泡沫混凝土施工特性

【學員問題】現(xiàn)澆泡沫混凝土施工需注意的要點？

【解答】泡沫混凝土作為一種新型材料，具有保溫隔熱，兼具防水，防火等性能。由于其施工簡單，保溫隔熱性能良好，作為現(xiàn)有隔熱材料陶粒的替代品被廣泛運用在工程項目中。其基本原理是利用混凝土中封閉氣孔達到保溫隔熱的效果。表1為正常養(yǎng)護條件下，普通混凝土與泡沫混凝土物理力學性能的比較。

泡沫混凝土與普通混凝土性能比較

項目 泡沫混凝土 普通混凝土

干密度[kg/m3] 400～1600 2200～2400

抗壓強度[MPa] 0.5～10.0 30～80

彎曲強度 [MPa] 0.1～0.7 3.0～8.0

彈性模量[GPa] 0.30～1.20 20～30

干燥系數(shù)[×10-6] 1500～3500 600～900

導熱系數(shù)[W/（m·K）] 0.11～0.30 ≈2.0

抗凍融性[%] 90～97 90～97

新拌流動性[mm] >200 ≈180

通過資料收集，我發(fā)現(xiàn)有專家已經(jīng)對這種新型材料在實際運用進行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)了一些問題，而這些問題值得我們注意：一是泡沫混凝土強度偏低。體積密度為800—850 kg/㎡的泡沫混凝土的抗壓強度嚴重偏低，一般低于2.0 MPa，有的甚至不足1.0 MPa.二是開裂、吸水。硬化泡沫混凝土表面開裂、吸收大量外來水分。三是防水層的設置。是否采用倒置式防水。如果這些問題不能有效地解決，泡沫混凝土的效果將會受影響。

一、影響泡沫混凝土強度的因素及改善途徑

泡沫混凝土中氣孔的引入一方面是賦予其普通混凝土所沒有的輕質(zhì)、隔音、保溫、高流動性等性能，但從結構和力學的角度看，同時也引入了大量的缺陷，從而導致硬化泡沫混凝土強度的大幅度降低。由于泡沫混凝土中的孔隙率一般高達50%-70%，而且孔徑主要為10μm以上，因此，泡沫混凝土的強度大大低于普通混凝土的強度。與普通混凝土一樣，泡沫混凝土的強度并不是一個固定的數(shù)值，不同的膠凝材料種類、水泥用量、混凝土配合比、水灰、泡沫用量（即不同的體積質(zhì)量）、發(fā)泡劑、養(yǎng)護制度以及其它外加劑的采用與否等都影響泡沫混凝土的強度。

（一）配合比的影響

泡沫混凝土的制作主要是以水泥、發(fā)泡劑為主料，有時可能加入一些混合材料（如硅灰、礦渣、粉煤灰等），還有可能加入細集料（砂子）加入不同的材料對泡沫混凝土的影響也是不一樣！第一種情況僅以水泥和發(fā)泡劑的主料，不加其他輔料。這種情況相對比較簡單，所用水泥的強度等級越高、用量越多，制備的泡沫混凝土強度也就越大。所以當希望制備較高強度的泡沫凝土時，需要選擇高強度等級的水泥。而第二種情況是加入混合材料：混合材的加入會導致泡沫混凝土早期強度的顯著降低，而對后期強度的影響并不大。如果添加適當?shù)膹姸燃ぐl(fā)劑，則早期強度的降低幅度可以得到減緩。另外，如果采用超細混合材時，如硅灰、超細磨礦渣粉，則強度降低不大，有時甚至反而有所增大。第三種情況是摻用砂子作細集料，泡沫混凝土的強度原則上也會發(fā)生不同程度的降低，但是砂子的摻用對提高硬化泡沫混凝土的體積穩(wěn)定性、減小收縮將十分有利。實際施工中往往以同時摻用混合材和砂子的情況為最多見，因此，泡沫混凝土的配合比存在一個適宜的范圍，需要根據(jù)試驗確定。

（二）水灰比的影響

如僅從硬化泡沫混凝土的內(nèi)部結構變化分析，水灰比的增加必然導致泡沫混凝土強度的降低。但是，大量的實驗已證明，當水灰比在一定的范圍內(nèi)增加時，泡沫混凝土的強度不但不降低，反而表現(xiàn)出提高的趨勢。

泡沫混凝土的制備與普通混凝土不同，它存在一個泡沫引入的過程。為了較好地在這個過程中將泡沫均勻引入到水泥漿料中并完好均勻地分布于泡沫混凝土體系，要求水泥漿料具有良好的流動性。較高的成型水灰比恰好是保證水泥砂漿具有良好的流動性的必要條件。相反，如果在低的水灰比條件下，采取適當?shù)募夹g措施保證漿料具有良好的流動性，也可制備出高強度的泡沫混凝土。實際上，當試圖控制泡沫混凝土的水泥用量的體積密度不變時，其中的砂子和泡沫的含量必然減少，致使硬化泡沫混凝土孔隙率降低，這也是導致（如圖1）水灰比增大時泡沫混凝土強度提高的重要原因之一。

（三）體積密度的影響

泡沫混凝土的體積密度越小，強度就越低，這一現(xiàn)象與泡沫的引入有關。理論和實驗都證明，泡沫混凝土的強度與其內(nèi)部的孔隙率之間存在以下數(shù)學關系： R =R0？exp（-k？ε）（1） 式中：R-孔隙率為ε的泡沫混凝土的抗壓強度（MPa）； R0-孔隙率為0的假想混凝土的抗壓強度（MPa）； k一與所用材料和制備條件等因素有關的比例系數(shù)。

如果用p表示泡沫混凝土的密度，則根據(jù)密度與孔隙率之間的關系，便可以將上式寫為： R =R/？exp（-k/？p） （2） 式中：R-密度為p的泡沫混凝土的抗壓強度，MPa； R/-密度為最大時（對應孔隙率為0）的假想泡沫混凝土的抗壓強度，MPa； k/-與所用材料和制備條件等因素有關的比例系數(shù)； 值得指出的是，密度一定的泡沫混凝土，當配合比、水灰比等其它工藝條件改變時，強度可能在一個較大范圍內(nèi)變動。

（四）養(yǎng)護制度的影響

早期養(yǎng)護制度對泡沫混凝土的強度發(fā)揮和最終強度至關重要。泡沫混凝土成型水灰比較大，所以，要加強早期養(yǎng)護和保水，防止水分過早散失。這不僅對泡沫混凝土的強度發(fā)揮具有重要意義，對防止硬化混凝土開裂也非常重要。

（五）外加劑的影響

泡沫混凝土使用的外加劑主要包括水泥強度激發(fā)劑、減水劑和發(fā)泡劑等。水泥強度激發(fā)劑主要是在水泥混合材料中采用，這樣可以減輕泡沫混凝土早期強度降低的程度，但是，使用激發(fā)劑往往會降低泡沫混凝土的最終強度

混凝土減水劑使泡沫混凝土即使在較低水灰比下仍然能夠順利完成漿料與泡沫的混合，制備出泡沫分布均勻的泡沫混凝土。所以，摻加適量的高效減水劑是制備高強泡沫混凝土的重要手段之一（見圖2）。但是，因為減水劑的價格比較貴而且有些減水劑與發(fā)泡劑在某些性能方面有相反的作用。所以減水劑的種類和添加量必需由試驗確定。

發(fā)泡劑對泡沫混凝土強度的影響體現(xiàn)在泡沫的尺寸、均勻性（尺寸均勻性和分布均勻性）、泡沫的穩(wěn)定性、發(fā)泡能力（泡沫密度或單位泡沫攜水量）。要求發(fā)泡劑的發(fā)泡能力強、密度低、單位攜水量小，泡沫牢固、細小、在混凝土中分布均勻。要研究開發(fā)和使用對泡沫混凝土副作用小、發(fā)泡能力大、泡沫強度高的新型高效發(fā)泡劑。

（六）提高泡沫混凝土強度的技術途徑

由上述分析不難看出，提高泡沫混凝土的強度主要可以考慮以下幾個技術途徑：

（1）選擇適宜的配合比；

（2）使用高效減水劑并控制適宜的低水灰比；

（3）采用優(yōu)質(zhì)高效發(fā)泡劑；

（4）加強泡沫混凝土的早期養(yǎng)護

二、影響泡沫混凝土硬化過程開裂與收縮的因素

泡沫混凝土的收縮、開裂和吸水是三個密切關聯(lián)的問題：一般說來，泡沫混凝土由于早期養(yǎng)護不善、保水措施不夠或使用過程中條件比較苛刻，均會引發(fā)其內(nèi)部的水分蒸發(fā)，從而導致體積收縮、開裂或發(fā)生顯著的吸水作用。而泡沫混凝土過多吸水又會降低保溫隔熱效果，從泡沫混凝土的制備過程和對硬化體斷面的觀察研究發(fā)現(xiàn)，泡沫混凝土內(nèi)的孔絕大多數(shù)是相對獨立的封閉孔。因此，得到完好養(yǎng)護的泡沫混凝土浸泡于水中。其吸水主要集中于表層，并不具有大的吸水性。影響泡沫混凝土收縮、開裂、吸水的因素主要有以下幾方面：

（一）水泥用量的影響

普通硅酸鹽水泥在水化硬化過程中固相體積是增加的，而水泥+水體系是收縮的。其次，水泥水化過程中還伴隨熱效應，引起初始體積膨脹而冷卻時又收縮，導致表觀收縮量增大。另外，水泥水化過程中還存在自吸水引起的自收縮現(xiàn)象。所以，一般情況下如果其它條件基本相同，水泥用量增加，泡沫混凝土的收縮也會相應增大。而水泥同時又是保證強度的重要因素之一，所以水泥用量存在一個合適的范圍。

（二）水泥種類的影響

并不是所有的水泥硬化前后的體積都是收縮的，膨脹水泥在硬化前后體積不但不收縮反而有所脹。因此，如果采用適量的膨脹水泥，可以在一定程度上彌補或減輕泡沫混凝土整體的收縮。但是，膨脹水泥不但影響體積變化，同時也會影響其他一系列性能，過 多引人會引起硬化泡沫混凝土結構破壞，因此膨脹水泥的品種和摻用量必需通過試驗確定。

（三）集料的影響

試驗和工程實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，幾種典型的水泥材料的收縮率波動為：水泥凈漿（1500—3000）x10-6 、水泥砂漿（900—1500）x10-6 、水泥混凝土（600—900）x10-6 、水泥泡沫混凝土（1500—3500）x10-6 .可見，普通水泥混凝土的收縮率最小，水泥凈漿收縮率較大，泡沫混凝土的收縮率最大。這是因為普通混凝土中摻有大量體積不變的粗集料，而沒有集料的水泥凈漿在硬化前后總體積本身就是減小的。泡混凝土收縮最大，一方面是因為其中沒有粗集料，另一方面是因為其中含有大量的孔隙，隙的大部分被水填充，使用過程隨著孔隙中水分的逸出，外觀表現(xiàn)出體積收縮。由此可見，摻加集料無疑是減少沫混凝土收縮的措施之一。不，泡沫混凝土中只能摻加一部分細集料。同時，因為集料在化學上的惰性，過量的摻加將導致泡沫混凝土強度顯著降低，因而其摻量受到一定限制。當泡沫混凝土的密度、水灰比等工藝參數(shù)基本確定以后，細集料增加，水泥用量將減少，所以，集料摻用與否和摻量多少同樣存在一個適宜的選擇。

（四）水灰比和養(yǎng)護方式的影響

泡沫混凝土在60oC環(huán)境下的水分損失和干燥收縮

試驗結果表明，水分逸出與硬化泡沫混凝土收縮變化有著明顯和密切的同步性。這說明水分逸出直接導致泡沫混凝土的收縮，而當水分停止逸出時，泡沫混凝土也即停止收縮。根據(jù)經(jīng)典的水泥化學理論，水泥完全水化所需的水量，即理論水灰比應當為0.38，而泡沫混凝土的成型水灰比往往高達0.70甚至0.80.多余的水分將殘留于硬化泡沫混凝土的氣孔之中，這部分水約占成型水量的1/2左右。一旦周圍相對濕度較低或環(huán)境溫度較高時，水分就會蒸發(fā)，然后逸出。尤其是在硬化的早期階段，泡沫混凝土的結構還比較薄弱，如果養(yǎng)護不善，水分極易損失，導致較大的收縮和表面開裂，削弱硬化體內(nèi)部結構，引發(fā)硬化泡沫混凝土高吸水性。據(jù)此，泡沫混凝土的初始水灰比便成為影響硬化泡沫混凝土收縮的一個先決因素。制備低收縮泡沫混凝土的關鍵技術之一是控制低水灰比。將密度為1100 kg/m 的泡沫混凝土試樣澆筑24 h后，分成表面尼龍薄膜密封和表面不做任何處理的2批試樣，在溫度、濕度等完全相同的環(huán)境下養(yǎng)護，測定不同齡期的干燥收縮量（見圖4）。從圖4對比得知，表面密封處理后的試樣，收縮量遠遠小于表面敞開的試樣，而且在5 d齡期時收縮就基本趨于穩(wěn)定。結果再次證明水分逸出與干縮之間的密切關聯(lián)性和早期保水對控制泡沫混凝土收縮的重要性。

（五）減小泡沫混凝土收縮和開裂的技術途徑

由上述分析可知，減小泡沫混凝土收縮、防止開裂和吸水的技術措施主要有以下方面：

（1）適宜的水泥用量；

（2）摻加適量膨脹水泥；

（3）低的成型水灰比；

（4）優(yōu)化養(yǎng)護制度、加強早期保水；

（5）使用防水劑（摻用或表面涂布）；

（6）在保溫層增加鐵絲網(wǎng)（防裂網(wǎng)）來防止泡沫混凝土開裂。

三、防水層的設置

泡沫混凝土相比一般保溫隔熱材料優(yōu)點之一是具有一定防水性！下圖為泡沫混凝圖與其他隔熱材料的物理性能對比。

采用傳統(tǒng)正置式防水（防水層在保溫層上）存在的問題：無論是剛性防水還是柔性防水，如果保護層被破壞將會直接導致防水層暴露或被破壞。將會可能引起防水層被破壞，雨水就會進去保溫層。而保溫層采用泡沫混凝土的話，雖然具有一定的防水能力，但一部份水仍能通過保溫層滲透到結構層中，而一部份則留在保溫層。原因是保溫層上層是防水層，防水層阻礙了保溫層中水分的揮發(fā)。這是目前屋頂防水主要存在的問題。

而采用泡沫混凝土作保溫層，運用倒置式防水（保溫層在防水層上），則是即充分利用保溫層的防水能力，又保護了防水層，可謂是一舉兩得！保溫層在防水層上面，不但能避免高溫對防水層的損害，延長了防水層的壽命，而且能增強防水效果。假如保護層被破壞，同時也破壞了保溫層，水進入保溫測層后，可能停留在保溫層中或者揮發(fā)掉，不會滲透到結構層，因為中間還有一個防水層！由于保溫層上面沒有防水層，水分在被太陽直曬后是會揮發(fā)掉的。

因此，在采用泡沫混凝土作保溫層的時候，防水層的設置盡量考慮采用倒置防水。

以上內(nèi)容均根據(jù)學員實際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。