发泡混凝土微结构的研究进展

朴春爱，权宗刚，唐玉娇

(西安墙体材料研究设计院有限公司，西安 710061)

0 引 言

作为一种轻质多孔的优良保温隔热材料，发泡混凝土逐渐成为新型绿色墙体材料发展的重要方向之一，为实现建材的可持续发展提供了基础，有效地缓解了耕地土地资源紧缺的问题，从而实现墙体材料的绿色资源化利用发展。与传统墙体材料相比，发泡混凝土生产制备过程中通过内发气与外发泡等物理化学反应易形成大量大小不均，直径在100 nm～4 mm间的气孔与气孔壁组成的结合体，影响着其保温性能、抗冻性能、力学性能等宏观性能[1]。

因此，本文从发泡混凝土微结构出发，综述了其孔结构的形成、组成、分布、优化等方面的国内外研究进展，对发泡混凝土孔结构的研究提供了理论基础，指明了发泡混凝土性能优化的微观结构理论，推动其商业化大规模使用。

1 发泡混凝土微结构的研究进展

发泡混凝土是一种集轻质、高强、防火及隔热于一体的新型绿色砌筑混凝土，主要由胶凝材料(石灰、水泥基水硬性材料等硅酸盐体系以及粉煤灰、粒化高炉矿渣等工业固废基)、发泡剂(铝粉、双氧水以及表面活性剂)、外加剂、拌合水等组分，经混合搅拌、发泡成型、特殊养护以及切割制成[2-5]。发泡成型工艺是发泡混凝土成败的关键工艺，影响着微结构的组成与分布，会导致混凝土的宏观性能差异，决定其产品的质量。

当前，发泡工艺主要包括以下两种[2,6-8]：(1)化学反应产生的内发泡工艺，发泡材料特殊的孔溶液环境触发了搅拌混合过程填入的发泡剂，导致了大量不规则气泡的形成与溢出(如图1所示)[9-10]，形成大量空洞孔结构，从而使体积膨胀，生成发泡材料；(2)物理搅拌过程输入的外发泡工艺，主要是指通过机械作用下将泡沫或者空气直接引入新拌浆体中，可有效降低其质量，达到轻质需求。然而，物理搅拌的外发泡工艺因其工序繁琐和高昂的成本等问题，并未得到大规模的推广使用。因此，本文着重对内发泡工艺中孔结构的形成过程进行系统地阐述。

图1 发泡工艺中气泡的形成与溢出[9-10]Fig.1 Formation and overflow of bubbles on the foaming process[9-10]

1.1 发泡混凝土气泡的研究

作为内发泡工艺的重要影响因素之一，发泡剂的物理化学反应直接影响着其孔结构的形成与溢出过程。当前，电石、铵盐、铝粉与双氧水是发泡混凝土可能使用的发泡剂，易在水泥或者地质聚合物新拌浆体中,高碱性环境孔溶液下(pH值高于12),发生相互反应生产气体，其反应原理如式(1)～(4)所示[11-13]：

电石：

CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑

(1)

(2)

(3)

双氧水：

H2O2→H2O+O2↑

(4)

上述发泡剂因其本身的化学发应会在浆体内部生成大量细小、均匀、稳定的气泡。然而，电石遇水反应剧烈，不仅会对浆体结构造成破坏，同时也会导致气孔的调控机制的紊乱。铵盐在水泥孔溶液的碱性条件下反应缓慢，气泡形成速率降低，易出现塌膜的问题。铝粉与双氧水是当前广泛使用的发泡剂，其反应速率易于调节，为孔结构的调控机制奠定了基础，实现了发泡混凝土功能化设计。

发泡剂的掺入使新拌浆体中形成了大量的气泡，因此气泡的形成、传输和转变过程成为了发泡混凝土早期的独特历程。由图2可知[14]，气泡反应初期由空气以及气泡囊壁组成了直径较小的气泡。然而随着时间的延长，在气泡-水-反应产物三相界面的作用下其直径趋于稳定。反应初期，新拌浆体中反应产物并未大量形成，气泡的形成与转变过程主要受到气泡-液体的二相界面作用，符合动态Rayleigh公式(如式(5)所示)[15-16]。由式(5)可知，气泡直径受其气泡内部与介质压力之间的差(PR)的作用，具体影响影响规律如图3所示[16]。随时间的增长，PR的增加提高了气泡的质量，加快其运动，不断向上浮动。反应中期，反应产物不断堆积，阻碍部分气泡的溢出并改变其(主要指D≥2 mm的气泡)表面毛细力。研究表明[17]，凝胶孔隙度以及毛细管孔隙度的分布、尺寸、形貌均会导致气泡表面毛细力的差异。如图4所示，气泡与直径较大的凝胶孔或毛细孔作用时，两者较薄的薄壁相互作用，增加了连通孔、并孔等有害孔出现的可能性。在不规则锯齿状、半开合凝胶孔与毛细孔的作用下，气泡薄壁被破坏，其分裂成大量直径较小的气泡。随反应的不断进行，大量气泡溢出、合并与破裂导致发泡混凝土混凝土硬化后形成大量的微孔结构，影响其力学性能与耐久性等后期性能。

图2 气泡结构[14]Fig.2 Bubble structure [14]

图3 (a)气泡直径随时间变化规律；(b)气泡直径与压力间的关系[16]Fig.3 (a) Diagram of a bubble expansion in the liquid volume; (b) pressure distribution around an expanding bubble[16]

图4 气泡受凝胶孔隙度以及毛细孔的作用[17]Fig.4 Influence of bubble on the gel porosity and capillary porosity[17]

(5)

1.2 孔结构组成

由1.1节可知，反应初期，气泡溢出、破裂、合并的过程导致后期形成了大量的孔隙结构，决定了发泡混凝土轻质、隔热以及高强等优异特性。因此，本节结合国内研究进展对发泡混凝土的孔结构的组成进行研究。与普通硅酸盐水泥混凝土孔结构中凝胶孔(D≤1.6 nm)、过渡孔(1.6 nm≤D≤100 nm)，以及未被水化产物填充的毛细孔(D≥200 nm)等孔结构[18]不同，发泡混凝土中孔结构分为微孔(亦称凝胶孔，D≤2 nm)，介孔(亦称颗粒间孔，2 nm≤D≤50 nm)[19]，及由于气泡质量膨胀而形成的大孔(亦称人工气孔，D≥50 nm)[20]，具体形貌如图5所示[19,21]。

图5 发泡混凝土的孔结构组成[19,21]Fig.5 Pore structure composition of foamed concrete[19,21]

由上可知，发泡混凝土中宏观多孔复合结构是其微结构和宏观性能的决定性因素，影响其硬化构件的稳定性与使用性。然而，与传统混凝土孔结构不同，孔壁为发泡结构提供稳定的的骨架结构，如图6(a)所示。研究表明[22-23]发泡混凝土中孔壁结构富集了以托贝莫来石型的结晶、半结晶及无定形水化硅酸钙复为主的产物，其形成过程与以下反应密切相关：(1)富钙C-S-H的形成；(2)C-S-H 的转变；(3)1.13 nm托贝莫来石的形成。高结晶度以及片状的托贝莫来石孔壁结构可有效提高和改善发泡混凝土的力学性能和耐高温特性。

图6 发泡混凝土的孔壁结构的SEM照片[21-22]Fig.6 SEM images of pore wall structure on the foamed concrete

1.3 孔结构的分布

为使发泡混凝土成为一种新型绿色墙体材料，各种表征手法已广泛用于其孔结构分布的研究中。光学法：基于Image Pro Plus软件的图像分析处理统计功能，SEM和高倍数光学相机的相互结合使用已广泛用于量化发泡混凝土微观孔结构分布，如图7所示[24]。 压汞法[25-26]：作为广泛使用的孔径分布以及比孔容积等孔结构特性测试，压汞法已在发泡混凝土宏观孔的研究中取得了一定的进展。然而，测试中压力需求不仅导致发泡混凝土中部分孔结构被破坏，同时限制了孔径测量范围。气体渗透法[27-28]：载气流经连通孔结构时会发生物理吸附脱附现象，从而直接体现其孔的内部特性。总而言之，上述测试方法已应用于发泡混凝土二维孔结构的研究，为其优化提供了基础，推动了材料的发展。

图7 光学显微镜下发泡混凝土孔结构的分布[24]Fig.7 Distribution of pore structure of foamed concrete under optical microscope[24]

当前，随着科学技术的发展，新型三维断层扫描成像技术的出现为发泡混凝土孔结构的原位无损伤全方位检测分析提供了可能。计算机断层成像技术(X-ray Computered Tomography，X-CT)已广泛应用于混凝土内部结构的无损检测，以便获得物体的三维空间图像，进而对其孔结构进行定量化分析[29-31]。与X-CT技术单一的二维密度相比，Micro-CT[32-34](如图8所示)较宽的测量范围，更精确地量化了发泡混凝土孔结构中的各项异性、圆形度因子以及孔泡厚度等因素，为揭示孔结构与热性能的内在联系提供了理论基础。随着发泡混凝土孔结构研究的不断深入，以及3D-TEM和3D-XRD等高精度技术的引入，发泡混凝土孔结构的研究将会加速，进一步阐明孔结构与混凝土性能的内在关系。

图8 Micro-CT下发泡混凝土孔结构特性[32-34]Fig.8 Pore structure properties of foamed concrete under Micro-CT[32-34]

2 结论与展望

作为一种微孔结构的水泥混凝土轻质材料，发泡混凝土具有保温隔热、节约能源的优点，在未来的快速发展中，泡沫混凝土可能成为引导建筑节能的世界性大趋势。发泡混凝土内部的孔结构显著影响其力学性能、耐久性及热性能，决定其商业应用的价值。尽管国内外学者对其内部结构得到大量的研究，但并未形成系统的归纳总结。本文从发泡混凝土微结构出发，详细的介绍了气泡的形成与迁移的过程，为微观结构和化学发泡催化机制提供了指导与推进作用。孔结构检测手段的发展推动了孔结构与混凝土性能的内在关系的研究进展。

随着科技的发展与进步，发泡混凝土中孔结构的研究正朝着精准表征与高性能化的方向发展。然而，作为一种发泡工艺，发泡过程的实时调控与检测是决定发泡混凝土质量的关键，影响者其后期性能。因此，未来的研究应着重于发泡混凝土的发泡过程调控、监测与检测的综合调控，为其性能优化与完善提供基础，进而推动我国发泡混凝土的发展。