防火设计规范》要求[5]。

1.1.4 其他

除上述提到的三种主要优势外，泡沫水泥基材料还具有吸声、缓冲、调湿以及抗震等突出优势。其优势来源于泡沫水泥基材料中引入的大量气孔，当气孔在水泥基材料内部以连通孔隙的形式存在时，材料具有良好的吸声效果，并且室内的湿气可以通过连通孔隙扩散，进而达到室内调湿的作用。大量的气孔使得泡沫水泥基材料具有较低的的弹性模量，使得材料具有缓冲减震的作用。因而泡沫混凝土也被广泛运用于民用安全防护、室内吸声装饰、建筑保温隔热、防火等领域。

1.2 泡沫水泥基材料存在的问题

在我国现有的市场下，泡沫水泥基材料常出现质量参差不齐的问题，缺少完善的体系指导泡沫水泥基材料生成和使用。在性能方面，泡沫水泥基材料存在强度低、容易出现开裂收缩、脆性大、耐久性差、吸收率高等问题，从而限制了泡沫水泥基材料的运用。针对这些问题，常在泡沫水泥基材料中加入其他组分对其进行改性，解决泡沫水泥基材料的强度低、开裂收缩、吸水率高等问题。

2 泡沫水泥基材料改性方法

2.1 化学外加剂改性泡沫水泥基材料

实际工程运用中，泡沫水泥基材料除了发挥保温隔热功能，同时还需具有一定的力学强度以发挥承载的作用。常采用减水剂降低水灰比的方法提高泡沫水泥基材料的抗压强度。以萘系减水剂为例，在泡沫水泥基材料中掺入0.35%的减水剂，结果表明，泡沫混凝土7d 及28d 的抗压强度普遍提高，并且随着密度等级的增加，减水剂提高泡沫混凝土抗压强度的效果越好[6]。掺入减水剂引起水灰比下降，浆体内部连通孔隙减少，浆体内部结构更紧密，由此得出，减水剂对混凝土抗压强度的提高有一定效果。

图2 泡沫混凝土抗压强度（7d）

图3 泡沫混凝土抗压强度（28d）

掺入减水剂除了对泡沫水泥基材料的抗压强度有提升，还能减小泡沫混凝土的质量吸水率[6]。在水泥基材料内部的孔隙分为连通孔、封闭孔以及半封闭孔，而造成泡沫水泥基材料吸水率过大的主要原因是连通孔及半连通孔的存在。在泡沫混凝土中掺入萘系减水剂促进了泡沫混凝土凝结，一方面减少了水分蒸发，另一方面减小了连通孔生成的概率。

2.2 聚合物改性泡沫水泥基材料

泡沫水泥基材料中孔隙率过高会导致材料的脆性大，当材料遭受冲击时容易发生断裂。在水泥基材料中添加聚合物能通过改善孔结构，从而弱化材料脆性[7]，因而在泡沫水泥基材料中添加聚合物能达到一定的增韧效果，进而改善材料在冲击条件下的韧性。乙烯-醋酸乙烯酯共聚(EVA)可再分散乳胶粉对高孔隙率泡沫水泥基材料力学性能的影响研究中发现，聚合物能在硬化浆体内部形成具有粘结性的连续聚合物网络（图4），从而能改善水泥基内部浆体的界面结构[8]。聚合物改性后的泡沫水泥基材料抗冲击韧性提高，并且聚合物掺量越高，材料遭受冲击时吸收的能量越多，抗冲击韧性越好。段东方[9]等人采用EVA 对泡沫水泥基材料改性，观察到材料中孔结构更加均匀、孔径变小，同时测得材料的导热系数降低。徐洛屹[10]等研发的聚合物改性泡沫水泥基材料干密度仅为150～190kg/m3，具有轻质、低吸水率、防火和高耐久性等优点，综合性能优异。

图4 泡沫水泥基材料SEM 图[8]

毛细孔中水份蒸发产生的收缩应力导致泡沫水泥基材料发生干缩，以聚合物改性泡沫水泥基材料，减少浆体内部的毛细孔隙，进而减少毛细孔的水份含量，同时聚合物的存在能填充骨料间隙限制材料收缩[11]。由图5 可知，各龄期下聚合物改性泡沫水泥基材料的干缩值小于空白组，说明聚合物能提高泡沫水泥基材料抗干缩能力，并且收缩值在14d 后趋于稳定。

图5 聚合物改性泡沫水泥基材料收缩性能

2.3 矿物掺合料改性泡沫水泥基材料

矿物掺合料在传统混凝土中的作用机理主要是火山灰效应以及微集料效应。矿物掺合料在泡沫水泥基材料中的作用机理区别于传统混凝土，矿物掺合料在泡沫水泥基材料制备过程中的作用主要有以下：泡沫往往在水泥基材料中分散不均匀，引入矿物掺合料能改善新拌浆体的和易性，帮助泡沫分散均匀，增加气孔数量，改善水泥基材料的孔分布；泡沫的存在导致了浆体内水化不充分，浆体硬化后强度低、性能差，用于泡沫水泥基材料改性的矿物掺合料往往具有较高的活性，从而弥补水化不充分的缺陷[12]。

常用于水泥基材料的活性掺合料有矿粉、粉煤灰、硅灰等。Jones 等[13]以细粉煤灰代替原材料中部分的水泥，粗粉煤灰替代粗骨料，研究了粉煤灰改性泡沫水泥基材料的力学性能，研究发现粉煤灰对减少泡沫水泥基的干缩有明显效果，其中细粉煤灰改善了泡沫水泥基材料内部的孔隙结构，粗粉煤灰的加入使得泡沫水泥基材料的干缩显著减少。在密度等级为800～1400kg/m3的泡沫混凝中加入硅灰改性后，得到了抗压强度为15～45MPa 的高强泡沫混凝土[14]。微粉硅粉加入到水泥基材料中可以提高泡沫水泥基材料早期的力学强度，但硅粉对泡沫水泥基材料的干缩改善效果甚微[15]。矿物掺合料的质量也会影响改性效果，以低等级粉煤灰取代原材料中部分水泥后，泡沫水泥基材料在各干密度等级的力学性能变差，且抗压强度均下降，取代量越高，抗压强度越低，只有当干密度等级较高时，低等级粉煤灰对抗压强度的影响较小。为了保证质量，低等级的粉煤灰仅适用于制备高密度等级的泡沫水泥基材料[16]。

3 结论与展望

泡沫水泥基材料是一种具有保温隔热效果好、环保节能、吸声隔音、减震抗震等优点的节能环保的新型建材，并且泡沫水泥基材料可以在工厂预制后到现场装配，能大幅提高施工效率，同时泡沫水泥基材料也能满足现浇的要求，满足多种条件下的施工。泡沫水泥基材料的推广，尤其是用于房屋建设时，不仅降低了建筑的能耗，而且节约了资源。

但泡沫水泥基的运用也受限于它的性能缺陷，如前文提到的强度低、干缩大、吸水率大以及脆性大等。利用化学外加剂、矿物掺合料、聚合物等改性后，泡沫水泥基材料在力学性能（抗压强度、收缩开裂等）上得到了改善，具有较好力学性能的泡沫水泥基材料在其他领域的运用得以扩展。随着泡沫水泥基材料的进一步推广，泡沫水泥基材料的很多性能有待进一步研究，比如冻融环境中泡沫水泥基材料抗冻融行为及机理研究；引入的泡沫对水泥基材料中水化产物及水化进程的影响；泡沫水泥基材料中孔的特征对其保温、隔音、强度等性能的影响；高温环境中泡沫水泥基材料物化性能的改变；以及各种适用场景下，泡沫水泥基材料的性能研究。

目前泡沫混凝土研究中存在的较大问题是没有统一的标准来规范泡沫水泥基材料的配比及施工，缺乏适用于泡沫水泥基材料的实验方案，并且泡沫水泥基的性能没有统一的衡量标准。这使得泡沫水泥基材料在推广使用过程中容易出现质量偏低的现象。

综上，对泡沫水泥基材料的研究不应仅限于对其性能的研究，还应尽快制定出更完善的行业标准，保证泡沫水泥基材料的质量。