泡沫混凝土常见问题分析与对策

泡沫混凝土，20世纪30年代提出，同世纪50年代在美、苏等国应用于建筑工程。我国于20世纪90年代开始引进、应用此项技术。随着科学发展观逐 步深入人心，我国对建筑节能的要求也在提高。轻质泡沫混凝土由于具有质轻、高强、节能、利废、保温、隔音、耐老化、不易燃等性能，因而其开发研究和应用在 国内外受到了越来越多的重视[1-4]。然而在我国，泡沫混凝土，特别是500kg/m3以下的轻质泡沫混凝土产品，由于存在表面粗糙、鼓泡、开裂，内部 有空鼓、窜孔，整体疏松或上下抗压强度差异显著、总体抗压强度偏低等问题，其应用和推广受到很大影响[5-7]。文献[5-7]，虽然提出了泡沫混凝土产 品存在的问题，但原因分析和解决对策偏重于宏观和概念化，或者说在可操作性上尚有欠缺。为此，本文拟就泡沫混凝土生产中存在的这些问题进行有针对性的分 析，并力求找到相应的解决办法。

1 泡沫混凝土结构缺陷与抗压强度偏低的原因分析

1.1 泡沫混凝土表面粗糙、窜孔、密度不匀、抗压强度偏低的原因

当泡沫单独存在时，泡与泡是紧密排列的，如图1（a）所示。在泡沫内部，立体几何知识告诉我们，就某个气泡而言，在紧密排列的情形下，在该泡周围、泡心与 该气泡泡心共面的气泡可有6个、并且只能有6个；而在该平面上方或下方，都分别只能有3个气泡与中心气泡紧密接触。这表明在泡沫中，没有一个泡是真正的球 形，而是一个正十二面体。在水泥、粉煤灰浆料中，见图1（b），必须有足够的水满足下列需要：①充分润湿水泥、粉煤灰颗粒表面；②水泥初期快速水化所需的 水分；③泡沫表面吸附水分。否则，在搅拌过程，易导致泡沫破裂。就泡沫与水泥、粉煤灰浆料的混合过程而言，由于泡沫和水泥、粉煤灰浆料的连续相均为水相， 因而水在这里起着“桥梁作用”，见图1（c）。在混合过程中，水泥或粉煤灰颗粒完全可能使泡壁向内凹陷。如果发泡剂是简单的小分子表面活性剂，物理化学原 理告诉我们，这种泡沫最容易破裂；如果添加高聚物作为稳泡剂，那么高聚物分子的两端完全有可能同时吸附在两个或多个泡表面，它势必阻挡水泥、粉煤灰颗粒进 入这些泡之间，强行搅拌，就难免将泡拉破。图1（d）告诉我们，即使发泡机生产的泡沫泡径再均匀，由于泡沫表面的泡与其内部的泡所处环境不同，致使泡沫接 触水泥、粉煤灰浆料后必定会产生少量的大泡或小泡。表面化学原理告诉我们，相邻的小泡和大泡，由于小泡的附加压力大于大泡的附加压力，故小泡会破裂，使大 泡更大。泡沫破裂，使2个、3个、以致多个气泡合成一个气泡。这个过程使泡沫的总表面积不断缩小。由于每个气泡所处的环境以及它们的初始直径差异，大泡会 越变越大，这就是泡沫混凝土表面粗糙、鼓泡、内部窜孔、空鼓产生的原因。泡沫破裂在形成大泡的同时，必有一部分表面活性剂被吸附在水泥、粉煤灰颗粒表面， 从而影响水泥与水泥、水泥与粉煤灰之间的凝结。这种情况，在高容重的情况下，由于因吸附表面活性剂而全部或部分失去凝结能力水泥、粉煤灰颗粒相对较少，因 而对水泥与水泥、水泥与粉煤灰之间的凝结影响也较小。然而在低容重的情况下，如果泡沫破裂达到50％以上，则泡沫混凝土的抗压强度将显著下降，即出现整体 疏松或上下抗压强度差异显著以及总体抗压强度偏低的问题。

理论推算和实验现象都证明，大泡所受的上升力远大于小泡。当大泡大到其所受上升力足以克服其所受阻力时，就会上浮。如果上浮过程较慢，即在混凝土浆料初凝后大泡仍未到达混凝土浆料表面，则虽不会出现“塌模”，但会出现泡沫混凝土上下抗压强度差异的问题。

如果发泡剂含有如阿拉伯胶、羟丙基纤维素醚等物质，或另外在泡沫混凝土浆料中添加此类物质，虽然可以减少破泡率，避免破泡表面活性剂对泡沫混凝土浆料凝结 的影响，使所得泡沫混凝土抗压强度有所提高，但这些物质本身也会影响泡沫混凝土浆料的凝结，导致泡沫混凝土的比抗压强度仍不能令人满意。

1.2 泡沫混凝土产生“鼓泡”、“空鼓”的原因

“空鼓”现象的发生，不是泡沫混凝土的“专利”。一般的水泥砂浆，无论是抹墙或者是铺地，如果水泥砂浆接触的表面处理不好同样会产生“空鼓”。泡沫混凝土 产生“空鼓”，说到底是在地暖和屋面泡沫混凝土浇注施工前，浇注泡沫混凝土的表面不平整，或吸水能力有较大差异、或粉尘清理不干净，甚至有油污造成的。浇 注表面较高的地方或粉尘较多的部位，在用水洒湿浇注表面时，往往吸水不足。因而在泡沫混凝土浆料浇注后，这些部位将继续从泡沫混凝土浆料中吸收水分并排出 其内部的空气。如果排出空气的速度较快，便产生“鼓泡”；如果这种空气排出过程所需的时间长于泡沫混凝土浆料初凝的时间，就必然会产生“空鼓”。

2 泡沫混凝土开裂的原因分析

普通水泥制品，若不使用沙子，照样存在开裂问题；若仅使用沙子不使用石子，经过几年的冬夏冷热变化仍然会开裂；若使用沙子、石子而不是用钢筋，经过几十年 的时间，开裂的情况也屡见不鲜。可见，开裂是硅酸盐等胶凝材料的经不起恶劣气候影响的特性之一。然而，对于3～4级泡沫混凝土的内部结构而言，形成泡壁的 混凝土厚度一般在零点几毫米，并且众多相互连接的泡壁形成了曲曲折折的结构，按说低级别的泡沫混凝土应具有比普通混凝土更好的伸缩性能。关于这一点，实验 室的冷热试验（-15～50℃，400次）也表明3～4级泡沫混凝土的确具有很好的抗冷热冲击性能。那么，在实际生产中，为什么泡沫混凝土总是出现开裂现 象呢？人们首先想到的是“实验室的泡沫混凝土块头太小”，如果真是如此，那也应当在排出了其他影响因素之后再讲：“哪个级别的泡沫混凝土、在什么尺寸范围 内才具有较好的抗裂性能。事实上，材料的不均匀性、柔韧性、内应力、干缩、冷热冲击以及材料的晶化等都是是造成其开裂的原因。其中冷热冲击是材料必须面临 的环境因素，而柔韧性、内应力、干缩、材料的晶化是材料的固有特性。对于地暖和屋面泡沫混凝土保温层，导致其开裂的重要原因还在于泡沫混凝土终凝之后，它 较其附着的基材仍有很大的收缩比。因此，要减少或者消除泡沫混凝土的开裂，只能从力求制备均匀的泡沫混凝土浆料和添加抗裂材料着手。

3 泡沫混凝土常见问题解决对策

3.1 选择最佳的发泡剂是解决表面粗糙、窜孔、密度不匀、抗压强度偏低的关键

要保证泡沫混凝土的质量，选择发泡剂应首先看其泡沫在混凝土浆料中的稳定性，其次看发泡倍数是不是足够大。这是因为，泡沫在混凝土浆料中比较稳定就意味着 破泡很少，泡径变大的速度很慢，气泡所受上升力不能克服其所受阻力，于是形成整体密度均匀的混凝土浆料，这就避免了由于发泡剂方面引起的泡沫混凝土的常见 问题，如鼓泡、内部窜孔、空鼓和上下密度差异等问题；虽然泡沫在水泥、粉煤灰浆料中混稳定，但发泡剂本身的发泡倍数很低，那么单位质量发泡剂的泡沫混凝土 产量肯定也上不去。

传统泡沫剂存在起跑组分与稳泡组分相互制约的矛盾。“泡老大”牌LC-01型泡沫混凝土发泡剂，具有图2所示结构，它集起泡与稳泡功能与一身，不但发泡倍 数可达5.3m3/kg（泡径0.2mm），而且接触水泥、粉煤灰浆料后会变得更稳定。其所以发泡倍数高，是因为这种泡沫剂，如同普通表面活性剂一样，可 以降低水的表面张力，不像传统发泡剂的稳泡组分“高聚物”那样，一方面稳了泡，另一方面又增加了水的表面张力，降低了发泡倍数。

LC-01型发泡剂，其泡沫表面亲水集团与水分子的“氢键作用力”与水泥、粉煤灰颗粒表面与水分子的“氢键作用力”均小于水泥、粉煤灰颗粒与泡沫表面亲水 集团的“化学键力”，因此，LC-01型发泡剂泡沫容易与水泥、粉煤灰浆料混合。加上其羧基能与钙离子键合，故在水泥浆料中，能在泡沫的泡表面形成球形网 状结构，从而使泡沫变得更加稳定。

由于发泡倍数与泡径成正比，工业发泡机的泡沫直径较小，故实际生产中，“泡老大”发泡剂的发泡倍数约为3.5～4.0m3/kg，故其实际使用效率为 3.8m3/kg，即使用32.5号水泥、掺入40％粉煤灰，每公斤“泡老大”发泡剂可生产4级泡沫混凝土3.8m3/kg。该试块28天的抗压强度 ≥1.0MPa。

“泡老大”发泡剂的特殊结构以及允许粉煤灰的掺入，对提高泡沫混凝土的抗压强度和防止泡沫混凝土的开裂也是十分有利的。

3.2 选择发泡剂最佳的稀释倍数

每一种泡沫混凝土发泡剂，都存在一个最佳的稀释倍数。这是因为在发泡剂原液中，表面活性剂的绝大部分都是以胶束的形式存在。稀释倍数过小，势必有一部分表 面活性剂仍保持胶束状态，这不仅浪费了发泡剂，而且这些胶束在混凝土浆料中势必影响混凝土的凝结。稀释倍数过大，泡沫表面必会含有较多的、由水分子形成的 易破碎表面，导致泡沫破裂。此外过量的无用的水分从泡沫混凝土浆料中泌出，也将导致泡沫混凝土表面下降。理论上说，某种发泡剂的最佳稀释倍数，应能使一定 量发泡剂生成泡沫的总面积与其所含表面活性剂按“头并头、脚并脚” 紧密排列时所占有的面积相等。

3.3 选择最佳的水灰比

由发泡剂泡沫与混凝土浆料的作用过程分析可知，水灰比加大，则泡沫与混凝土浆料易于混合，泡沫破损率将降低，这显然有利于泡沫混凝土浆料的凝结[2]。但 是如果过大，一方面会增加泡沫混凝土浆料的初凝时间，另一方面多余的水分泌出会引起泡沫混凝土表面下降。如果水灰比太小，一方面搅动混合时，易引起泡沫破 裂，另一方面会降低泡沫混凝土浆料的流动性，引起泡沫混凝土表面粗糙。有同志提出，用减水剂来提高泡沫混凝土浆料的流动性问题，笔者认为这不是一个好办 法。因为对优质泡沫混凝土发泡剂，木质素磺酸盐，羟丙基纤维素醚等减水剂，最终会使泡沫混凝土的抗压强度降低；但对那些劣质发泡剂而言，使用减水剂可以减 少破泡率，两因素相抵，总的来说抗压强度还是能提高一些的。

3.4 改进泡沫混凝土发泡机

现有的泡沫混凝土发泡机，存在的弊病有四：一是水泥、粉煤灰的配料比、水灰比靠人工凭经验确定，很难保证泡沫混凝土的均质要求；二是泡沫与水泥浆料的混合 比，随着楼层的升高而变化，且很难生产300kg/m3的泡沫混凝土；三是泡沫混凝土浆料输送过程中，泡泡率随着楼层升高迅速升高，难以保证高层楼层泡沫 混凝土制品的质量；混合管设计不合理，容易导致破泡且难以保证水泥浆料与泡沫混合均匀。因此可以说，现有的泡沫混凝土发泡机是导致泡沫混凝土开裂的重要原 因之一。

为此，我们设计开发了新一代泡沫混凝土发泡机，即《高层泡沫混凝土产输机》，并且申请了国家专利（201020242955.5）。《高层泡沫混凝土产输 机》设计了结构新颖的的“泡沫与混凝土浆料混合管”，发泡剂的稀释比、水泥和粉煤灰的配比、水灰比以及水泥浆料与泡沫的混合比等参数可以提前设置，并由机 械控制，不存在输送过程中的泡沫破裂问题，输送高度仅受液压泵的输送功率限制，所需总动力也比传统发泡机降低20％左右。新设计的泡沫、浆料混合管，不但 混合均匀，而且不易破泡，并允许使用聚丙烯等短纤维作为泡沫混凝土的抗裂剂。水泥、粉煤灰总质量的0.2～0.4％的聚丙烯等短纤维的加入就可以有效地防 止泡沫混凝土的开裂。

3.5 做好待浇注泡沫混凝土场地的表面处理

由1.2节的分析可知，做好待浇注泡沫混凝土场地的表面处理是防止泡沫混凝土保温层产生“空鼓”的有效措施，越是质量好的发泡剂，越是要注意这个问题。这 是因为，由质量差的发泡剂制得的泡沫混凝土浆料，一旦接触吸水性强的界面部位，会立即破泡、离析并在这些部位生成一层致密的混凝土保护层，从而使人们观察 不到“空鼓”的现象，但与此同时，泡沫混凝土的其他毛病如疏松、密度不匀、开裂、抗压强度偏低等将与之伴生。

4 结 论

决定泡沫混凝土质量的客观因素之一是发泡剂的质量好坏；客观因素之二是发泡机的性能。对于一个存在先天缺陷的发泡剂，即使发泡剂的稀释倍数、水灰比都调到 最佳状态，精心施工、合理养护也难免不出现这样或那样的问题。因此，认真探讨发泡剂的作用原理、泡沫与水泥、粉煤灰浆料的混合机理，寻找出各种影响泡沫混 凝土质量因素，对我们解决泡沫混凝土的常见问题都将是有益的