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泡沫混凝土常見問題分析與對策
發布時間:2013-9-8 14:25:03 閱讀:1614
泡沫混凝土,20世紀30年代提出,同世紀50年代在美、蘇等國應用于建筑工程。我國于20世紀90年代開始引進、應用此項技術。隨著科學發展觀逐 步深入人心,我國對建筑節能的要求也在提高。輕質泡沫混凝土由于具有質輕、高強、節能、利廢、保溫、隔音、耐老化、不易燃等性能,因而其開發研究和應用在 國內外受到了越來越多的重視[1-4]。然而在我國,泡沫混凝土,特別是500kg/m3以下的輕質泡沫混凝土產品,由于存在表面粗糙、鼓泡、開裂,內部 有空鼓、竄孔,整體疏松或上下抗壓強度差異顯著、總體抗壓強度偏低等問題,其應用和推廣受到很大影響[5-7]。文獻[5-7],雖然提出了泡沫混凝土產 品存在的問題,但原因分析和解決對策偏重于宏觀和概念化,或者說在可操作性上尚有欠缺。為此,本文擬就泡沫混凝土生產中存在的這些問題進行有針對性的分 析,并力求找到相應的解決辦法。


1 泡沫混凝土結構缺陷與抗壓強度偏低的原因分析


1.1 泡沫混凝土表面粗糙、竄孔、密度不勻、抗壓強度偏低的原因

當泡沫單獨存在時,泡與泡是緊密排列的,如圖1(a)所示。在泡沫內部,立體幾何知識告訴我們,就某個氣泡而言,在緊密排列的情形下,在該泡周圍、泡心與 該氣泡泡心共面的氣泡可有6個、并且只能有6個;而在該平面上方或下方,都分別只能有3個氣泡與中心氣泡緊密接觸。這表明在泡沫中,沒有一個泡是真正的球 形,而是一個正十二面體。在水泥、粉煤灰漿料中,見圖1(b),必須有足夠的水滿足下列需要:①充分潤濕水泥、粉煤灰顆粒表面;②水泥初期快速水化所需的 水分;③泡沫表面吸附水分。否則,在攪拌過程,易導致泡沫破裂。就泡沫與水泥、粉煤灰漿料的混合過程而言,由于泡沫和水泥、粉煤灰漿料的連續相均為水相, 因而水在這里起著“橋梁作用”,見圖1(c)。在混合過程中,水泥或粉煤灰顆粒完全可能使泡壁向內凹陷。如果發泡劑是簡單的小分子表面活性劑,物理化學原 理告訴我們,這種泡沫最容易破裂;如果添加高聚物作為穩泡劑,那么高聚物分子的兩端完全有可能同時吸附在兩個或多個泡表面,它勢必阻擋水泥、粉煤灰顆粒進 入這些泡之間,強行攪拌,就難免將泡拉破。圖1(d)告訴我們,即使發泡機生產的泡沫泡徑再均勻,由于泡沫表面的泡與其內部的泡所處環境不同,致使泡沫接 觸水泥、粉煤灰漿料后必定會產生少量的大泡或小泡。表面化學原理告訴我們,相鄰的小泡和大泡,由于小泡的附加壓力大于大泡的附加壓力,故小泡會破裂,使大 泡更大。泡沫破裂,使2個、3個、以致多個氣泡合成一個氣泡。這個過程使泡沫的總表面積不斷縮小。由于每個氣泡所處的環境以及它們的初始直徑差異,大泡會 越變越大,這就是泡沫混凝土表面粗糙、鼓泡、內部竄孔、空鼓產生的原因。泡沫破裂在形成大泡的同時,必有一部分表面活性劑被吸附在水泥、粉煤灰顆粒表面, 從而影響水泥與水泥、水泥與粉煤灰之間的凝結。這種情況,在高容重的情況下,由于因吸附表面活性劑而全部或部分失去凝結能力水泥、粉煤灰顆粒相對較少,因 而對水泥與水泥、水泥與粉煤灰之間的凝結影響也較小。然而在低容重的情況下,如果泡沫破裂達到50%以上,則泡沫混凝土的抗壓強度將顯著下降,即出現整體 疏松或上下抗壓強度差異顯著以及總體抗壓強度偏低的問題。

理論推算和實驗現象都證明,大泡所受的上升力遠大于小泡。當大泡大到其所受上升力足以克服其所受阻力時,就會上浮。如果上浮過程較慢,即在混凝土漿料初凝后大泡仍未到達混凝土漿料表面,則雖不會出現“塌模”,但會出現泡沫混凝土上下抗壓強度差異的問題。

如果發泡劑含有如阿拉伯膠、羥丙基纖維素醚等物質,或另外在泡沫混凝土漿料中添加此類物質,雖然可以減少破泡率,避免破泡表面活性劑對泡沫混凝土漿料凝結 的影響,使所得泡沫混凝土抗壓強度有所提高,但這些物質本身也會影響泡沫混凝土漿料的凝結,導致泡沫混凝土的比抗壓強度仍不能令人滿意。

1.2 泡沫混凝土產生“鼓泡”、“空鼓”的原因

“空鼓”現象的發生,不是泡沫混凝土的“專利”。一般的水泥砂漿,無論是抹墻或者是鋪地,如果水泥砂漿接觸的表面處理不好同樣會產生“空鼓”。泡沫混凝土 產生“空鼓”,說到底是在地暖和屋面泡沫混凝土澆注施工前,澆注泡沫混凝土的表面不平整,或吸水能力有較大差異、或粉塵清理不干凈,甚至有油污造成的。澆 注表面較高的地方或粉塵較多的部位,在用水灑濕澆注表面時,往往吸水不足。因而在泡沫混凝土漿料澆注后,這些部位將繼續從泡沫混凝土漿料中吸收水分并排出 其內部的空氣。如果排出空氣的速度較快,便產生“鼓泡”;如果這種空氣排出過程所需的時間長于泡沫混凝土漿料初凝的時間,就必然會產生“空鼓”。


2 泡沫混凝土開裂的原因分析


普通水泥制品,若不使用沙子,照樣存在開裂問題;若僅使用沙子不使用石子,經過幾年的冬夏冷熱變化仍然會開裂;若使用沙子、石子而不是用鋼筋,經過幾十年 的時間,開裂的情況也屢見不鮮。可見,開裂是硅酸鹽等膠凝材料的經不起惡劣氣候影響的特性之一。然而,對于3~4級泡沫混凝土的內部結構而言,形成泡壁的 混凝土厚度一般在零點幾毫米,并且眾多相互連接的泡壁形成了曲曲折折的結構,按說低級別的泡沫混凝土應具有比普通混凝土更好的伸縮性能。關于這一點,實驗 室的冷熱試驗(-15~50℃,400次)也表明3~4級泡沫混凝土的確具有很好的抗冷熱沖擊性能。那么,在實際生產中,為什么泡沫混凝土總是出現開裂現 象呢?人們首先想到的是“實驗室的泡沫混凝土塊頭太小”,如果真是如此,那也應當在排出了其他影響因素之后再講:“哪個級別的泡沫混凝土、在什么尺寸范圍 內才具有較好的抗裂性能。事實上,材料的不均勻性、柔韌性、內應力、干縮、冷熱沖擊以及材料的晶化等都是是造成其開裂的原因。其中冷熱沖擊是材料必須面臨 的環境因素,而柔韌性、內應力、干縮、材料的晶化是材料的固有特性。對于地暖和屋面泡沫混凝土保溫層,導致其開裂的重要原因還在于泡沫混凝土終凝之后,它 較其附著的基材仍有很大的收縮比。因此,要減少或者消除泡沫混凝土的開裂,只能從力求制備均勻的泡沫混凝土漿料和添加抗裂材料著手。


3 泡沫混凝土常見問題解決對策


3.1 選擇最佳的發泡劑是解決表面粗糙、竄孔、密度不勻、抗壓強度偏低的關鍵

要保證泡沫混凝土的質量,選擇發泡劑應首先看其泡沫在混凝土漿料中的穩定性,其次看發泡倍數是不是足夠大。這是因為,泡沫在混凝土漿料中比較穩定就意味著 破泡很少,泡徑變大的速度很慢,氣泡所受上升力不能克服其所受阻力,于是形成整體密度均勻的混凝土漿料,這就避免了由于發泡劑方面引起的泡沫混凝土的常見 問題,如鼓泡、內部竄孔、空鼓和上下密度差異等問題;雖然泡沫在水泥、粉煤灰漿料中混穩定,但發泡劑本身的發泡倍數很低,那么單位質量發泡劑的泡沫混凝土 產量肯定也上不去。

傳統泡沫劑存在起跑組分與穩泡組分相互制約的矛盾。“泡老大”牌LC-01型泡沫混凝土發泡劑,具有圖2所示結構,它集起泡與穩泡功能與一身,不但發泡倍 數可達5.3m3/kg(泡徑0.2mm),而且接觸水泥、粉煤灰漿料后會變得更穩定。其所以發泡倍數高,是因為這種泡沫劑,如同普通表面活性劑一樣,可 以降低水的表面張力,不像傳統發泡劑的穩泡組分“高聚物”那樣,一方面穩了泡,另一方面又增加了水的表面張力,降低了發泡倍數。

LC-01型發泡劑,其泡沫表面親水集團與水分子的“氫鍵作用力”與水泥、粉煤灰顆粒表面與水分子的“氫鍵作用力”均小于水泥、粉煤灰顆粒與泡沫表面親水 集團的“化學鍵力”,因此,LC-01型發泡劑泡沫容易與水泥、粉煤灰漿料混合。加上其羧基能與鈣離子鍵合,故在水泥漿料中,能在泡沫的泡表面形成球形網 狀結構,從而使泡沫變得更加穩定。

由于發泡倍數與泡徑成正比,工業發泡機的泡沫直徑較小,故實際生產中,“泡老大”發泡劑的發泡倍數約為3.5~4.0m3/kg,故其實際使用效率為 3.8m3/kg,即使用32.5號水泥、摻入40%粉煤灰,每公斤“泡老大”發泡劑可生產4級泡沫混凝土3.8m3/kg。該試塊28天的抗壓強度 ≥1.0MPa。

“泡老大”發泡劑的特殊結構以及允許粉煤灰的摻入,對提高泡沫混凝土的抗壓強度和防止泡沫混凝土的開裂也是十分有利的。

3.2 選擇發泡劑最佳的稀釋倍數

每一種泡沫混凝土發泡劑,都存在一個最佳的稀釋倍數。這是因為在發泡劑原液中,表面活性劑的絕大部分都是以膠束的形式存在。稀釋倍數過小,勢必有一部分表 面活性劑仍保持膠束狀態,這不僅浪費了發泡劑,而且這些膠束在混凝土漿料中勢必影響混凝土的凝結。稀釋倍數過大,泡沫表面必會含有較多的、由水分子形成的 易破碎表面,導致泡沫破裂。此外過量的無用的水分從泡沫混凝土漿料中泌出,也將導致泡沫混凝土表面下降。理論上說,某種發泡劑的最佳稀釋倍數,應能使一定 量發泡劑生成泡沫的總面積與其所含表面活性劑按“頭并頭、腳并腳” 緊密排列時所占有的面積相等。

3.3 選擇最佳的水灰比

由發泡劑泡沫與混凝土漿料的作用過程分析可知,水灰比加大,則泡沫與混凝土漿料易于混合,泡沫破損率將降低,這顯然有利于泡沫混凝土漿料的凝結[2]。但 是如果過大,一方面會增加泡沫混凝土漿料的初凝時間,另一方面多余的水分泌出會引起泡沫混凝土表面下降。如果水灰比太小,一方面攪動混合時,易引起泡沫破 裂,另一方面會降低泡沫混凝土漿料的流動性,引起泡沫混凝土表面粗糙。有同志提出,用減水劑來提高泡沫混凝土漿料的流動性問題,筆者認為這不是一個好辦 法。因為對優質泡沫混凝土發泡劑,木質素磺酸鹽,羥丙基纖維素醚等減水劑,最終會使泡沫混凝土的抗壓強度降低;但對那些劣質發泡劑而言,使用減水劑可以減 少破泡率,兩因素相抵,總的來說抗壓強度還是能提高一些的。

3.4 改進泡沫混凝土發泡機

現有的泡沫混凝土發泡機,存在的弊病有四:一是水泥、粉煤灰的配料比、水灰比靠人工憑經驗確定,很難保證泡沫混凝土的均質要求;二是泡沫與水泥漿料的混合 比,隨著樓層的升高而變化,且很難生產300kg/m3的泡沫混凝土;三是泡沫混凝土漿料輸送過程中,泡泡率隨著樓層升高迅速升高,難以保證高層樓層泡沫 混凝土制品的質量;混合管設計不合理,容易導致破泡且難以保證水泥漿料與泡沫混合均勻。因此可以說,現有的泡沫混凝土發泡機是導致泡沫混凝土開裂的重要原 因之一。

為此,我們設計開發了新一代泡沫混凝土發泡機,即《高層泡沫混凝土產輸機》,并且申請了國家專利(201020242955.5)。《高層泡沫混凝土產輸 機》設計了結構新穎的的“泡沫與混凝土漿料混合管”,發泡劑的稀釋比、水泥和粉煤灰的配比、水灰比以及水泥漿料與泡沫的混合比等參數可以提前設置,并由機 械控制,不存在輸送過程中的泡沫破裂問題,輸送高度僅受液壓泵的輸送功率限制,所需總動力也比傳統發泡機降低20%左右。新設計的泡沫、漿料混合管,不但 混合均勻,而且不易破泡,并允許使用聚丙烯等短纖維作為泡沫混凝土的抗裂劑。水泥、粉煤灰總質量的0.2~0.4%的聚丙烯等短纖維的加入就可以有效地防 止泡沫混凝土的開裂。

3.5 做好待澆注泡沫混凝土場地的表面處理

由1.2節的分析可知,做好待澆注泡沫混凝土場地的表面處理是防止泡沫混凝土保溫層產生“空鼓”的有效措施,越是質量好的發泡劑,越是要注意這個問題。這 是因為,由質量差的發泡劑制得的泡沫混凝土漿料,一旦接觸吸水性強的界面部位,會立即破泡、離析并在這些部位生成一層致密的混凝土保護層,從而使人們觀察 不到“空鼓”的現象,但與此同時,泡沫混凝土的其他毛病如疏松、密度不勻、開裂、抗壓強度偏低等將與之伴生。


4 結 論


決定泡沫混凝土質量的客觀因素之一是發泡劑的質量好壞;客觀因素之二是發泡機的性能。對于一個存在先天缺陷的發泡劑,即使發泡劑的稀釋倍數、水灰比都調到 最佳狀態,精心施工、合理養護也難免不出現這樣或那樣的問題。因此,認真探討發泡劑的作用原理、泡沫與水泥、粉煤灰漿料的混合機理,尋找出各種影響泡沫混 凝土質量因素,對我們解決泡沫混凝土的常見問題都將是有益的

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