1 泡沫混凝土結(jié)構(gòu)缺陷與抗壓強(qiáng)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(qiáng)度偏低的原因
當(dāng)泡沫單獨(dú)存在時(shí)，泡與泡是緊密排列的。在泡沫內(nèi)部，立體幾何知識(shí)告訴我們，就某個(gè)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(gè)、并且只能有6個(gè)；而在該平面上方或下方，都分別只能有3個(gè)氣泡與中心氣泡緊密接觸。這表明在泡沫中，沒有一個(gè)泡是真正的球形，而是一個(gè)正十二面體。在水泥、粉煤灰漿料中，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(dǎo)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(xù)相均為水相， 因而水在這里起著“橋梁作用”。在混合過程中，水泥或粉煤灰顆粒完全可能使泡壁向內(nèi)凹陷。如果發(fā)泡劑是簡單的小分子表面活性劑，物理化學(xué)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(wěn)泡劑，那么高聚物分子的兩端完全有可能同時(shí)吸附在兩個(gè)或多個(gè)泡表面，它勢必阻擋水泥、粉煤灰顆粒進(jìn) 入這些泡之間，強(qiáng)行攪拌，就難免將泡拉破。即使發(fā)泡機(jī)生產(chǎn)的泡沫泡徑再均勻，由于泡沫表面的泡與其內(nèi)部的泡所處環(huán)境不同，致使泡沫接 觸水泥、粉煤灰漿料后必定會(huì)產(chǎn)生少量的大泡或小泡。表面化學(xué)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(huì)破裂，使大 泡更大。泡沫破裂，使2個(gè)、3個(gè)、以致多個(gè)氣泡合成一個(gè)氣泡。這個(gè)過程使泡沫的總表面積不斷縮小。由于每個(gè)氣泡所處的環(huán)境以及它們的初始直徑差異，大泡會(huì) 越變越大，這就是泡沫混凝土表面粗糙、鼓泡、內(nèi)部竄孔、空鼓產(chǎn)生的原因。泡沫破裂在形成大泡的同時(shí)，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(jié)。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(jié)能力水泥、粉煤灰顆粒相對(duì)較少，因 而對(duì)水泥與水泥、水泥與粉煤灰之間的凝結(jié)影響也較小。然而在低容重的情況下，如果泡沫破裂達(dá)到50％以上，則泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度將顯著下降，即出現(xiàn)整體 疏松或上下抗壓強(qiáng)度差異顯著以及總體抗壓強(qiáng)度偏低的問題。
理論推算和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都證明，大泡所受的上升力遠(yuǎn)大于小泡。當(dāng)大泡大到其所受上升力足以克服其所受阻力時(shí)，就會(huì)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(dá)混凝土漿料表面，則雖不會(huì)出現(xiàn)“塌模”，但會(huì)出現(xiàn)泡沫混凝土上下抗壓強(qiáng)度差異的問題。
如果發(fā)泡劑含有如阿拉伯膠、羥丙基纖維素醚等物質(zhì)，或另外在泡沫混凝土漿料中添加此類物質(zhì)，雖然可以減少破泡率，避免破泡表面活性劑對(duì)泡沫混凝土漿料凝結(jié) 的影響，使所得泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度有所提高，但這些物質(zhì)本身也會(huì)影響泡沫混凝土漿料的凝結(jié)，導(dǎo)致泡沫混凝土的比抗壓強(qiáng)度仍不能令人滿意。
1.2 泡沫混凝土產(chǎn)生“鼓泡”、“空鼓”的原因
“空鼓”現(xiàn)象的發(fā)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(huì)產(chǎn)生“空鼓”。泡沫混凝土 產(chǎn)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(shí)，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(xù)從泡沫混凝土漿料中吸收水分并排出 其內(nèi)部的空氣。如果排出空氣的速度較快，便產(chǎn)生“鼓泡”；如果這種空氣排出過程所需的時(shí)間長于泡沫混凝土漿料初凝的時(shí)間，就必然會(huì)產(chǎn)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(jīng)過幾年的冬夏冷熱變化仍然會(huì)開裂；若使用沙子、石子而不是用鋼筋，經(jīng)過幾十年 的時(shí)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(jīng)不起惡劣氣候影響的特性之一。然而，對(duì)于3～4級(jí)泡沫混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而言，形成泡壁的 混凝土厚度一般在零點(diǎn)幾毫米，并且眾多相互連接的泡壁形成了曲曲折折的結(jié)構(gòu)，按說低級(jí)別的泡沫混凝土應(yīng)具有比普通混凝土更好的伸縮性能。關(guān)于這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn) 室的冷熱試驗(yàn)（-15～50℃，400次）也表明3～4級(jí)泡沫混凝土的確具有很好的抗冷熱沖擊性能。那么，在實(shí)際生產(chǎn)中，為什么泡沫混凝土總是出現(xiàn)開裂現(xiàn) 象呢？人們首先想到的是“實(shí)驗(yàn)室的泡沫混凝土塊頭太小”，如果真是如此，那也應(yīng)當(dāng)在排出了其他影響因素之后再講：“哪個(gè)級(jí)別的泡沫混凝土、在什么尺寸范圍 內(nèi)才具有較好的抗裂性能。事實(shí)上，材料的不均勻性、柔韌性、內(nèi)應(yīng)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(huán)境因素，而柔韌性、內(nèi)應(yīng)力、干縮、材料的晶化是材料的固有特性。對(duì)于地暖和屋面泡沫混凝土保溫層，導(dǎo)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(duì)策
3.1 選擇最佳的發(fā)泡劑是解決表面粗糙、竄孔、密度不勻、抗壓強(qiáng)度偏低的關(guān)鍵
要保證泡沫混凝土的質(zhì)量，選擇發(fā)泡劑應(yīng)首先看其泡沫在混凝土漿料中的穩(wěn)定性，其次看發(fā)泡倍數(shù)是不是足夠大。這是因?yàn)椋菽诨炷翝{料中比較穩(wěn)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(fā)泡劑方面引起的泡沫混凝土的常見 問題，如鼓泡、內(nèi)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(wěn)定，但發(fā)泡劑本身的發(fā)泡倍數(shù)很低，那么單位質(zhì)量發(fā)泡劑的泡沫混凝土 產(chǎn)量肯定也上不去。
傳統(tǒng)泡沫劑存在起跑組分與穩(wěn)泡組分相互制約的矛盾。“泡老大”牌LC-01型泡沫混凝土發(fā)泡劑，它集起泡與穩(wěn)泡功能與一身，不但發(fā)泡倍 數(shù)可達(dá)5.3m3/kg（泡徑0.2mm），而且接觸水泥、粉煤灰漿料后會(huì)變得更穩(wěn)定。其所以發(fā)泡倍數(shù)高，是因?yàn)檫@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(tǒng)發(fā)泡劑的穩(wěn)泡組分“高聚物”那樣，一方面穩(wěn)了泡，另一方面又增加了水的表面張力，降低了發(fā)泡倍數(shù)。
LC-01型發(fā)泡劑，其泡沫表面親水集團(tuán)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(tuán)的“化學(xué)鍵力”，因此，LC-01型發(fā)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(wǎng) 狀結(jié)構(gòu)，從而使泡沫變得更加穩(wěn)定。
由于發(fā)泡倍數(shù)與泡徑成正比，工業(yè)發(fā)泡機(jī)的泡沫直徑較小，故實(shí)際生產(chǎn)中，“泡老大”發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)約為3.5～4.0m3/kg，故其實(shí)際使用效率為 3.8m3/kg，即使用32.5號(hào)水泥、摻入40％粉煤灰，每公斤“泡老大”發(fā)泡劑可生產(chǎn)4級(jí)泡沫混凝土3.8m3/kg。該試塊28天的抗壓強(qiáng)度 ≥1.0MPa。
“泡老大”發(fā)泡劑的特殊結(jié)構(gòu)以及允許粉煤灰的摻入，對(duì)提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和防止泡沫混凝土的開裂也是十分有利的。
3.2 選擇發(fā)泡劑最佳的稀釋倍數(shù)
每一種泡沫混凝土發(fā)泡劑，都存在一個(gè)最佳的稀釋倍數(shù)。這是因?yàn)樵诎l(fā)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(shù)過小，勢必有一部分表 面活性劑仍保持膠束狀態(tài)，這不僅浪費(fèi)了發(fā)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(jié)。稀釋倍數(shù)過大，泡沫表面必會(huì)含有較多的、由水分子形成的 易破碎表面，導(dǎo)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(dǎo)致泡沫混凝土表面下降。理論上說，某種發(fā)泡劑的最佳稀釋倍數(shù)，應(yīng)能使一定 量發(fā)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(shí)所占有的面積相等。
3.3 選擇最佳的水灰比
由發(fā)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(jié)。但是如果過大，一方面會(huì)增加泡沫混凝土漿料的初凝時(shí)間，另一方面多余的水分泌出會(huì)引起泡沫混凝土表面下降。如果水灰比太小，一方面攪動(dòng)混合時(shí)，易引起泡沫破 裂，另一方面會(huì)降低泡沫混凝土漿料的流動(dòng)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(dòng)性問題，筆者認(rèn)為這不是一個(gè)好辦法。因?yàn)閷?duì)優(yōu)質(zhì)泡沫混凝土發(fā)泡劑，木質(zhì)素磺酸鹽，羥丙基纖維素醚等減水劑，最終會(huì)使泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度降低；但對(duì)那些劣質(zhì)發(fā)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(qiáng)度還是能提高一些的。
3.4 改進(jìn)泡沫混凝土發(fā)泡機(jī)
現(xiàn)有的泡沫混凝土發(fā)泡機(jī)，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(jīng)驗(yàn)確定，很難保證泡沫混凝土的均質(zhì)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(chǎn)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(zhì)量；混合管設(shè)計(jì)不合理，容易導(dǎo)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(xiàn)有的泡沫混凝土發(fā)泡機(jī)是導(dǎo)致泡沫混凝土開裂的重要原 因之一。
為此，我們設(shè)計(jì)開發(fā)了新一代泡沫混凝土發(fā)泡機(jī)，即《高層泡沫混凝土產(chǎn)輸機(jī)》，并且申請(qǐng)了國家專利（201020242955.5）。《高層泡沫混凝土產(chǎn)輸 機(jī)》設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)新穎的的“泡沫與混凝土漿料混合管”，發(fā)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(shù)可以提前設(shè)置，并由機(jī) 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(dòng)力也比傳統(tǒng)發(fā)泡機(jī)降低20％左右。新設(shè)計(jì)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(zhì)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(jié)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(chǎn)生“空鼓”的有效措施，越是質(zhì)量好的發(fā)泡劑，越是要注意這個(gè)問題。這 是因?yàn)椋少|(zhì)量差的發(fā)泡劑制得的泡沫混凝土漿料，一旦接觸吸水性強(qiáng)的界面部位，會(huì)立即破泡、離析并在這些部位生成一層致密的混凝土保護(hù)層，從而使人們觀察 不到“空鼓”的現(xiàn)象，但與此同時(shí)，泡沫混凝土的其他毛病如疏松、密度不勻、開裂、抗壓強(qiáng)度偏低等將與之伴生。
4 結(jié) 論
決定泡沫混凝土質(zhì)量的客觀因素之一是發(fā)泡劑的質(zhì)量好壞；客觀因素之二是發(fā)泡機(jī)的性能。對(duì)于一個(gè)存在先天缺陷的發(fā)泡劑，即使發(fā)泡劑的稀釋倍數(shù)、水灰比都調(diào)到 最佳狀態(tài)，精心施工、合理養(yǎng)護(hù)也難免不出現(xiàn)這樣或那樣的問題。因此，認(rèn)真探討發(fā)泡劑的作用原理、泡沫與水泥、粉煤灰漿料的混合機(jī)理，尋找出各種影響泡沫混 凝土質(zhì)量因素，對(duì)我們解決泡沫混凝土的常見問題都將是有益的。
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