多孔混凝土的发展现状及性能分析

王 静 潘美云 张美香

（1.镇江蓝舶科技股份有限公司，江苏 镇江 212013；2.江苏虹普电子材料科技有限公司，江苏 句容 212405)

0 引言

随着社会科学技术的发展，人们对建筑材料性能的需求不断增加，不仅需要建筑材料在耐久性能、力学性能等基础性能得到提高，而且希望建筑材料在强度、节能、隔音、防水、美观等方面也能加强[1]。现阶段，自然环境中的资源不断地减少，使得节能环保、持续发展等理念不断渗入，要求建筑材料能够成为节能环保、绿色再生资源，不仅能提高建筑材料的循环利用，还能缓解建筑垃圾占用大量土地资源等。

现阶段对材料的研究转向质量轻、性能好、用途广及可回收等方向，多孔材料在降低致密性的前提下来提高它的应用范围，因为孔隙的存在，不可避免的会降低一些力学性能，但正是因为孔隙的存在，可以提高它的吸附、过滤及减震等应用性能。目前多孔材料应用非常广泛，已经成功制备出了不同孔隙率的多孔镍、多孔铝、多孔镁、多孔不锈钢及多孔混凝土等材料。

1 多孔混凝土的发展

混凝土材料是目前建筑材料中用途广、用量大的建筑材料。为满足不同环境的使用要求，混凝土材料的种类及性能不断增加，产生了多种用途的混凝土材料，如高性能混凝土、纤维混凝土、高强度混凝土、多孔混凝土以及耐酸混凝土等。其中多孔混凝土材料也称生态多孔混凝土，以其低密度、高比表面积等结构特点，以及隔音隔热、缓冲吸能、吸附交换及过滤杂质等功能，成功的被应用在航空航天、环保净化、建筑施工、石油化工、交通运输以及机械制造等领域。

1930 年，欧洲开始研究应用多孔混凝土，主要应用于轻质墙体建设，相较于普通的混凝土材料，多孔混凝土施工过程中所需的胶质材料少，因此，多孔混凝土材料常被用作砖块的替代品，广泛应用在房建工程当中。后来慢慢开始应用于人行道路、停车场等场合。1970 年，美国东南部首次将多孔混凝土材料作为透水材料用于人行道路铺装[2]。Chindaprasirt 等学者[3]发现多孔混凝土在制备过程中胶凝材料含量、水灰比以及搅拌时间可以决定其稳定性能。Ibrahim 等[4]通过采用不同粗骨料粒径的原材料和水胶比，制备出不同孔隙率的多孔混凝土材料，并对不同孔隙率材料的耐久性能和力学性能进行分析研究。1995 年，日本提出生态混凝土材料，研究其设计、施工、养护、制备方法等对材料性能的影响，首次将多孔混凝土材料应用于吸附污染物等环境中。

我国对多孔混凝土材料的研究较晚，起源于1950 年，中国科学院成立了我国首个多孔混凝土试验中心；1954 年，我国首次生产泡沫混凝土并将其用于建筑保温。清华大学研究员在多孔混凝土的制备过程中添加了外加剂，用于改善材料内部的微观结构，用以提高混凝土中水泥的结合能力，使得最终的多孔混凝土材料具有高的耐磨损性能和耐久性能。长安大学郑木莲教授团队系统性地研究了用于路基铺装的多孔混凝土材料，研究不同添加物对多孔混凝土材料透水性能的影响，通过对多孔混凝土内部取样，研究其核心内部的力学性能和孔隙分布等。东南大学学者在1997 年开始研究多孔混凝土材料对水质净化的能力，根据不同尺寸试样的孔隙率研究其透水性能和物理力学性能，匹配出强度与透水性能较好的多孔混凝土材料，并在后期将其成功应用于污染的河道。目前，多孔混凝土材料已经成功在奥林匹克公园和鸟巢工程等周边项目中得到成功应用。

2 多孔混凝土性能分析

多孔混凝土由粗骨料、水泥、增强剂以及水按照一定的比例调配，再将发泡剂溶液加入水泥浆体内，采用体积法或质量法进行配比，根据制定的目标孔隙率进行制备。原料调配好之后采用机械搅拌的方式进行调配混合而成，通过搅拌—倒模—人工及机械压实—洒水养护，来得到目标孔隙率的较高强度，较好孔形貌特征及轻质的多孔混凝土材料[5]。根据不同材料的配比以及发泡剂含量的多少，可以改变内部孔洞的立体均匀分布，得到不同孔隙结构的多孔混凝土材料。

根据造孔的方式，多孔混凝土可分为加气混凝土、轻骨料混凝土和泡沫混凝土。根据孔洞的大小进行分类，可以分为以下三种：孔洞＞50μm 的孔结构成为气孔结构；孔洞在50nm～50μm 之间的成为毛细孔结构；孔洞在0.5～50nm 之间的成为凝胶孔结构[6]。其中多孔混凝土中的骨架主要有粗骨料形成，采用水泥及粘结剂等进行包裹，可以保证多孔材料根据内部不同孔的形貌特征，具有一定的力学性能，满足其应用的实际工程环境。

2.1 多孔混凝土的透水性能

多孔混凝土材料应用在路面铺装上，其更好的透水性能能够保证水分迅速从材料表面渗出，不仅改善了城市环境的排水系统，而且也可以减缓雨水等造成的路面积水情况。

多孔混凝土材料的透水性能，根据孔隙率的大小以及孔隙的结构形式决定。根据多孔混凝土材料的透水性能，孔隙可以分为三种形式，一种是完全封闭的闭孔结构；一种是开口形式但不连续的孔隙；最后一种是贯穿于材料内部的连续孔结构。连续性孔结构是多孔混凝土材料透水能力基础。在制备的过程中通过控制均匀混料时间，计算添加剂的含量以及原材料颗粒细度等方式，来得到更多的连通孔隙，进而提高材料的透水性能。但随着透水能力的增强，其内部的抗压能力迅速降低。现阶段试验研究得出，在保证多孔混凝土材料在具有一定强度的范围内，又能保证其材料具有一定的透水性能，试验得到的最佳孔隙率范围为15%～20%[7]。

2.2 多孔混凝土的净化水质性能

多孔材料微观结构具有连续的孔洞，形成较大的比表面积，因而具有很强的过滤和吸附能力。通过利用多孔材料的孔结构及内部化学离子的交换功能对水中的杂质污染物等进行吸附，改善水环境中的质量。

多孔混凝土材料的吸附方式有物理吸附、化学吸附及生物吸附三种。物理吸附是通过在制备过程中改善孔隙率的大小以及孔隙微观形貌，来促使多孔材料对水环境中污染物进行过滤吸附[8]；化学吸附是在微孔的表面覆盖一层泥浆，通过在水中浸泡，促使泥浆中的阳离子如镁离子、氯离子等析出，来吸附水环境中的阴离子，以达到吸附水中杂质的目的；生物吸附是在水环境中通过添加外加剂，使得多孔材料的孔结构部位形成一层生物膜，利用生物膜的特性吸附水中杂质[9]。大量的试验研究表明多孔混凝土材料在污染严重的水环境下吸附能力明显，并且在动态条件下吸附效果更佳。

2.3 多孔混凝土的力学性能

对一般材料而言，在相同的情况下，材料的强度与其致密情况成正比，孔隙率越高，多孔材料的力学性能就会差；相反，孔隙率越低，多孔材料的力学性能就会更高。因此，在制备之前，根据设定的目标孔隙率，进行配合比的设计，计算出准确的添加剂含量，在制备过程中严控原材料的粒度及搅拌混匀时间，确保在得到目标孔隙率及孔形貌的同时，能够通过所加入的添加剂与骨料之间结合力得到更好的强度值。

多孔混凝土材料是一种复合材料，其力学性能不仅与材料的孔隙率有关，而且与制备时的水灰比、骨料的粗细等有关。在同样的孔隙率的条件下，随着水灰比的增加，材料的抗压、抗折性能呈现出先增加后减少的趋势。有试验研究表明当多孔材料的密度为10%～25%，水灰比为0.35 时，多孔材料的抗压强度为最大值，并且孔隙率越小，材料的抗压性能越明显。原材料中使用细骨料制备得到的多孔材料，其抗压、抗折性能优于使用粗骨料。因为细骨料之间的接触点较多，比表面积大，不仅保证了多孔混凝土材料的结构稳定性能，而且减少了水泥中游离水分的流动，稳定了材料的力学性能。

相对于致密性材料而言，多孔材料的力学性能较差，当多孔混凝土材料在使用过程中受到一定的压力时，其存在孔隙的边角等位置的粗骨料是最容易脱落的，逐渐从边沿进行延伸，直到所承受的压力达到了粘结剂与骨架之间的结合力的极限值，此时多孔材料的抗压能力达到最大。

2.4 多孔混凝土抗冻性能

为满足材料用于过滤环境，其必须具备一定的贯通孔，但孔隙的存在不仅使得材料的性能降低，并且由于孔隙的存在，多孔混凝土材料孔隙内具有一定量的水分，这就使得材料在使用的过程中，根据周边环境的影响容易出现热胀冷缩现象，温度较低时孔隙中的水分凝结成冰，产生一定的收缩，使得骨架之间的结合点容易出现断裂，造成多孔混凝土材料外表面出现裂纹，剥落，甚至最终脱落现象。多孔材料孔隙率越大，其中孔隙中的水分越高，随着季节变化，不断经历着冷冻、融化再冷冻、融化等现象，会使得材料经历过多次冷融后出现失效现象，循环的次数越多，骨料之间的结合力逐渐降低，孔隙也逐渐开始聚合，大孔隙吞噬小孔隙，孔隙越来越大，强度越来越小，致使多孔混凝土的表面从开始脱落到产生裂纹的现象就会越来越严重。相反，孔隙率越小，孔隙越少，其内部存在的水分较少，在经历不断的冷冻融化现象后，其孔隙内部的体积变化较小，对多孔材料内部骨料结构以及外部的破损状况影响较小，因此其抗冻性能就会好于孔隙率高的材料。

多孔混凝土材料的抗冻性能明显低于致密的混凝土材料，采用速冻法试验研究，其偶发性（不可控性）较大，采用慢冻试验进行研究，其消耗时间较长，因此到目前为止，多孔混凝土材料的抗冻性能研究还不够成熟，没有更完整或合适的试验研究及理论依据来进行支撑，至今仍是研究者们的研究重点。

3 结束语

多孔混凝土材料的内部微观结构较为复杂特殊，在制备的过程中可以控制材料内部孔的形貌特征，通过调整原材料的方式来得到不同孔隙的多孔材料。贯通孔较多的多孔材料可以提高材料的透水性能，吸附性能等，但同时也会降低材料的力学性能以及后期应用过程中的抗冻性能。在得到高孔隙率的混凝土材料的同时，也会降低材料的部分性能。为此，在后期的研究中可以通过不同的方式，如调整制备过程中的设计理念，制备过程适当加入添加剂改善力学性能，原材料的形貌进行筛选等，制备出透气、吸附性能、力学性能以及抗冻性能优异的多孔混凝土材料，提高在不同的工程实际环境中的应用。