三）適用范圍及模型實驗
（ a ）在模擬的頂面以 151/min 的速度向模型注水，模型的四周及上表面的交界面設有若干漏氣孔，空氣包裹從底部的注水孔注漿。
（ b ）注入的漿體在底部逐漸固化，沒有出現材料的分散、離析及消泡現象。
（ c ）漿體沒有從出口隨水流出，模型的注漿飽滿。
與氣泡輕質土相比，空氣包裹的流動性雖小，但它在水中不會出現材料分離及消泡現象，是水中空洞填充，特別是隧道注漿最理想的材料。如隧道襯砌體背后的注漿。
（四）隧道注漿實例
（五）隧道注漿常用各工法的技術經濟比較
|
項目 |
水泥類 |
非水泥類 |
|
發泡類 |
非發泡類 |
|
空氣輕質土 |
空氣包裹 |
|
材料 |
①氣泡水泥砂漿
②氣泡水泥漿 |
氣泡水泥砂漿 + 特殊添加劑 |
水泥砂漿 |
空洞填充用的發泡尿烷 |
|
容重（ KN/m3 ） |
11~12 |
同左 |
20 左右 |
1 |
|
材料單價 |
便宜 |
便宜 |
便宜 |
昂貴 |
|
膠凝時間 |
幾個小時 |
幾秒鐘內膠凝狀 |
幾個小時 |
1 到 2 分鐘 |
|
施工設備規模 |
大（必要） |
同左（必要） |
同左（必要） |
簡易（不需要） |
|
施工準備及退場所需時間 |
大 |
大 |
大 |
小 |
|
地下涌水地段 |
材料易離析 |
可能 |
可能，但必須進行導水處理 |
可能 |
|
山體龜裂地段 |
易泄露 |
停止填充則變成可塑狀，泄露停止 |
較難泄露 |
發泡堵塞裂縫，難泄露 |
|
細微部分的填充 |
流動性強，填充可達細微部分 |
提高壓力即可填充 |
流動性較差，不易流入細微部分 |
發泡過程中有流動性，可在附近填充 |
|
襯砌荷重負擔 |
中 |
中 |
大 |
小 |
|
襯砌體裂縫的滲漏 |
需防止細微裂縫 |
需防止裂縫大于 1mm 的滲漏 |
同左 |
無滲漏 |
|
排水的 pH 值 |
呈堿性 |
同左 |
同左 |
無變化 |
|
優缺點
○優點
●缺點 |
●漏水較多，引起材料分離，不可填充（實驗施工得出結論）
●流入排水系統，有阻塞排水系統的危險 |
○對于漏水部位有效，可確填充。
○流入排水系統可能性較小。
●與尿烷相比，施工性較差。 |
●較難填充細微部位
●襯砌體承受荷載大
●在漏水量較大的地方砂漿容易分離，流出 |
○可在漏水處確保填充完成
○較難流入排水系統
○施工性極好
○在行車線一方防漏措施簡單
●施工費用較高 |
HXBY 玻化珍珠巖無機復合保溫砂漿是一種新型的墻體、屋面保溫隔熱、防水材料。該產品是將高分子玻化液、高效發泡劑、珍珠巖、硅酸鹽水泥、工程纖維、粉煤灰、細砂等材料采用特定的工藝現場攪拌后，現抹上墻或整體澆注于屋面。
該產品通過高分子玻化液及發泡劑發泡后形成的細微而交錯排列的獨立氣泡群密集分布于硅酸鹽水泥空間中，同硅酸水泥結合形成永不分解的具有防水性能的高分子結晶體，對水泥砂漿進行改性。同時，改性后的水泥砂漿對膨脹珍珠巖進行包裹，將水分子完全阻擋在高分子結晶體的外壁，從而徹底解決了膨脹珍珠巖的吸水問題。
該產品以玻化珍珠巖及細砂為主要骨料，以水泥為基料，具有極低的體積收縮率、優異的抗裂性，抗壓、粘結強度滿足建筑保溫材料的要求，是集保溫隔熱、防水、抗裂于一體的高性能建筑保溫材料；它克服了聚苯顆粒等有機材料溶點低、高溫時產生有害氣體、易老化、使用壽命短等缺陷，是聚苯顆粒保溫砂漿的有效替代品。
（二）主要熱、力學性能指標（ 1 ）
國家建筑材料工業房建材料質量監督檢驗測試中心
|
試 驗 項 目 |
標 準 |
實 測 結 果 |
|
濕表觀密度， kg/m 3 |
≤ 800 |
470 |
|
干表觀密度， kg/ 3 |
≤ 450 |
379 |
|
導熱系數， W/m.k 常溫 |
≤ 0.08 |
0.061 |
|
抗壓強度， MPa （形變 10% ） |
≥ 0.40 |
2.60 |
|
飽和吸水率， % |
/ |
1.0 |
|
線收縮率， % |
≤ 0.3 |
0.20 |
|
軟化系數（ 28d 養護） |
≥ 0.5 |
0.85 |
|
拉伸粘結強度， MPa |
原強度 |
≥ 0.1 |
0.15 |
|
耐水強度 |
≥ 0.08 |
0.13 |
|
燃燒性能級別 |
A 級 |
A 級 |
|
隔聲量（ DB ） |
≥ 40 |
45 |
|
蓄熱系數 |
≥ 1.5 |
3.0 |
（二）主要熱、力學性能指標（ 2 ）
HXYB 玻化珍珠巖無機復合保溫砂漿放射性核素指標
|
試 驗 項 目 |
標 準 |
實 測 結 果 |
|
外照射指數 |
≤ 1.0 |
0.3 |
|
內照射指數 |
≤ 1.0 |
0.1 |
|
鐳 -226 （ Bq/kg ） |
…. |
13.23 |
|
釷 -232 （ Bq/kg ） |
…. |
18.51 |
|
鉀 -40 （ Bq/kg ） |
…. |
814.40 |
HXBY 護面抗裂砂漿性能指標
|
實驗項目 |
性能指標 |
|
拉伸粘結強度， MPa |
原強度（養護 28d ） |
≥ 0.7 |
|
浸水（養護 28d 后浸水 7d ） |
≥ 0.5 |
|
柔韌性（抗壓強度 / 抗折強度） |
≤ 3.0 |
|
可使用時間 |
可操作時間， h |
≥ 1.5 |
|
可操作時間內拉伸粘結強度， MPa |
≥ 0.7 |
（二）主要熱、力學性能指標（ 3 ）
HXBY 玻化珍珠巖無機復合保溫砂漿墻體保溫系統性能指標
|
序號 |
項目指標 |
指標性能 |
|
1 |
耐侯性
試樣經 80 次高溫（ 70 ℃ ） - 淋水（ 15 ℃ ）循環和 20 次加熱（ 50 ℃ ） - 冷凍（ 20 ℃ ）循環。 |
未出現開裂，空鼓和脫落現象；拉伸粘結強度為 0.16MP; 破壞位于保護層。 |
|
2 |
耐凍性 |
夏熱冬冷地區 10 次循環、嚴寒及寒冷地區 30 次循環后，表面無空鼓、無脫落、無滲水裂縫；保護層與保溫層的拉伸粘接強度 0.15MPa ，破壞部位位于保溫層。 |
|
3 |
抗沖擊強度 |
C 型 |
普通型（單網） 3J 沖擊合格
加強型（加一層加強網 10J 沖擊合格 |
|
T 型 |
鍍鋅鋼絲網 3J 沖擊合格 |
|
4 |
抗風荷載性能 |
安全檢測結果： 6.7kPa 未破壞 |
|
5 |
吸水量（浸水 1h ）， g/m 2 |
≤ 653 |
|
6 |
水蒸氣濕流密度 g/(m 2 · h) |
1.81 |
|
7 |
不透水性 |
試樣防護層內無水滲透 |
|
8 |
耐磨損（ 500L 砂） |
無開裂、龜裂或護面層表面剝落、損傷 |
|
9 |
系統抗拉強度， MPa |
0.20MPa ，破壞部位不在各層界面 |
|
10 |
系統抗拉強度（浸水） |
0.17 破壞部位不在各層界面 |
|
11 |
飾面磚粘結強度， MPa |
0.56 |
|
12 |
抗震性能 |
面磚及外保溫系統無脫落 |
( 三 ) 系統的主要特色
1 、保溫防水一體化
目前無機砂漿類保溫材料的主要缺陷表現在防水性能差，保溫層透水后，材料導熱系數上升，強度下降等，這將直接影響到系統的保溫性能和使用壽命。利用現場玻化技術， HXBY 玻化珍珠巖無機復合保溫砂漿外墻保溫系統不但解決了材料的防水性問題，而且由于氣泡群的“潤滑作用”，避免了攪拌過程中因外力導致的膨脹珍珠巖的易碎問題，保證了膨脹珍珠巖固有的保溫性能；在各種墻體的外墻、內墻使用不同厚度的該材料可達到寒冷地區和夏熱冬冷地區建筑節能 50 ％的標準要求。
2 、施工便捷，成本低
可采用廠拌生產，也可采用現場攪拌生產后直接坯刮上墻，無縫界施工。由于材料的吸水率低，抗流性能好，一次成型厚度大，與其它保溫材料相比，生產及施工工序極為簡單，可直接替代毛坯墻上水泥砂漿找平、保溫層及保溫層的保護層，干燥后可直接在該保溫系統上做涂料底層和掛瓷磚，與其他保溫系統相比，具有明顯的低成本優勢。屋面保溫防水施工也非常簡化，整體現澆并與主體形成一體化結構，找平、找坡、保溫及無縫施工一次完成，減少因施工縫導致的質量隱患，省工省時。
3 、耐高溫、抗冷凍、不燃燒、不老化，使用壽命長
4 、隔音減震性能好
材料中氣泡的體積含有率超過 75 ％，因而具有良好的隔音減震效果，隔聲量大于： 45db 。
［應用實例 2 ］
混凝土發泡劑的研制
1 發泡混凝土通常是用機械方法發泡劑水溶液制備成泡沫 , 再將泡沫加入到含硅質材料、鈣質材料、水及各種外加劑等組成的料漿中 , 經混和攪拌、澆注成型、養護而成的一種內部含有大量封閉氣孔的“密孔”混凝土。生產發泡混凝土的關鍵是配制發泡劑。能產生泡沫的物質很多 , 但并非所有能產生泡沫的物質都能用于發泡混凝土生產。只有在泡沫和料漿混合時薄膜不致破壞 , 具有足夠的穩定性 , 對膠凝材料的凝結和硬化不起有害影響的發泡劑 , 才能用來生產輕質發泡混凝 土。目前 , 我國的混凝土發泡劑功能少、產量低 , 所產生的泡沫的穩定性、均勻性、分散性都不理想。而發泡劑又是生產輕質發泡混凝土的關鍵 , 因此有必要對發泡劑進行系統的認識和研究。
2 發泡劑介紹
發泡劑種類很多，其中多為陰離子表面活性劑。目前，國內發泡劑品種主要有松香膠發泡劑、廢動物毛發泡劑、樹脂皂類發泡劑、水解血膠發泡劑、石油磺酸鋁發泡劑等。我國發泡劑總體上說不夠理想，功能偏少，盡管有些發泡倍數大，但穩定性差、制品強度不高。日本、意大利的發泡劑多為蛋白質類，質量好。我國也有以動物蛋白為主要原料的發泡劑，其發泡倍數及穩定性較好，但因原料來源有限，生產成本高，開發與應用受到制約。
發泡劑生成泡沫的質量以堅韌性、發泡倍數、泌水量等指標來衡量。泡沫的堅韌性就是泡沫在空氣中在規定時間內不致破壞的特性，常以泡沫柱在單位時間內的沉陷距來確定。發泡倍數是泡沫體積大于發泡劑溶液體積的倍數。泌水量是指泡沫破壞后所產生發泡劑水溶液的體積。表 1 為常見發泡劑的性能。
表 1 常見發泡劑的性能
|
發泡劑品種與濃度 |
十二烷基苯磺酸鈉 |
松香皂 |
松香熱聚物 |
動物毛發 |
|
0.5% |
1% |
1% |
2% |
1% |
2% |
2% |
3% |
|
發泡倍數 |
27 |
32 |
28 |
29 |
25 |
26 |
20 |
22 |
|
1h 泌水量 /ml |
150 |
140 |
120 |
110 |
140 |
120 |
60 |
40 |
|
1h 沉陷距 / ㎜ |
50 |
38 |
34 |
29 |
38 |
33 |
8 |
5 |
3 發泡劑泡沫性質研究
3.1 泡沫的形成
基于表面張力作用，液體表面有自動縮小的趨勢，因而純靜液體經攪拌后并不能產生大量泡沫。在純靜液體中，兩個氣泡相碰就會毫無阻礙地結合在一起，最后氣泡全部破裂。但如果在液體中溶解一種能降低氣 - 液界面張力的物質，使之形成在組成上與其他液體有區別的且有一定機械強度的臨界層，那么兩個氣泡相碰時，這種臨界層便可作為“緩沖層”防止氣泡破裂。發泡劑因其分子結構的不對稱性，能聚集在氣 - 液界面上，降低表面張力，提高膜的機械強度，形成“緩沖層”，因而在純靜液體中加入發泡劑后用攪拌、混合、吹入、噴射等機械方法將氣體帶入發泡劑液體中就能制得泡沫。
3.2 泡沫的穩定性及影響因素分析
所謂泡沫的穩定性是指生成泡沫的持久性，即泡沫存在“壽命”的長短。這包括兩個方面：一是泡沫自身的持久性，由發泡劑的質量來決定；一是泡沫在外界環境中以及和混凝土料漿混合時能保持不破滅的性能，它不僅和其自身性能有關，也取決于外界因素的影響。現從幾個方面來闡述泡沫的穩定性，
3.2.1 泡沫自身的穩定性
由于氣體和液體的密度相差很大，所以液體中的氣泡總是很快上升至液面，形成以少量液體構成的液膜隔開氣體的氣泡聚集物，即泡沫。泡沫不穩定，會很快發生衰變，目前普遍認為有兩個方面的原因：泡沫中液體的析出和氣體穿透液膜擴散。
泡沫中液體的析出 泡沫中液體的析出是氣泡相互擠壓和重力作用的結果。氣泡擠壓主要來源于曲面壓力。泡沫中各個氣泡互交處形成所謂 Plateau 邊界 ( 見圖 !) 。根據 Laplace 公式，可以導出 P B - P A =σ/ R ( 式中 : P A 為 A 處的液膜壓力， P B 為 B 處的液膜壓力。 σ 為表面張力 , R 為氣泡半徑 ) 。液膜中 A 處的壓力小于 B 處的壓力，于是，液體會自動地從 B 處流至 A 處，結果是液膜逐漸變薄。
圖 1 Plateau 邊界
另一種排液過程是液體因重力而下降，使膜逐漸變薄。這種情況僅在液膜較厚時才比較顯著，液膜變薄至一定程度，便導致破裂。
氣體透過液膜擴散 無論用何種方法產生的泡沫，其大小總不是完全均勻的。由于彎曲液面附加壓力的作用，小泡內的氣體壓力總是高于大泡，因而氣體自高壓的小泡透過液膜，擴散到低壓的大泡中去，造成小泡變小直至消失，大泡變大，最終導致氣泡破裂。
從以上兩方面可以看出，泡沫自身的穩定性主要取決于液體析出的快慢和液膜的強度，而增大溶液的粘度恰恰可以解決這兩方面的問題。如果液體本身的粘度較大，則液膜中的液體不易排出，液膜厚度變小的速度較慢，因而延緩了液膜破裂的時間，增加了泡沫的穩定性，同時也使泡沫具有一定的“彈性”。對此，一般可加穩泡劑以達到目的。
3.2.2 外界環境因素對泡沫穩定性的影響
壓力和氣泡大小的分布 泡沫在不同壓力下穩定性不同，一般是壓力越大，泡沫越穩定。這是因為泡沫質量一定時，壓力越大，泡沫半徑越小；膜的面積越大，液膜變得越薄，排液速度越低。排液半衰期 T 1 ／ 2 與氣泡直徑 d 的關系為： T 1/2 ／ =580ηh ／ pgd 2 V tf ( 式中： η 為液相粘度， h 為泡沫柱最初高度， P 為液相密度， Vlf 為泡沫最初液體分數， g 為重力加速度 ) 。因為氣泡大小不均勻，此式只能定性地說明某些變量之間的關系。也有人認為，泡沫穩定性與壓力的關系是氣相中非凝析成分隨壓力增高而增加的結果。 Monsalve 從理論上闡明，單位時間內泡沫泡數的減少與最初氣泡大小分布頻率有關。氣泡分布越窄、越均勻，泡沫越穩定。因此，要獲得穩定泡沫，應盡量使泡沫的氣泡半徑分布窄一些。
溫度的影響 溫度對泡沫的影響也較大。一般情況下，泡沫穩定性隨溫度升高而下降。低溫時，當泡沫液膜達到一定厚度時，泡沫就呈現亞穩狀態，當溫度特別低時，將直接影響發泡倍數；高溫時，泡沫的破滅由泡沫柱頂端開始，泡沫體積隨時間增長呈規律性減小。這是由于在最上面的液膜上側，總是向上凸的，這種彎曲膜對蒸發作用很敏感，溫度越高蒸發越快，膜變薄到一定厚度時就破裂了，因此大多數泡沫在高溫下是不穩定的。
混凝土料漿的影響 泡沫最終要和料漿進行混合攪拌，在此過程中，料漿中成分的顆粒形貌對泡沫的穩定性也有重要影響。 { 見圖 2) 。料漿中顆粒 ( 粉煤灰、細砂等 ) 形狀均勻，表面圓滑，則和泡沫接觸時可以認為是兩個圓球的“面面接觸”，這樣泡沫本身的“機械強度”和“彈性”特征可能很好發揮，不致產生應力集中，有利于泡沫穩定；若顆粒形狀各異，棱角分明，則接觸時為“點面接觸”，這必然會刺傷泡沫，產生應力集中，從而導致泡沫破裂。
圖 2 泡沫和不同顆粒形貌接觸
另外，泡沫最終在混凝土料漿中形成“密孔”，時間越長，泡沫破裂的可能性越大。所以，盡快促使發泡混凝土凝結硬化是提高其穩定性的另一途徑，一般可使用早強硅酸鹽水泥或添加早強劑來達到目的。
從以上論述可以看出，影響泡沫穩定性的因素，不僅和其自身的性質有關，而且也與外界環境有關，只有在實際應用中根據經驗和實驗選擇合適方法來獲得穩定泡沫。
4 發泡劑的使用
4.1 穩泡劑的作用
在發泡劑使用中，穩泡劑起著不容忽視的作用。發泡劑往往和穩泡劑復配使用。穩泡劑一般為膠類物質。膠類分子在水溶液中，可使其溶液在流動時產生較大的內部磨擦，使溶液有較高的粘度。正因為膠使液體的粘度增加，這便增加了泡沫的液膜粘度，一則增加液膜表面強度，另則使液膜二表面膜臨近的液體不易排出 ( 因表面粘度大，表面臨近，液體也不易流動 ) ，液膜厚度變小的速度較慢，因而延緩了液膜破裂時間，增加了泡沫的穩定性。另外，加入穩泡劑后溶液的起泡高度略小于不加膠時溶液的起泡高度。這主要是因為溶液粘度增加，增大單位表面積的功也增大，在做同樣功的情況下，增大的表面積減小，因而起泡高度減小。
從表 2 可以看出，發泡劑加入穩定泡劑，其發泡倍數明顯降低，但穩定性卻顯著提高。
表 2 常見穩泡劑的性能
|
項目 |
十二烷基苯磺酸鈉 1% |
|
穩泡劑及濃度 |
尼納兒 |
動物膠 |
|
0.5% |
1% |
2% |
1% |
2% |
3% |
|
發泡倍數 |
19 |
16 |
13 |
21 |
18 |
12 |
|
1h 泌水量 /ml |
110 |
80 |
60 |
110 |
90 |
80 |
|
1h 沉陷距 / ㎜ |
30 |
20 |
16 |
25 |
18 |
13 |
4.2 發泡劑摻入混凝土的合理方法
在工業生產中，發泡劑摻入混凝土的方式不同，對混凝土性能會有較大影響。
泡沫摻入混凝土中，即在混凝土中形成大量封閉的小孔。而孔結構影響混凝土性能的三個最主要因素是孔的形狀、孔隙率和孔徑分布。眾所周知，混凝土氣孔的形狀越圓滑，受力越均勻，越不容易產生應力集中，對混凝土強度就越有利。隨著混凝土孔隙率增加，混凝土強度降低，在相同孔隙率下，平均孔徑越小，混凝土強度越高。另外，在發泡混凝土中，孔徑大于 l ㎜的孔即屬于有害孔，它對混凝土的力學性能將產生極為不利的影響。因此孔徑大于 1mm 的孔的多少，對發泡混凝土的力學性能具有很大的影響。所以，進入混凝土的泡沫要盡量具備高堅韌性、均勻性、分散性和小孔徑性，如何將泡沫制成均等的孔型、孔徑非常關鍵。
在混凝土中摻入泡沫時，泡沫必然產生大量損失。“為了獲得理想的氣孔含量或特定的混凝土容重，許多情況下，需要加入理論計算量的 2 ～ 3 倍的泡沫”這就涉及到發泡劑的摻入方式。發泡劑的摻入方式有兩種：一種是在混凝土拌和物中摻入發泡劑，使之在攪拌過程中自然發泡；另一種是在分離的裝置中預先把發泡劑制成泡沫，再摻入混凝土拌和物中。前者在混凝土中的氣孔含量具有明顯的變化，難以控制；后者雖多一道工序，卻可以攪拌出質量相對較高的泡沫。
目前國內制泡技術主要采用高速攪拌機，即是將發泡劑溶液倒入高速攪拌機中，然后用攪拌機的高速葉片攪拌發泡劑制取泡沫。國外制取發泡混凝土的泡沫多為壓縮空氣，讓發泡劑溶液和壓縮空氣在混合室混合，然后在壓縮空氣作用下，穿過一個特制的發泡筒，發泡筒內有的采用磁片，有的采用玻璃球，有的采用銅網。兩種發泡工藝比較，壓縮空氣發泡設備比高速攪拌機稍復雜一些。壓縮空氣發泡，一方面發泡效率較高，能將發泡劑溶液完全吹制成泡沫，通過發泡筒后其泡徑均勻；另一方面可將泡沫直接吹入攪拌好的料漿中，減少中間環節，能更好地防止中間環節導致的泡沫破滅。高速攪拌機發泡，其上下泡徑不均，發完的泡沫須經中間設備倒入攪拌好的料漿中，中間環節會導致部分泡沫破滅。從生成的泡沫質量方面和最終混凝土質量方面考慮，建議選用第二種方法。
［應用實例 3 ］
混凝土發泡劑的泡沫穩定性試驗
• 主要原材料
（ 1 ）發泡劑母液：發泡劑母液在實驗室人工合成，系蛋白質型混凝土發泡劑。
（ 2 ）表面活性物質和膠狀物質：三乙醇胺，烷基醇酰胺（俗稱 6501 ）和阿拉伯樹膠粉均為市售化學試劑；烷基苯磺酸鹽由北京慕湖外加劑有限公司提供。
二．試驗方法
目前我國還沒有發泡劑的有關技術標準及規程，各研制單位都根據自己的研究情況，采用自己的的技術指標及測試方法。本文通過測定發泡液的發泡倍數和泡沫隨放置時間的保持情況，來確定發泡劑的發泡倍數和生成泡沫的穩定性，采用了相應的測試方法和判別指標。具體試驗步驟如下：
量取 10mL 蛋白質型發泡劑母液，以一定比例與水稀釋 ( 即為發泡液 ) ，將發泡液加入有體積刻度的細長圓柱形透明玻璃或塑料容器中，先輕輕搖晃，使容器內發泡液混合均勻；然后劇烈振蕩 1 分鐘，使容器內發泡液轉變為泡沫。振動并觀察泡沫體積，重復劇烈振蕩若干次，使發泡液充分發泡，待泡沫體積不再發生變化，記錄泡沫體積即為發泡體積。泡沫體積與發泡液體積之比即為發泡倍數，以此來表示發泡能力。靜置，加蓋，當泡沫體積≤ 200mL 時就認為基本消泡。本試驗中對泡沫穩定性的改性主要是在發泡液中添加各種表面活性物質和膠狀物質，以達到對泡沫穩定性的改善作用。
三 試驗結果與分析
泡沫是氣體分散在液體中的粗分散體系，由于體系存在著巨大的氣 - 液界面，是熱力學上的不穩定體系，泡沫最終還要破壞的。造成泡沫破壞的主要原因是 :
(1) 重力排液。存在于氣泡間的液膜，由于液相密度大于氣相的密度，因此在地心引力的作用下就會產生向下的排液現象，使液膜減薄，并導致泡沫破裂。重力排液僅在液膜較厚時起主要作用。
(2) 表面張力排液。由于泡沫是多面體氣泡的堆積而成。根據 Young-Laplace 公式可知，凹液面處的壓力小于平液面處的壓力，因此液體從壓力大處向壓力小處排液，使得壓力大處液膜減薄，最終導致液膜破裂。
(3) 氣泡內氣體的擴散。因為形成泡沫的氣泡大小不一，根據 Young-Laplace 公式 (Δ p =2γ ／ R ), 附加壓力 Δ p 與曲率半徑成反比，小氣泡的壓力大于大氣泡的壓力。因此小氣泡會通過液膜向大氣泡里排氣，使小氣泡變小以至于消失；大泡變大且會使液膜變薄，最后破裂。
從以上三個方面可以看出，泡沫自身的穩定性主要取決于液體析出的快慢和液膜的強度，而增大溶液的黏度和液膜的黏彈性恰恰可以解決這三方面的問題。本試驗通過對發泡劑分別單摻和雙摻具有穩泡性的表面活性物和膠狀物，來改善泡沫的穩定性。摻入物質按照作用方式分為兩類：第一類是能降低液體表面張力，提高泡沫薄膜的質量，增加薄膜的黏彈性，減小泡沫的透氣性，增強泡沫的穩定性；第二類是增黏性物質，通過提高液相黏度來減緩泡沫的排液速率，從而提高泡沫的穩定性。通過對發泡液的發泡能力和泡沫穩定性的改性試驗，分析比較摻入物質對泡沫穩定性的影響，并確定最佳的改性物質和摻量，從而有助于發泡劑在泡沫混凝土制備中的進一步使用，也對泡沫混凝土在建筑領域的推廣起到促進作用。
1 三乙醇胺 (TEA) 對發泡液的改性
試驗中主要在三乙醇胺摻量低于 0.3mL ／ 30mL 發泡液范圍內，就其對發泡液的發泡能力和泡沫穩定性改性作用進行了測定，試驗結果如圖 l 和圖 2 所示。
圖 1 三乙醇胺對發泡倍數的影響 圖 2 三乙醇胺對泡沫穩定性的影響
根據圖 l 可以看出，當三乙醇胺加入后，發泡倍數的變化并不明顯，在 13 ～ 14 之間，但是摻量為 0.2 ～ 0.3mL 時，放置時間為 l h 的泡沫體積明顯低于其它，而且已基本消泡，穩定性較差。而摻量為 0.1-0.15mL 時泡沫的穩定性明顯有所改善， 2h 的泡沫體積仍在 300mL 以上 , 并且在 2h 時泡沫體積仍然大于空白試樣。說明當三乙醇胺摻量在 0.1 ～ 0.15 ／ 30mL 發泡液范圍內能改善泡沫的穩定性。
2. 阿拉伯樹膠粉對發泡液的改性
阿拉伯樹膠粉 , 俗名阿拉伯膠 , 溶于水 , 主要用作增稠劑。采用阿拉伯膠是出于其對泡沫膜壁強度增強作用的考慮 , 試驗時阿拉伯膠直接以粉狀物添加到發泡液中 , 待靜置片刻溶解后再進行發泡試驗。試驗結果示于圖 3 和圖 4
圖 3 阿拉伯膠對發泡倍數的影響 圖 4 阿拉伯膠對泡沫穩定性的影響
根據圖 3 可以看出，阿拉伯膠摻入后都不同程度地降低了起泡性，尤其明顯的是摻量從 0.4g 增加到 0.6g ，發泡倍數呈下降趨勢；當摻量為 0.6g 時發泡倍數明顯降低，發泡倍數變小，僅為 9.7 。根據圖 4 可以看出，在泡沫放置了 1h 左右時，泡沫體積變化不太明顯；放置了 2h 時泡沫體積變化較大。當阿拉伯膠摻量為 0.3 -0.5g 時，泡沫在 3h 時體積明顯大于其它試樣和空白試樣，而且都還在 200mL 以上，穩定性相對較好。其原因是：阿拉伯膠是種增稠劑，其加入后使得母液相應地變稠，這樣發出的泡沫薄膜質量有了提高，增加了薄膜的黏彈性，減小了泡沫的透氣性，從而增強了泡沫的穩定性。但因為摻量不斷增大時，液相的黏度也不斷增大，起泡時克服黏滯阻力所要做的功也增大，起泡度也就降低。而且摻量增大，液膜中的液體的比重也增加，這時重力作用就容易造成泡沫破裂而析水，從而穩定性降低。
3 烷基醇酰胺對發泡液的改性
烷基醇酰胺 ( 俗稱 6501) ，為非離子型表面活性劑，少量取用時難以計量準確，因此添加時首先與水以 1 ： 200( 體積比 ) 稀釋后再添加到發泡液中。試驗結果示于圖 5 和圖 6 。
圖 5 6501 稀釋液對發泡倍數的影響 圖 6 6501 稀釋液對發泡倍數的影響
從圖中的變化規律可以看出， 6501 引入發泡液后，發泡倍數明顯降低；隨摻量增加發泡倍數雖然一度增加，但仍然不及空白試樣。這說明 6501 對發泡劑母液的發泡能力沒有改善作用。而且從圖 6 看出穩定性也很差，不但沒有改善，反而比空白試樣有很大降低。所以，無論從發泡能力和還是泡沫穩定性考慮， 6501 不能對發泡劑母液的起泡性和穩定性起到有效改性作用。
• 烷基苯磺酸鹽對發泡液的改性
烷基苯磺酸鹽為一種陰離子型表面活性劑。試驗時以粉狀的形式直接添加于發泡液中。試驗結果示于圖 7 和圖 8 。
圖 7 烷基苯磺酸鹽對發泡倍數的影響 圖 8 烷基苯磺酸鹽對穩定性的影響
由圖 7 以看出，當烷基苯磺酸鹽摻量為 0.2 ～ 0.4g 的范圍內時，都增大了發泡倍數；而且根據圖 8 可以看出，穩泡時間較長， 4h 還沒有完全消泡。而當摻量繼續增加時，發泡倍數與穩定性反而有所降低。主要是因為摻量增大使得泡沫中液體比重不斷增大，因而重力作用明顯，液膜逐漸變薄，薄到一定程度便導致泡沫破裂。試驗結果表明，在發泡液中添加烷基苯磺酸鹽類表面活性劑有望改善其發泡能力和泡沫穩定性，適宜的摻量控制范圍為 0.2 ～ 0 .4g ／ 30mL 發泡液。三乙醇胺和阿拉伯膠復合添加對發泡液的改性。
• 三乙醇胺摻量固定為 0.15mL ／ 30mL 發泡液，改變阿拉伯膠摻量。試驗結果示于圖 9 和圖 10 。
圖 9 三乙醇胺和阿拉伯膠對發泡倍數的影響 圖 10 三乙醇胺和阿拉伯膠對泡沫穩定性的影響
由圖可以看出，三乙醇胺和阿拉伯膠復合添加后對發泡倍數的影響不明顯，當三乙醇胺摻量固定為 0.15mL ／ 30mL 發泡液，阿拉伯膠摻量為 0.5 ～ 0 .6g ／ 30mL 發泡液時，發泡倍數有所降低，而阿拉伯膠摻量為 0.3 -0.4g ／ 30mL 發泡液時，發泡倍數雖變化不大，但靜置 2h 后，泡沫的體積在 200mL 以上，穩定性相對較好。
四 結論
1 烷基苯磺酸鹽摻量為 0.2 ～ 0 .4g ／ 30mL 發泡液，發泡倍數和穩定性都有了明顯改善，對發泡劑母液起到了有利的改性作用。
2 三乙醇胺摻量為 0.1 ～ 0.15mL ／ 30mL 發泡液時，泡沫的穩定性有一定的改善作用。
3 阿拉伯膠的摻入，引起起泡性降低，但對泡沫穩定性有改善作用。
4 三乙醇胺與阿拉伯膠復合摻入后，發泡倍數基本沒有變化，但是泡沫穩定性比單獨摻加三乙醇胺時有進一步改善。適宜的摻量為三乙醇胺 0.15mL ／ 30mL 發泡液，阿拉伯膠 0.5 ～ 0.6 ／ 30mL 發泡液。
以上實驗結果證明，三乙醇胺、烷基苯磺酸鹽和阿拉伯膠對發泡液發泡性和泡沫穩定性有不同程度的改善作用。但是單純泡沫體系和泡沫混凝土體系可能會有所差別，所以可以考慮將這幾種對發泡液改性后生成的泡沫應用到泡沫混凝土制備中，以進一步驗證它們對發泡劑性能的改善作用在泡沫混凝土制備中的有效性。
［應用實例 4 ］
泡沫混凝土
墻體革新與建筑節能要求使用的材料具有質輕、高強、節能、利廢、保溫、隔熱等性能，輕質泡沫混凝土是一種新型的具備上述要求的材料，在作為框架填充墻、管道保溫、屋面保溫工程中受到廣泛的重視。發泡混凝土是利用機械方式將發泡劑水溶液制作成泡沫，再將泡沫混入到含硅質材料如：砂、粉煤灰；鈣質材料如：水泥、石灰等，各種外加劑及水組合的混合料中，經攪拌均勻澆筑成型各種所需的規格，養護而成的含有大量封閉氣孔的輕質混凝土，其材料具有良好的物理力學性能。
1 泡沫混凝土的開發現狀
1.1 泡沫混凝土的結構性能
其材料的結構性能同加氣混凝土基本相似，是多孔混凝土的一個品種。將發泡劑產生的泡沫混入到含硅、鈣質材料和水及外加劑組成的混合漿中拌合，硬質顆粒附著在泡沫外殼，使其形成相互隔開的獨立的氣泡，混合料中的氣孔分布越是均勻、尺寸越小、則混凝土強度越高，其材質性能更好。在常溫下 (>IO ℃ ) 多孔材料凝結形成多種所需形體，在蒸汽蒸壓養護下硅質、鈣質材料產生水熱反應后形成膠凝材料，冷卻后即成為具有較高強度的多孔輕質材料。
泡沫混凝土具有質輕、保溫、隔熱、耐火、抗凍性好的建筑節能材料，混合漿在成型時可自流平、自密實 ; 施工和易性好、利于泵送和整平，同其他建筑材料都會有良好的相容性，強度可根據需要調整。其主要性能體現在以下幾個方面：
a) 質輕密度小：泡沫混凝土的密度一般為 300kg ／ m 3 ～ 1200kg ／ m 3 在建筑材料選用中比常規建材降低自重 30 ％左右，可降低結構和基礎的重量和造價，對抗震有利；
b) 熱工性能好：泡沫混凝土內含有眾多獨立不貫通細小孔洞，形成良好的熱工性能，正常的導熱系數在 0 ． 08W ／ (m · K) ～ 0 ． 25W ／ (m · K) 之間，保溫隔熱隔音效果明顯。在我國三北廣大地區外墻厚度采用 200mm ～ 250mm 的泡沫混凝土砌塊，保溫性能相當于 490mm ( 二磚 ) 厚的效果，用于節能墻體和屋面保溫層更好。
c) 隔熱防火性能好：由于泡沫混凝土屬于多孔輕質材料，可用于樓層的向陽隔熱層和沿公路一側的隔音層使用。同時在防火、防水性能方面也具有良好效果，充分利用廢棄材料、節省耕地和能源、降低價格。
1.2 發泡劑的性能及其應用
1.2.1 發泡劑的品種及性能：用于混凝土的發泡劑種類較多，目前常用的發泡劑主要是各種表面活性劑。現時國內發泡劑主要是松香膠發泡劑、廢動物毛發發泡劑、樹脂皂類發泡劑、木質素磺酸鹽、水解血膠發泡劑、石油磺酸鋁發泡劑、蛋白質水解物及高分子表面活性劑等。國內發泡劑總體上看功能偏少、穩定性差、制品強度較低。國外如意大利、日本研制的發泡劑多以蛋白質類為主，發泡數量多、穩定性好、產品強度高。近年來國內己開發出一批性能較好的固體樹劑和蛋白質泡沫劑，如 CON — A 型泡沫劑、 FP 型固體樹指泡沫劑、 U 型發泡劑、 HJ-3 型磺酸鹽系列微泡劑等。
發泡劑形成的泡沫質量應具有堅韌性、發泡量、泌水性等指標作為標準。泡沫的堅韌性是指泡沫在空氣中在一定的時間內不過早的被破壞；發泡量是泡沫體積增大于發泡劑溶液體積的倍數；泌水量是指泡沫被破壞后所產生發泡劑水溶液的體積。表 1 為常用發泡劑的性能指標。
表 1 常用發泡劑的性能指標
|
發泡劑品種 |
十二烷基苯磺酸鈉 |
松香皂 |
松香熱聚物 |
動物毛發 |
|
濃度 % |
0.5 |
1 |
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
|
發泡倍數 |
27 |
32 |
28 |
29 |
25 |
26 |
20 |
22 |
|
1h 泌水量 ml |
150 |
140 |
120 |
110 |
140 |
120 |
60 |
40 |
|
1h 沉降距 ㎜ |
50 |
38 |
34 |
29 |
38 |
33 |
8 |
5 |
發泡劑因其分子結構的不對稱，能聚集在氣 - 液表面上降低表面張力，提高膜的機械強度，因此可在純靜液體中加入發泡劑后，經攪拌、混合、噴射、吹入等機械方法將氣體帶入就制得所需泡沫。
1.2.2 泡沫性質及穩定性：泡沫的穩定性是極為重要的。不穩定的原因是由于泡沫中液體的析出和氣體穿透液膜擴散，其穩定性主要取決于液體析出的速度和液膜的質量，增加溶液的粘度可以解決這一問題。目前國內制泡主要是采用高速攪拌機，利用高速旋轉的葉片制作泡沫，葉片上下泡徑不勻，泡沫質量與葉片長度、角度、層數、線速度、時間有關。外界環境壓力一大則氣泡分布窄均勻，泡沫也穩定；泡沫的穩定是隨著氣溫的升高而下降，拌合料如粉煤灰、砂粒形狀均勻、表面光潔，這樣泡沫本身的特性能較好發揮，不致產生集中，利于泡沫穩定。
1.3 原材料
a) 水泥：泡沫砼是一種大流動性砼，為了能使拌合料在較短時間內凝結，防止產生沉降和泌水，盡快提高砼的早期強度，宜采用高強度等級的早強水泥，以硅酸鹽或硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥較好。這幾種水泥由于具備了早期強度高、微膨脹、干縮性小的優點，是泡沫砼較好的膠結材料。
b) 粉煤灰：粉煤灰具有摻合料和生成膠凝材料的雙重效果，它的顆粒越小則活性越大，制成的泡沫砼強度越高。泡沫砼的干容重取決于孔隙率，粉煤灰的類型和摻量對孔隙率影響不大，一般摻量在 30 ％～ 60 ％對泡沫砼的孔隙率、抗壓強度沒有影響，如礦渣細料和粉煤灰的復合使用效果更有利于砼強度的提高，同時若配制較高強度砼時可摻入適量硅灰更好。
c) 石灰和石膏：采用生石灰在水化時能產生較大熱量。有利于摻入適量粉煤灰的泡沫砼早期強度的提高，在配合比中隨著石灰摻量的增加，泡沫砼的強度也相應提高，其控制用量一般在 10 ％— 15 ％。石膏在膠結材料中起激發劑的作用，隨著石膏摻量的加大，泡沫砼的早期強度會快速增加，當超過一個定值后強度反而會降低，其最佳摻量在 3 ％～ 4 ％為宜。
d) 輕集料：當需要更輕集料的泡沫砼時可摻入一定量的輕集料，如膨脹珍珠巖、硅石粉、輕質陶粒等；如對重量不要求時可摻一定量的爐渣、浮石、砂等。當選用膨脹珍珠巖作為制作泡沫砼的功能調節劑時，不僅可使砼的澆筑高度增加，保持混合料上下均勻不沉降，而使制品具有良好的吸音效果。
1.4 外加劑
泡沫砼與加氣砼基本相似，同樣具有干縮性大、吸濕性強的不足。為減少干縮彌補不足采取填加復合外加劑的方法解決。在配制時摻入膨脹劑以減少收縮裂縫；摻入纖維材料以提高抗拉強度；摻適量集料以減少體積收縮；用有機物對其表面進行浸漬，提高表面強度并降低吸水率；摻入粉煤灰可減少水泥用量提高后期強度的增長。
1.5 加工制作工藝
泡沫砼制品的加工生產流程是先將水泥、集料、摻合料、外加劑和水按配合比重量分別計量加入裝有泡沫溶液的容器內進行攪拌，拌合均勻后再倒入模板內，低幅震動抹平，養護脫模即可。同時要注意攪拌時間的控制，隨著水化時間的延長，泡沫砼的強度呈上升，密度呈下降趨勢，最佳時間控制在 90min 為宜。
養護泡沫砼時表面的泡沫破裂是不可避免的，在水平和垂直方向均可出現，但由于表面干燥失水產生的微裂縫可以避免的，構件成型后用鐵抹壓刮平，待初凝后覆蓋塑料布或早期蒸養，防止早期失水過快產生開裂。
2 國內泡沫砼的應用現狀
2.1 輕質泡沫砼砌塊
泡沫砼已用于填充墻體、屋面保溫等建筑工程中，南方地區在建筑中一般采用密度 800kg ／ m 3 ～ 1000kg ／ m 3 的泡沫砼砌塊，其使用規格趨向于輕集料砼空心砌塊，主要使用規格為 390mm × l 90mm × 190mm ；西北地區一般用密度 500kg ／ m 3 ～ 700kg ／ m 3 的砌塊，規格相當于加氣砼砌塊，主要規格尺寸為 600mm × 300mm × 300mm 、 600mm × 300mm × 200mm 等。密度等級從 300 級～ 1200 級，每 100 級增加其密度不同強度等級也不同，一般強度自 1.5MPa ～ 4.OMPa 之間。
不同地區的工程對泡沫砼有不同的需求，例如對抗凍性、抗碳化性、隔音隔熱效果等，內外墻有所不同。表 2 為西北地區某研制所配制的免蒸復合發泡沫砼砌塊，其質量等級為 600kg ／ m 3 的砌塊配合比，原材料中有：水泥、石灰、粉煤灰、復合外加劑 ( 硅酸鹽和硫酸鹽會產生超塑性 ) 、發泡劑 ( 自制的 FP 復合發泡劑 ) 、減水劑、礦粉、植物纖維和水等。
表 2 體積質量等級為 600 ㎏ /m 3 的發泡砌塊材料配合比
|
原材料 |
規格 |
用量 ㎏ |
備注 |
|
水泥 |
42.5R 硅酸鹽水泥 |
180 |
— |
|
粉煤灰 |
燒失量 5% |
330 |
— |
|
礦渣細粉 |
細度 6000m 2 /g |
45 |
— |
|
石灰 |
140 目有效 CaO ≥ 70% |
8 |
— |
|
復合外加劑 |
硅硫酸鹽 |
20 |
— |
|
纖維 |
植物纖維 |
5 |
復合外加劑 : 水 =1:5 |
|
減水劑 |
減水率 25% |
0.5 |
纖維 : 水 =1:5 |
|
發泡劑 |
— |
3.5 |
減水劑 : 水 =1:10 |
|
水 |
PH=7 |
180 |
發泡劑 : 水 =1:(23 ～ 25) |
經應用抽樣復查測試， 600 級的實際技術性能為 : 干容重 648kg ／ m 3 ；抗壓強度 3.8MPa ；吸水率為 12.0 ％；抗凍性經 25 次凍融循環合格 ; 干燥收縮量 0.72mm ／ m ，產品各項經濟技術指標與傳統的加氣砼砌塊對比顯著。
2.2 大摻量泡沫砼砌塊
以 700 級粉煤灰泡沫砼砌塊為例，試件采用比表面積 400m 2 ／ kg 的細粉煤灰為主要原材料，發泡劑為 ( 聚合物改性松脂皂液 ) 。使用的配合比為：水泥：粉煤灰：熟石灰：石膏：減水劑 (UNF) ：早強劑 ( 硫酸鹽 ) ：膨脹劑：發泡劑 =1 ： 1 ～ 1.6 ： 0.05 ～ 0.25 ： 0.05 ～ 0.20 ： 0.005 ～ 0.01 ： 0.005 ～ 0.02 ： 0.005 ～ 0.09 ：適量。實際檢測抗壓強度達 3.5MPa 、干燥收縮量 0.72mm ／ m 、碳化系數 0.21W ／ (m · K) 、 15 次凍融循環合格。
大摻量泡沫砼試配表明，隨著粉煤灰量的增加，則對容重和強度影響極小，在摻量 40 ％～ 60 ％范圍內，砼的容重減小吸水率增加， 28 天的抗壓強度偏低，加強后期養護強度會逐漸上升。在常溫下制作養護，其導熱系數小、質輕、抗凍性可滿足需要，粉煤灰越細其產品抗壓強度越高。粉煤灰泡沫劑摻量增大，其砼的容重減小、吸水率增加、 28 天抗壓強度降低，對三者的影響明顯。
2.3 屋面泡沫砼保溫層現澆
泡沫砼屬于節能型保溫材料在屋面采用強度等級為 200kg ／ m 3 ～ 1000kg ／ m 3 ，復合施工是將保溫層、找坡和找平層三道工序一次施工 , 簡化屋面構造層數，施工簡便整體性熱工性好，優于膨脹珍珠巖保溫層。常用的施工配合比為：
普通硅酸鹽水泥 250kg ／ m 3 ～ 270kg ／ m 3 ；輕質集料 190kg ／ m 3 ～ 200kg ／ m 3 ；發泡劑 6kg ／ m 3 ；石灰 ( 石膏 ) 10kg ／ m 3 ～ 15kg ／ m 3 ；外加劑 9.5kg ／ m 3 ～ 10kg ／ m 3 ；水 200kg ／ m 3 ；防水透氣液 1.Okg ／ m 3 ～ 1.6kg ／ m 3 。
屋面保溫層采用泡沫砼根據需要厚度一次澆筑成型，實際檢驗發泡氣體充分，孔壁厚度均勻、密度小、不龜裂、隔熱吸音好，既可減輕建筑物重量，又可達到防滲防水、保溫隔熱效果。
2.4 陶粒泡沫砼
輕質陶粒砼是將多孔泡沫料漿注入預先放有陶粒的模內成型，強度是隨著陶粒強度的增長而增加。陶粒泡沫砼在配制時要經有資質的試驗室進行試配，選擇陶粒用量、泡沫摻量、砂率的最佳摻量，而增加水泥用量并不能明顯提高砼的強度，摻入適量粉煤灰代替水泥其效果更好。陶粒泡沫砼的抗凍性優于其他填充集料，經 50 次凍融循環后強度和重量損失小于 10 ％。
2.5 粉煤灰泡沫砼墻板
粉煤灰泡沫輕質墻板的通常做法是：砼中摻入粉煤灰 30 ％～ 45 ％、水泥 45 ％～ 60 ％、膨脹珍珠巖 10 ％～ 15 ％；外形尺寸 2700mm × 600mm × 60mm 、表面密度小于 40kg ／ m 2 、抗折力大于 1400N 、導熱系數小于 0 ． 20W ／ (m · K) 、空心率 28 ％、防火性能好。
2.6 其他材料泡沫輕質砼
凝結快收縮量小的泡沫砼，這種砼采用由鋁酸鈣和硫酸鈣組成的硅酸鈣水泥作為快凝膠結材料、用緩凝劑及按工程需要所選擇的集料所組成。采用蛋白質發泡劑、表面活性劑及發氣劑及水等，同集料一同攪拌。其制品具有凝結快、干縮性小、強度早強增長快的特性。在工程中需要重量較低的泡沫砼，如用硅石作為主要材料做為地坪、防靜電、防火等工程。
3 輕質泡沫砼應用中注意的問題
泡沫砼應用中容易產生的問題有：強度偏低達不到所需要求，尤其是密度小于 800kg ／ m 3 的泡沫砼抗壓強度小于 2.OMPa ，表面干縮微裂縫、吸水率大等。為避免上述問題的存在 , 在提高以強度為主的設計時重視到：選擇經過優化的配合比、使用高效減水劑、采用優質發泡劑、加強成品的早期保濕防止水分過早蒸發、減小干縮過快開裂、適量摻入膨脹劑等。
我國正在推廣生態節能和資源利用的建筑材料，輕質泡劑砼的推廣應用前景是十分看好。但要保證泡沫砼的強度質量，研制高效發泡劑、復合外加劑及 ( 集料 ) 原材料配合比、對砼性能在設備、工藝流程的影響，在實踐應用中總結提高處理好具體技術問題，使泡沫砼的應用更廣泛。
［應用實例 5 ］
現澆輕質泡沫混凝土
近年來，輕質泡沫混凝土的研究和應用開發在國內外受到了越來越多的重視，這種新型建筑材料顯著地體現了發展節能、利廢、保溫、輕質、隔熱等新型材料的性能要求，其種類和應用領域也在不斷地擴大。
泡沫混凝土通常是將由發泡劑制備成的泡沫液加入到含硅、鈣質的混合膠材、輕骨料及各種塑化劑等組成的料漿中，經混合攪拌、澆注成型、養護而成的一種內部含有大量封閉氣孔的混凝土，泡沫混凝土輕質多孔，具有良好的物理力學性能。由于其主要成分和功能的不同，可以有多種不同類型的泡沫混凝土，常用的有水泥砂漿和粉煤灰泡沫混凝土，另外還開發了水玻璃泡沫混凝土、快硬低收縮泡沫混凝土、陶粒、 EPS 輕集料泡沫混凝土、泡沫粉煤灰硅酸鹽制品，如輕質隔墻隔聲板、復合外墻板、夾芯構件等。
泡沫混凝土砌塊的物理性能與普通加氣混凝土砌塊相似，可以利用其隔熱性能和輕質高強作為框架構的填充墻和結構非承重墻體材料，還可以用作墻體、屋面隔聲保溫層和管道保溫套等。在一些新的應用領域中，泡沫混凝土還被應用到地基補償、地面防靜電地板、防火墻的絕緣填充、隔聲層、隧道襯管回填、貧混凝土填層、屋面邊坡、鋼罐地撐、擋土墻等，應用前景十分廣闊。
1 輕質泡沫混凝土的實驗研究
1.1 實驗制備原料選用
一般泡沫混凝土中應用較廣泛的是水泥 - 砂和水泥 - 混和材泡沫混凝土兩種類型 , 可以按照工程要求添加一些功能外加劑。本次試驗主要針對水泥 - 粉煤灰 - 砂泡沫混凝土，采取正交試驗的手段，分析其中各成分及其配合比的影響。
主要原料的種類和性質如下：
(1) 水泥：普通硅酸鹽 32.5R 水泥
(2) 粉煤灰：Ⅱ級灰 ( 含水率 27 ％ )
(3) 泡沫劑：混凝土泡沫劑
(4) 砂： ISO 標準砂
(5) 減水劑：慕湖牌減水劑
1.2 試驗制備方法及過程
試驗采用泡漿分開混合法，主要步驟有：混合砂漿制備、泡沫制備、泡漿混合攪拌、澆筑成型 ( 試件大小為 70.7mm × 70.7mm × 70mm ) 。
試驗主要設備：泡沫高速攪拌機、水泥砂漿攪拌機、振動臺。
具體的操作過程如下：
(1) 先按設計配比將水泥、粉煤灰、砂、泡沫劑、水、減水劑分別計量，將泡沫劑和發泡所需用水倒入制泡機，容積 2L 的制泡時間大約為 3min 左右；
(2) 水泥等混合原料在攪拌機內先干拌均勻，再加入水和減水劑攪拌 2-3min ；
(3) 將泡沫液緩慢倒入混合料內繼續攪拌 5min 左右，保證泡沫均勻分布在混合料中；
(4) 最后將制得的料漿注模，在振動臺上振動 40s 密實，刮平表面， 24-48h 后脫模，放入標準養護室養護。
1.3 正交試驗設計
1.3.1 正交表的設計
本次試驗的采用的是四因素三水平的正交表 L9(3 4 ) ，其中的因素考慮水泥在膠結材中的含量比、泡沫劑量、水灰比、減水劑的不同影響，根據前期的預試驗初步確定了各成分的水平值，具體見表 1 。
四個因素：
A 水泥摻量 ( 膠凝材料 )( ％ )
表 1 因素水平表
|
因素 |
水平 |
|
1 |
2 |
3 |
|
C(A) |
45.1% |
51.6% |
58.1% |
|
CCW(B) |
6g |
7g |
8g |
|
W/C(C) |
0.60 |
0.625 |
0.65 |
|
AT-2(D) |
0 |
1.0% |
1.2% |
B CCW-95 泡沫劑用量 (g)
表 2 正交試件原料配比及試驗結果 (g/ 3.0L )
|
編號 |
水泥 |
粉煤灰 |
水 |
泡沫劑 |
砂 |
AT-2 |
W/C |
14d 抗壓強度 /Mpa |
28d 抗壓強度 /Mpa |
表觀密度 ( ㎏ /m 3 ) |
|
1(4.19) |
700 |
850 |
420 |
6 |
1350 |
0 |
0.600 |
1.5 |
1.9 |
1118 |
|
2(4.20) |
700 |
850 |
438 |
7 |
1250 |
7 |
0.625 |
0.7 |
0.8 |
911 |
|
3(4.21) |
700 |
850 |
455 |
8 |
1150 |
8.4 |
0.650 |
0.2 |
0.56 |
934 |
|
4(4.21) |
800 |
750 |
520 |
6 |
1350 |
9.6 |
0.650 |
1.26 |
1.3 |
976 |
|
5(4.23) |
800 |
750 |
500 |
7 |
1250 |
0 |
0.625 |
1.33 |
1.7 |
968 |
|
6(4.24) |
800 |
750 |
480 |
8 |
1150 |
8 |
0.600 |
0.5 |
0.6 |
945 |
|
7(4.24) |
900 |
650 |
585 |
6 |
1350 |
9 |
0.650 |
0.54 |
0.75 |
903 |
|
8(4.28) |
900 |
650 |
540 |
7 |
1250 |
10.8 |
0.600 |
0.3 |
0.36 |
866 |
|
9(4.28) |
900 |
650 |
563 |
8 |
1150 |
0 |
0.625 |
0.26 |
0.29 |
801 |
說明 : 上表中三個檢測指標 14d/28d 抗壓強度 ( 由于泡沫混凝土強度較低、發展較慢 , 選擇 14d 和 28d 檢測值 ) 和表觀密度 , 分別為觀測值 Xk 、 Y k 、 Z k , 極差為 Rx 、 Ry 、 Rz 、 Sj 和 St 分別是各觀測值的平方和與總平方和。
表 3 極差分析
|
試驗 |
A |
B |
C |
D |
X k |
Y k |
X k |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1.5 |
1.9 |
1118 |
|
2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
0.7 |
0.8 |
911 |
|
3 |
1 |
3 |
3 |
3 |
0.2 |
0.56 |
934 |
|
4 |
2 |
1 |
2 |
3 |
1.26 |
1.3 |
976 |
|
5 |
2 |
2 |
3 |
1 |
1.33 |
1.7 |
968 |
|
6 |
2 |
3 |
1 |
2 |
0.5 |
0.6 |
945 |
|
7 |
3 |
1 |
3 |
2 |
0.54 |
0.75 |
903 |
|
8 |
3 |
2 |
1 |
2 |
0.3 |
0.36 |
866 |
|
9 |
3 |
3 |
2 |
3 |
0.26 |
0.29 |
801 |
|
X 1j |
2.40 |
3.30 |
2.30 |
3.09 |
X |
|
|
|
X 2j |
3.09 |
2.33 |
2.22 |
1.74 |
|
|
|
X 3j |
1.10 |
0.96 |
2.07 |
1.76 |
0.7322 |
|
|
|
R x |
1.99 |
2.34 |
0.23 |
1.35 |
Sxt |
|
|
|
S xj |
0.6807 |
0.9215 |
0.0091 |
0.3991 |
2.0104 |
|
|
|
Y 1j |
3.26 |
3.95 |
2.86 |
3.89 |
Y |
|
|
|
Y 2j |
3.60 |
2.86 |
2.39 |
2.15 |
|
|
|
Y 3j |
1.40 |
1.45 |
3.01 |
2.22 |
0.917 |
|
|
|
R y |
2.20 |
2.50 |
0.62 |
1.74 |
Syt |
|
|
|
S yj |
0.9350 |
1.0474 |
0.0698 |
0.6468 |
2.6990 |
|
|
|
Z 1j |
2963 |
2997 |
2929 |
2887 |
Z |
|
|
|
Z 2j |
2889 |
2745 |
2688 |
2759 |
|
|
|
Z 3j |
2570 |
2680 |
2805 |
2776 |
935.8 |
|
|
|
R z |
393 |
317 |
241 |
128 |
Szt |
|
|
|
S zj |
29076.2 |
18690.9 |
9682.9 |
322.1 |
60671.6 |
|
|
C 水灰比 (W/C)
D AT-2 減水劑摻量 (%)
1.3.2 正交試驗試樣配比及檢驗結果檢測指標為： 14d ／ 28d 抗壓強度和干表觀密度，以三個試件的檢測平均值為準。
試件大小： 70.7mm × 70.7mm × 70.7mm 。
1.3.3 試驗設計說明
(1) 發泡劑量所形成的泡沫體積量大約為： 6g ～ 2.0L 。發泡比例： 1g 發泡劑： 50g 水，本次試驗以發泡劑質量來作為水平取值。
(2) 減水劑的減水效果在 10 ％ -15 ％左右，本試驗中減水率取 10 ％。
(3) 實際用水量包含了發泡用水量和膠結料的需水量，并考慮了泡沫劑的結合水，結合水的系數按預試驗效果取 0.4 計算。泡沫中除去結合水，其他水量參與膠結材的水化作用。本次試驗的水灰比是以實際總用水量來計算。
(4) 粉煤灰充當集料，實際也有一定的膠凝作用，對強度有貢獻。
2 試驗結果分析
正交試驗是數理統計學中多因素隨機變量的分析法，由于任意兩列的各水平搭配次數相同，保證了試驗點在因子空間中的均衡分散性，每列中的因素在各水平上出現的次數相同，可有效地進行因子比較。以下是對多因素隨機變量進行極差和方差分析，不考慮交互作用。
2.1 對各因素隨機變量進行極差分析
由以上的極差分析可以得出，樣本三個觀測指標的極差大小顯著性各有不同。泡沫劑的摻入量對于 14d 和 28d 抗壓強度有顯著影響；其次，水泥在凝膠材料中的含量也有很重要的影響；第三位是減水劑的影響；水灰比在本實驗對于抗壓強度的影響最小。
圖 1 、圖 2 、圖 3 是各因素對指標的影響極差分析圖。
表 4 各因素對 14d 抗壓強度指標的方差分析表
|
來源 |
平方和 |
自由度 |
均方 |
F 值 |
臨界值 |
|
A |
0.6807 |
2 |
0.3403 |
74.8924 |
F0.99(2,2)=99.0 |
|
B |
0.9215 |
2 |
0.4607 |
101.3863 |
|
C |
0.0091 |
2 |
0.0045 |
1.0000 |
|
D |
0.3991 |
2 |
0.1995 |
43.9095 |
F0.95(2,2)=19.0 |
|
誤差 |
0.0091 |
2 |
0.0045 |
|
|
總和 |
2.0104 |
8 |
|
|
表 5 各因素對 28d 抗壓強度指標的方差分析表
|
來源 |
平方和 |
自由度 |
均方 |
F 值 |
臨界值 |
|
A |
0.9350 |
2 |
0.4675 |
13.4043 |
F0.99(2,2)=99.0 |
|
B |
1.0474 |
2 |
0.5237 |
15.0147 |
|
C |
0.0698 |
2 |
0.0349 |
1.0000 |
|
D |
0.6468 |
2 |
0.3234 |
9.27.27 |
F0.95(2,2)=19.0 |
|
誤差 |
0.0698 |
2 |
0.0349 |
|
|
總和 |
2.6990 |
8 |
|
|
表 6 各因素對表觀密度指標的方差分析表
|
來源 |
平方和 |
自由度 |
均方 |
F 值 |
臨界值 |
|
A |
29076.2 |
2 |
14538.1 |
9.0 |
F0.99(2,2)=99.0 |
|
B |
18690.9 |
2 |
9345.4 |
5.8 |
|
C |
9682.9 |
2 |
4841.4 |
3.0 |
|
D |
3221.6 |
2 |
1610.8 |
1.0 |
F0.95(2,2)=19.0 |
|
誤差 |
3221.6 |
2 |
1610.8 |
|
|
誤差 |
60671.6 |
8 |
|
|
2 對各因素隨機變量進行方差分析
用 F 分布檢驗各因子的作用顯著性 ( 取顯著水平 α =0.01 、 0.05) ，列方差分析見表 4 ～表 6 。
由以上的方差分析可以得出，泡沫的摻量對于材料的抗壓強度有著最重要的影響，最優的組合是 A2B1ClDl ，泡沫量越大，混凝土中的孔隙和氣泡越多，密實度降低，從而抗壓強度也降低。其次，水泥是主要的膠結材料，它的含量對于強度的貢獻也有很大的影
水灰比在適當的范圍內對于強度的影響不明顯，對于總水量和參與水化作用的用水量，它們分別的水灰比必須都在一個恰當的范圍內。減水劑的添加要控制量，可以在必要時加入少量外加劑。對于干表觀密度的影響，水泥量和泡沫量對表觀密度的影響較明顯，在設計密度時，主要參考這兩項原料的配比。
3 結論
(1) 泡沫的摻量對于材料的強度和表觀密度有著重要的影響，泡沫量越大，混凝土中的孔隙和氣泡越多 , 密實度降低，抗壓強度也降低。
(2) 水泥的用量對材料的強度和表觀密度有很大的影響。
(3) 可以在泡沫混凝土中摻加一定量的減水劑，以改善混凝土的性能。
［應用實例 6 ］
隔熱泡沫混凝土
1 泡沫混凝土的基本性能
1.1 泡沫混凝土的結構形式
泡沫混凝土是以水泥 (425 號以上 ) 、細砂為基料，加入發泡劑、膨脹劑、助劑、甚至防水劑，經過專用攪拌機攪拌而成，具有無數微小獨立、分布均勻、封閉的氣孔結構。
1.2 泡沫混凝土的物理性能
由于泡沫混凝土具有獨特的氣孔結構形式，使其具有良好的隔熱性能，還兼有質輕體硬、防水、防火、抗震等性能，如表 1 。
表 1 泡沫混凝土的物理性能
|
序號 |
檢測項目 |
單位 |
數值 |
備注 |
|
1 |
抗壓強度 |
Mpa |
2.5 ～ 2.7 |
|
|
2 |
抗折強度 |
Mpa |
1.2 |
|
|
3 |
密度 |
㎏ /m 3 |
500 ～ 900 |
絕干恒重 |
|
4 |
吸水率 |
% |
＜ 15 |
|
|
5 |
氣干含水率 |
% |
＜ 10 |
|
|
6 |
干燥收縮 |
㎜ /m |
＜ 0.5 |
|
|
7 |
導熱系數 |
W/(m · K) |
0.18 |
|
|
8 |
耐火極限 |
h |
2.7 |
|
|
9 |
隔聲 |
db |
20 |
9 ㎝厚度 |
|
10 |
抗沖擊性 |
次 |
100 |
10 ㎏· m 落差 |
1.3 泡沫混凝土與其它隔熱材料的物理性能對比值 ( 表 2)
表 2 泡沫混凝土與其它隔熱材料的物理性能對比
|
材料名稱
物理性能 |
泡沫混凝土 |
膨脹珍珠巖 |
陶粒混凝土 |
架空隔熱層 |
|
抗壓強度 (Mpa) |
2.5 ～ 7.5 |
5.0 ～ 7.5 |
7.5 |
3.7 ～ 5.0 |
|
抗折強度 (Mpa) |
1.2 |
3.2 |
5.3 |
4.3 |
|
密度 ( ㎏ /m 3 ) |
500 ～ 900 |
1000 ～ 1400 |
1200 ～ 1600 |
1800 |
|
吸水率 (%) |
＜ 15 |
64 |
100 |
100 |
|
氣干含水率 (%) |
＜ 10 |
|
|
|
|
干燥收縮 ( ㎜ /m) |
＜ 0.5 |
0.6 |
0.65 |
0.8 |
|
導熱系數［ W(m · K) ］ |
0.18 |
0.59 |
0.83 |
0.76 |
|
耐火極限 (h) |
2.7 |
|
|
|
|
隔熱效果對比值 ( ㎝ ) |
6 |
65 |
80 |
40 |
|
抗沖擊性 10 ㎏· m/ 次 |
100 |
120 |
150 |
2 |
注： 1 ．本表部分數據摘自《民用建筑規范》 GD50176 — 95
2 ．隔熱效果對比值是指隔熱效果等同時相對應的隔熱層厚度
1.4 泡沫混凝土的隔熱與密度強度的關系
熱的傳遞有傳導、對流、輻射三種方式，由于泡沫混凝土內有大量的空氣存在，大大降低了它的導熱性能，又因為其體內氣泡處于獨立，封閉的狀態，不能形成空氣和液體的對流 ( 因為吸水率較低 ) ，氣泡也使得界面增加，從而有效地減少熱能的穿透 ( 如電磁波的輻射等 ) ，這就是泡沫混凝土的隔熱機理。
表 3 是泡沫混凝土及有關材料的導熱系數，以供對比。
表 3 幾種材料的導熱系數
|
材料名稱 |
導熱系數 |
|
空氣 |
0.22 |
|
普通混凝土 |
1.28 ～ 1.55 |
|
泡沫混凝土 |
0.151 ～ 0.291 |
|
鋼材 |
58.00 |
從泡沫混凝土的隔熱機理可知，氣泡越多，密度越小，強度越小，隔熱效果越好；反之，氣泡越少，密度越大，強度越大，隔熱效果越差。表 4 是泡沫混凝土在兩種密度時的強度及導熱系數對比值。
表 4 不同密度時的強度與導熱系數
|
密度 ㎏ /m 3 |
強度 ,Mpa |
導熱系數 ,W/(m · K) |
|
400 |
2 |
0.151 |
|
800 |
7 |
0.291 |
2 泡沫混凝土的優越性
用泡沫混凝土取代長期沿用屋面架空隔熱磚，其優越性主要體現在以下幾個方面：
2.1 保溫隔熱，節約能源
泡沫的熱阻值是普遍架空隔熱磚的 5 ～ 10 倍，保溫隔熱效果顯著，從而節約能源。
2.2 保護屋面，防止屋面結構變形開裂
由于泡沫混凝土具有良好隔熱性能，可以有效地防止屋面結構變形以及屋面結構與磚墻交接處的溫差裂縫通病。
2.3 延長防水層壽命，加強防水效果
吸水率低、導熱系數小、質輕體硬的泡沫混凝土與防水層 ( 或結構層 ) 緊貼一體，既可以有效防止因熱漲冷縮而引起屋面結構層 ( 或剛性防水層 ) 的變形裂而出現滲漏現象，又可以有效地防止柔性防水材料的老化變質，而泡沫混凝土吸水率較低 (<15 ％ ) ，本身就具備一定防水效果，因此泡沫混凝土在保護屋面的同時，還可以延長防水層的壽命并加強防水效果。
2.4 可使天臺環境更加美觀、平整和實用
由于泡沫混凝土隔熱層是現場澆搗、整體成型、質輕體硬、與基層緊密相連，大大提高了隔熱層的承重能力，可將原來不雅觀的架空隔熱屋面變成美觀、平整和實用的園林或文娛場地等，擴大建筑物的使用空間。
2.5 節約造價，施工較為簡便
泡沫混凝土的密度通常為 500 ～ 900kg ／ m 3 ，現在有的可以做到 350kg ／ m 3 ，可按使用要求選用各種密度和厚度的隔熱層，當代替結構找坡時，既可節約工程造價，又可避免結構找坡而出現頂層天花梁板傾斜現象。泡沫混凝土隔熱層一般厚度為 6 ～ 8cm ，由于其坍落度較大，因此泡沫混凝土的施工比普通混凝土施工更為簡便，不須振搗，只須按排水坡向用直尺抹平。同時泡沫混凝土的造價并不高， 6cm 厚的泡沫混凝土比五腳架空磚造價略高，這也是泡沫混凝土易于推廣的一個重要因素。
3 泡沫混凝土的施工工藝流程
1) 施工前，按照泡沫混凝土隔熱、強度、密度等要求，設計出泡沫混凝土相應的施工配合比以及隔熱層的厚度。
2) 泡沫混凝土施工前必須先做好柔性或剛性防水層，上人或非上人屋面防水隔熱構造可按圖 1 和
圖 2 施工。
圖 1 非上人屋面防水隔熱層構造圖
1- 現澆泡沫混凝土隔熱層； 2-Ф2@150 × 150 防裂鐵篩網； 3- 防水層； 4- 鋼筋混凝土結構層
圖 2 人上屋面防水隔熱層構造圖
1 —地磚貼面； 2 —水泥砂漿找平層； 3 —現澆泡沫混凝土隔熱； 4 —
Ф2@150 × 150 防裂鐵篩網； 5 —防水層層； 6 —鋼筋混凝土結構層
3) 按保溫隔熱層的設計厚度，用水泥砂漿打定點，做好坡度，坡度宜為 2 ％左右，把基層清理干凈。 4) 鋪設 Ф2@150 × 150 防裂鐵篩網，為節約起見，可用竹片代替。
5) 在泡沫混凝土攪拌機 ( 圖 3 所示 ) 上面的晶體攪拌器內，按一定的配合比，加入清水 (1.6 ～10kg)
和發泡劑 (0.1 ～ 0 .6kg ) 快速攪拌約 3 分鐘，使其成為待用的泡沫晶體。
圖 3 泡沫混凝土攪拌機
6) 在攪拌泡沫晶體的同時，按一定配合比將清水 (24 ～ 150kg ) 注入下面的攪拌器內，依次加入水泥(48 ～ 300kg ，標號 425 號以上 ) 和適量的細砂 ( 可用粉煤灰 ) 、膨脹劑、助劑等，慢速攪拌均勻，約 2 分鐘。
7) 將泡沫晶體，加入下面攪拌器中的水泥混合物內繼續攪拌均勻，約 2 分鐘后待用。
8) 將待用的泡沫混凝土運送以所需施工的基面，用直尺按定點抹平。
9) 施工完畢后開始自然養護， 24 小時左右可灑水養護，約半個月后才能交付使用。
10) 如需鋪設地磚，可在泡沫混凝土施工后能上人時進行。
4 泡沫混凝土的設計及施工注意事項
1) 設計泡沫混凝土隔熱層時，要考慮隔熱效果與泡沫混凝土的強度、密度基本成反比的關系，建議與泡沫混凝土專業公司聯系，通過配合比試驗，設計出合理的強度、密度以及厚度。
2) 泡沫混凝土的強度畢竟較低，抗壓強度在 2.5 ～ 7.5MPa ，干縮性也較大，在凝結過程很容易開裂，因此有必要加設防裂網，還須經常淋水養護，每天淋水 2 ～ 3 次為宜。
3) 用作行人的地面，須在泡沫混凝土上面鋪設地磚，以防破壞隔熱層，以達到美觀耐用的效果。鋪設地磚前，先淋濕泡沫混凝土面，再涂 1 ～ 2 道水泥漿。
4) 泡沫混凝土的施工必須在有專業知識的技術人員指導下進行，對每道工序嚴格把關，才能保證其施工質量。
5) 施工前要清理干凈基層，以保證泡沫混凝土與基層緊密相連。
6) 泡沫混凝土凝結較慢，在施工約兩天后，才可行人，在未能行人時切勿在其上面行人或堆積雜物，以免破壞泡沫混凝土的氣泡結構，影響其隔熱效果。
7) 由于泡沫混凝土的流動性很大，如用作尖屋頂屋面的隔熱層，施工時須用模板輔助。
8) 澆搗泡沫混凝土，建議按每 100m 2 制作一組試壓件，試壓件按砂漿試件要求制作。
9) 考慮熱脹冷縮影響，建議按 6mX × 6m 留設寬 2 ㎝的伸縮縫，縫內填充柔性防水涂料。
10) 用作泡沫混凝土的發泡劑不要過期，水泥須檢驗合格，泡沫混凝土的加工要按配合比進行。
［應用實例 7 ］
泡沫混凝土泡沫發生器
1 國內外現有發泡工藝及設備
目前國內外生產泡沫混凝土的方式主要有如下三種：
第一種是將發泡劑溶入水中，然后和水泥均勻攪拌。該種方法由于在水泥漿中形成氣泡，水泥漿粘度較大，且在攪拌初期料漿不均，一般不能充分發揮發泡劑的作用，因此，需要的發泡劑量大，成本較高，且泡徑不勻，僅適用于微量引氣混凝土。
第二種是采用高速攪拌葉片制取泡沫，國內的制泡技術目前主要是采用高速攪拌機，即將發泡劑溶液倒入高速攪拌機中，然后用攪拌機的高速葉片攪動發泡劑溶液來制取泡沫。然后用器皿將發好的泡沫取走，倒入水泥漿攪拌機中拌制成泡沫混凝土。高速攪拌機發泡，其上下泡徑不均，發完的泡沫必須經過中間設備將泡沫倒入攪拌好的水泥漿中，中間環節會導致部分泡沫破滅。另外，本方法特點是必須先發泡，然后才能使用，過剩的泡沫過一段時間會破滅。
第三種是采用壓縮空氣制泡，國外多用此方法生產泡沫混凝土。利用壓縮空氣將發泡劑溶液和壓縮空氣穿過一個特制的發泡筒，在發泡筒內的混合室中進行混合，然后在壓縮空氣的作用下，將形成的泡沫吹出發泡筒，直接投入水泥攪拌機中拌制泡沫混凝土。發泡筒內有的采用磁片，有的采用玻璃球，有的采用銅網等。和前兩種發泡工藝比較，壓縮空氣發泡設備比高速攪拌機稍復雜一點，但壓縮空氣發泡，一方面發泡效率較高，將發泡劑溶液完全吹制成泡沫，通過發泡筒后其泡徑均勻，另一方面，可以將泡沫直接吹入攪拌好的水泥漿中，減少了中間環節，更好地防止了中間環節導致的泡沫破滅。此外，該方法是邊攪拌水泥漿邊發泡，需要多少泡沫就發多少，不存在過剩和中間環節的問題。
2 發泡設備的研制
2.1 設計原則
根據我們所見到的國外的發泡設備，初步擬定了以下幾個設計原則：
1) 能合理控制氣液的比例關系；
2) 能合理控制氣體的速度、流量；
3) 保證泡沫的連續性、均勻性、穩定性；
4) 保證設備本身的穩定工作。
2.2 結構與工作原理
發泡設備的工作原理如圖 1 所示。容器 2 內裝有發泡劑的溶液，有壓縮空氣機 1 產生壓縮空氣，分為兩個氣路，一支路直接接入發泡筒作為泡沫形成的氣源和泡沫形成的推動力；另一支路接入壓力容器內，推動壓力容器內的發泡劑溶液進入發泡筒，壓縮空氣與發泡劑溶液的發泡筒的尾部進入發泡筒。
圖 1 壓力發泡設備工作原理
1. 空氣壓縮機 2. 壓力容器 3. 發泡筒 4. 氣、液管路
發泡筒由筒壁、金屬網格、網格固定材料、尾部料、氣混合室和噴嘴組成。
發泡筒尾部封閉，另一端開口，封閉端同時引入兩個噴嘴，一個是壓縮空氣，另一個是發泡劑溶液。在封閉端氣、液進入處形成一個封閉的空間，稱為混合室。其作用是使壓縮空氣和發泡劑溶液在此充分、均勻混合，產生霧狀的液滴，保證產生的泡沫均勻、穩定。
氣、液在離開混合室后就開始發泡，只不過此時量小，離開混合室后泡沫通過幾十層的金屬網。在通過網的過程中，氣、液進—步混合，泡沫大量形成，由于網的作用，產生的氣泡直徑均勻、細小，并逐漸穩定從出口流出。
2.3 研制過程中的幾個問題
2.3.1 壓縮空氣壓力的選擇
用我們試制的設備，采用了不同壓力的壓縮空氣進行了發泡試驗，結果表明，隨著壓力值的增大，發泡速度加快，但泡沫穩定性稍差；反之，降低壓力，發泡速度減慢，參照國外的設備及資料我們確定的壓力為 0.5MPa 。
2.3.2 發泡劑液體與壓縮空氣的進入混合室方式
我們進行了氣、液平行和垂直進入的試驗，我們觀察到氣、液垂直進入混合室有利于氣、液的混合與分散，發出的泡沫質量較好。進氣噴嘴和進液噴嘴之間有一定的距離，使進入的液體一進入混合室，立即讓壓縮空氣吹開、分散，然后進入拉泡和穩泡階段。
2.3.3 發泡筒的尺寸
發泡筒的規格用由 ФD*L 表示。其中 D 為筒的內徑， L 為筒的有效長度，內徑 D 有泡沫產量和泡沫生產速度決定，一般泡沫出筒速度為 0.1 ～ 0 .2m ／ s ，根據泡沫需求量，就可確定內徑 D 。發泡筒的有效長度由三部分構成：混合室的長度 L1 ，拉泡和穩泡段長度 I2 及泡沫出口長度 L3 ，其中 I1=1.2 ～ 1 ． 5D ， I3 二 1.5 ～ 2D ， L2 由拉泡層的層數和層間距決定，一般取 L2=8 ～ 10D ， L ／ D=10 ～ 12 。
2.3.4 拉泡網的選擇
國外的發泡筒拉泡和穩泡段采用了不同的材料，有的采用磁片有的采用玻璃球，我們設計采用的是金屬網格布，可采用不銹鋼絲網和銅網，考慮道發泡筒的使用壽命，我們選擇的是銅絲網。網孔尺寸對泡徑有一定的影響，一般網孔尺寸小，泡徑尺寸也小。同時網孔和網的層數也有關。
2.3.5 網的層數的選擇
為了摸清網的層數對泡沫質量的影響，我們選擇了 15 、 20 、 25 、 30 、 50 層進行試驗，試驗結果表明：當網的層數很少時，泡沫產量較大，但泡徑較大，泡沫穩定性較差。網的層數越多，泡沫越均勻穩定，但阻力較大，產量下降。所以根據試驗結果，網層數在 20 ～ 30 較合適。
3 兩種發泡設備的對比
經過多次試驗調整 , 用該泡沫發生器對國產和進口發泡劑進行了測試 , 完全滿足發泡劑指標的要求。同時，我們用高速電鉆改制一個高速攪拌器，用同樣的發泡劑進行了發泡對比，測試結果如表 1 。
表 1 兩種發泡工藝的對比
|
發泡工藝 |
項目 |
指標 |
美國發泡劑 |
自制發泡劑 |
|
壓縮空氣發泡 |
發泡倍數 |
＞ 20 |
23 |
21 |
|
1h 沉降距 ㎜ |
＜ 10 |
7 |
9 |
|
1h 泌水量 ml |
＜ 80 |
68 |
75 |
|
高速攪拌機發泡 |
發泡倍數 |
＞ 20 |
24 |
23 |
|
1h 沉降距 ㎜ |
＜ 10 |
11 |
14 |
|
1h 泌水量 ml |
＜ 80 |
76 |
82 |
由表 1 數據可以看出：兩種發泡工藝是明顯有區別的，同樣的發泡劑，采用壓縮空氣發泡，其發泡倍數稍小一些，但其穩泡性能明顯比高速攪拌發泡好。
［應用實例 8 ］
非承重墻體材料——發泡混凝土
一．機理：用廉價的空氣代替珍珠巖、陶粒等輕質填充物。
二．制泡工藝： 1kg 混凝土 MNC — FP 發泡劑 + 50kg 水放在桶內，用高速攪拌器攪動，攪拌直至無水為止，即都發成泡。
三． 發泡混凝土配合比：
1 ．高強度等級的水泥 100 ㎏。
2 ．粉煤灰 100kg 。
3 ．萘系高效減水劑 1.25kg 。
