泡沫混凝土的节能保温等效果探析

宋 京 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

1 泡沫混凝土材料简介

泡沫混凝土（又名发泡混凝土）属无机保温材料，多用于内墙和屋面保温，是一种密度小的多孔气泡状材料。其制作过程为：将泡沫剂制备成泡沫，再将泡沫加入到由水泥、骨料、外加剂和水制成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、养护而成的轻质多孔混凝土。泡沫混凝土特点如下：

①轻质，泡沫混凝土中含有大量气泡结构，用于建筑物中可以降低建筑物的自重；

②耐火，泡沫混凝土材料属于无机材料，拥有很好的耐火性；

③缓震，泡沫混凝土因其密度较小、多孔等特性，对震动的吸收效果较好；

④生产方便，泡沫混凝土对施工场地没有要求，可以在任何地点浇筑，且操作简单；

⑤安全，泡沫混凝土在制备过程几乎没有有害物质产生，且燃烧不产生有毒气体；

⑥经济环保，泡沫混凝土的生产过程对环境污染极小，其水泥用量低于正常使用的普通混凝土，降低材料成本。

本世纪初，泡沫混凝土保温材料技术取得重大突破，其以轻薄的结构，优良的力学性能和不燃绝热等特点得到了建材行业的广泛关注，应用量迅速上升，成为最常用的无机保温材料之一。

2 泡沫混凝土相关性能研究

2.1 节能保温研究

就建筑物保温隔热来说，采用墙体保温材料比增加墙体厚度更具有经济性，做法是将保温隔热性能好的材料依附在墙面或屋面保持室内温度恒定。因此其导热系数是保温材料最重要的一个属性，直接影响到建筑物的能耗。

2.1.1 导热系数

导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚度的材料，两侧表面温差为1℃，在一定时间（秒）内，通过1m²传递的热量，单位为瓦/米·度（W/m·K)。因此，保温隔热材料的导热系数通常越小越好。

目前来说，无机保温材料的通病就是导热系数高，泡沫混凝土正是如此，这也是限制泡沫混凝土大规模使用的主要因素。因此，研究导热系数对改善泡沫混凝土节能保温效果有着充分的必要性。

根据刘力提出的观点，泡沫混凝土的干密度会影响导热系数。基于此，展开实验探究干密度与导热系数之间的关系，得出影响泡沫混凝土节能效率的因素。

2.1.2 原材料与试验方法

水泥为安徽某公司生产的PO42.5硅酸盐水泥，发泡剂为自有的动物蛋白发泡剂。制备干密度不同的泡沫混凝土试件，试件尺寸为300mm×300mm×30mm，共计8个。参照GB 10294，将试件置于养护箱标准养护3d后脱模，在达到28d养护龄期时烘干，直到质量损失不变后采用智能化导热系数测定仪进行导热系数测试，研究干密度对导热系数的影响。

2.1.3 结果与讨论

实验数据见表1，所得实验数据满足JG/T 266-2011的要求，根据实验数据做出图1。由数据分析得：在干密度300 kg/m至 1200 kg/m范围内，导热系数与干密度近似为线性关系，随着干密度的增加而增大。其原理为：泡沫混凝土属于气固两相混合物，其传热过程是由固体中微观粒子振动和气体中气体分子碰撞共同作用的结果，以固体材料传热为主。泡沫混凝土干密度越大，固相占比越高，热量传递效率越大，导热系数越大，节能效果越差。

图1 导热系数与干密度的关系

表1 不同干密度对应的导热系数

因此，想要节能效率高，采用多孔的低干密度泡沫混凝土是一种选择。

2.2 吸水性能研究

由于泡沫混凝土内部有大量的气泡，加之自身较大的水灰比，因此其防水性能较差，属亲水性材料，这一定程度上影响了其保温绝热效果也降低了其耐久性。研究如何降低泡沫混凝土的吸水性能对于其推广应用有着重要意义。

2.2.1 影响吸水率的因素

在借鉴国内一些参考资料和先前试验的基础上，认为泡沫混凝土的吸水率大体取决于以下几个方面：

①泡沫

一般来说，泡沫混凝土孔径分布越均匀，其孔隙率越小，吸水率越低。而孔结构又与泡沫息息相关，不同的泡沫在稳定性、大小和均匀性上的表现也不一样。泡沫气泡越小越稳定成品孔径分布越均匀。因此可以说，泡沫质量是影响泡沫混凝土质量的重要因素之一。

②配合比

根据本人之前的实验结果，泡沫混凝土的吸水率随着水胶比的增大呈现先减小后增大的趋势，水胶比为0.44时泡沫在浆体中的分布最均匀，连通孔比例最小，此时吸水率最小。刘力的实验也得出了类似的结论，根据其实验结果，当水灰比为0.4～0.5时，其体积吸水率最小。

③粉煤灰

根据本人之前的实验结果，泡沫混凝土的吸水率也随着粉煤灰掺量的增加呈现先减小后增大的趋势，但是在掺量为0%～30%时吸水率变化不明显，在40%较为显著。这可能与该程度的粉煤灰掺量会对泡沫造成损害导致浆体中的游离水变多有关。

④外加剂

混凝土防水剂显著具有提高混凝土抗渗防水功能，同时具有缓凝、早强，减水、抗裂等功效，并可改善新拌砂浆的和易性。而对于如何选择防水剂最佳的掺量，国内并没有统一的规范，大多凭借工程经验而定。因此，通过实验选择合适的防水剂掺量，将泡沫混凝土的吸水率控制在一个较小的区间，可以更好地发挥泡沫混凝土的保温性能。

2.2.2 原材料与试验方法

泡沫混凝土试件规格采用100mm×100mm×100mm，制作5组，每组3个。测得干密度约为600 kg/m，防水剂为某公司F1型憎水防水剂，掺量百分比分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%。养护和吸水率试验按JGJ/T12-2019进行，测定2h、24h和48h对应的吸水率。

2.2.3 结果与讨论

实验数据见表2，根据实验数据做出图2。由数据分析得：防水剂确实可以降低泡沫混凝土吸水率，且在一定范围内，随着防水剂掺量的增加，泡沫混凝土吸水率下降；当防水剂掺量范围在0%～1%时，随着掺量的增大，吸水率有较大程度的下降；当防水剂掺量增加至1%以上时，吸水率的下降已不明显；掺加了防水剂的试件其吸水率随着时间增加而增大。防水剂影响吸水率的机理为：与水泥反应生成致密小颗粒充满孔隙、或者在泡沫混凝土表面形成永久性憎水防水膜，从而外部水分难以向内部渗透，达到降低吸水率的作用。考虑到使用防水剂的经济问题，建议该F1型防水剂掺量控制在1%～1.5%之间。

图2 防水剂掺量与吸水率的关系

表2 不同防水剂掺量对应的吸水率

2.3 耐高温性能研究

泡沫混凝土材料为A级防火耐温材料，本身不易燃烧。为了研究泡沫混凝土板在长时间高温灼烧后其强度的变化情况，开展了对其耐高温性能的研究。这对采用泡沫混凝土的建筑物在长时间的高温灼烧后能否保持原有强度有着积极意义。

2.3.1 原材料与实验方法

制备两种干密度不同的泡沫混凝土。取试件规模为100mm×100mm×100mm的标准立方体，浇筑24h后脱模，将试件置于养护箱进行标准养护，在达到28d养护龄期时烘干，直到质量损失不变。测得干密度分别为611 kg/m和800 kg/m。后用煤气喷灯对其进行750℃不同时间的灼烧加热，最后用20MPa量程的压力试验机测其不同加热时间后的抗压强度，研究灼烧时间与不同干密度泡沫混凝土抗压强度的影响。涉及到的实验器材有煤气喷灯、压力试验机、秒表等。实验数据见图3。

图3 灼烧时间与泡沫混凝土抗压强度的关系

2.3.2 结果与讨论

由图3知，泡沫混凝土抗压强度随着干密度的增加而增大；长时间灼烧会影响泡沫混凝土制品的抗压强度，影响程度与干密度有关：密度为800 kg/m的泡沫混凝土在30分钟灼烧后强度下降了14.6%，而611 kg/m的泡沫混凝土强度下降了28.8%。因此，选取干密度较大的泡沫混凝土更能增加建筑物在火灾中的稳定性，避免其因长时间的高温环境导致保温板强度降低，影响建筑安全。但根据前文的研究，干密度较大的泡沫混凝土导热系数也较大，又会导致经济性的下降。对于这个问题需要进行更加深入的研究，在保证其高温稳定性的同时设法降低导热系数，兼顾泡沫混凝土的安全性与经济性。

3 总结与展望

3.1 总结

近些年来，泡沫混凝土因其轻薄、节能环保、不燃等优点进入了公众的视野，但是其隔热保温的效果不及很多有机保温材料，也缺乏其他方面相应的实验研究。为提高泡沫混凝土保温效果，通过试验进行了保温性能、吸水性能和耐高温性能的研究，并提出了以下建议：采用多孔的低干密度泡沫混凝土以获得更高的节能保温效率；控制F1型防水剂掺量在1%～1.5%以获得更优秀的防水效果；使用干密度较大的泡沫混凝土能提高其在高温中的稳定性，但是经济性会变差。

由于篇幅限制和本人能力有限，不免有一些遗漏和错误，恳请批评指正。

3.2 不足与展望

①仅仅研究了干密度与导热系数之间的关系，但是泡沫混凝土的孔结构（如孔形状、孔径、孔隙率）可能也会对导热系数有影响，需要进行更加深入的实验。

②没有考虑发泡剂、减水剂的种类和掺量等对泡沫混凝土吸水率的影响，需要进行更多的对照实验，这也是今后泡沫混凝土吸水率研究的一个方向。

③可以结合实验数据，建立起泡沫混凝土导热系数、吸水率等指标与干密度、孔隙率等参数的数学模型，进一步分析泡沫混凝土相关性能与其结构的关系。

④有实验表明，泡沫混凝土中加入纤维会提高其抗压强度和抗折强度，还能降低导热系数，因此二者的结合也会是未来研究的热门方向。