泡沫混凝土抗冲击特性研究

武宇　潘馨月　邓栋文　袁通　夏奕凡　邵俊豪

摘 要：泡沫混凝土是由水泥、水和发泡剂等原材料组成的一种具有特殊孔结构的新型材料，属于非均质材料，其内部孔隙率可达90%以上。泡沫混凝土具有多孔、质轻、高强度等特点，在建筑工程中的应用越来越广泛。通过对泡沫混凝土制作中所需的原材料、配合比、制备方法等工艺进行研究，指出影响泡沫混凝土抗冲击的因素，为进一步研究泡沫混凝土在实际工程中的应用奠定了基础。

关键词：泡沫混凝土；抗冲击性；影响因素

中图分类号：TU528.2                                 文獻标识码：A                             文章编号：2096-6903（2023）07-0004-03

0 引言

随着我国工业化进程的加快，建筑工程领域中出现了许多需要深埋地下且承受冲击荷载的建筑结构，如地铁、地下车站、地下通道等。在这些建筑结构中，由于材料的性质及施工工艺等因素的限制，会出现因结构破坏而造成重大人员伤亡和财产损失[1]。基于此，很多地下建筑材料开始采用泡沫混凝土。泡沫混凝土是一种由水泥、水和发泡剂等原材料组成的多孔轻质材料，由于其特殊的微观结构和高孔隙率，使得泡沫混凝土具有较好的吸能减震特性。

目前，相关文献中对泡沫混凝土抗冲击性能的研究相对较少。对于泡沫混凝土的抗冲击性能研究主要集中在3个方面：①研究不同水灰比条件下泡沫混凝土抗冲击特性及其力学性能，对比分析水灰比对泡沫混凝土抗冲击性能的影响。②分析不同水灰比条件下泡沫混凝土材料在不同应变率作用下的力学性能及破坏机理，建立材料动态本构模型。③研究泡沫混凝土在冲击荷载作用下的能量耗散规律，为泡沫混凝土在建筑工程中的应用提供参考[2]。

基于以上3点，国外学者主要利用霍普金森压杆（SHPB）试验装置对泡沫混凝土进行冲击压缩试验研究。如Yong-Shan Kim等利用分离式霍普金森压杆（SHPB）对泡沫混凝土进行冲击压缩试验，发现泡沫混凝土的弹性模量随着应变率的增加而增大。Euler等采用分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置对泡沫混凝土进行冲击压缩试验，发现随着应变率的增加，泡沫混凝土的峰值应力不断增大。我国对泡沫混凝土抗冲击特性研究还处于起步阶段，但对提高建筑物抵抗地震破坏能力的研究一直比较重视，对泡沫混凝土抗冲击特性的研究，可以为建筑物结构设计提供可靠依据[3]。

1 泡沫混凝土的概念及特点

1.1 泡沫混凝土的概念

泡沫混凝土是由水泥、发泡剂及水按一定比例拌合，在模具中以一定的速度浇注成型，经过养护后得到的具有大量封闭的微小气泡的混凝土。主要用于墙体保温、吸声降噪、房屋自保温等方面。它是一种新型建筑材料，是一种仅由水泥和发泡剂发泡而成的混凝土，由于其独特的性能，被广泛应用于建筑、道路、铁路、桥梁等工程中。

泡沫混凝土分为两大类：一类是按体积比例混合水泥和发泡剂制成的混合泡沫混凝土，另一类是独立发泡形成泡沫混凝土。按体积比例混合水泥和发泡剂制成的混合泡沫混凝土，在搅拌过程中，由于水泥、发泡剂与水反应生成的气体或水泥浆体中气泡之间互相粘连而产生泡沫，这种泡沫既能起到一定的支撑作用，又能起到一定的填充作用。

泡沫混凝土具有较高的抗压、抗弯及抗剪强度，优良的保温隔热性能和耐久性能，良好的施工性能和装饰效果，在建筑、公路、铁路等领域具有广阔的应用前景。而且泡沫混凝土还能根据不同的功能要求设计成不同尺寸、不同形状、不同密度、不同强度，能够很好地解决施工中出现的问题[4]。

1.2 泡沫混凝土的特点

第一，泡沫混凝土具有优异的保温性能，由于其内部存在大量的闭孔，其导热系数为0.034 W/（m·K），仅为普通混凝土的1/400。

第二，泡沫混凝土具有较强的吸声性能，其吸声系数约为普通混凝土的2倍。

第三，泡沫混凝土具有良好的抗冲击性能，在同等条件下，与普通混凝土相比其抗冲击性能提高10～100倍。

第四，泡沫混凝土具有良好的抗震性能。由于泡沫混凝土内部存在大量的空腔，且泡沫混凝土具有较高的密度，在地震作用下，泡沫混凝土能有效地吸收地震波，具有较好的抗震性能[5]。

2 泡沫混凝土的制作

2.1 原材料

制作泡沫混凝土需要的原材料有水泥、粉煤灰、发泡剂、水等。

水泥材料一般是由普通硅酸盐水泥、石膏或矿渣硅酸盐水泥等构成。采用这种材料制成的泡沫混凝土具有强度高、耐久性好、保温隔热性能好等优点，但也存在韧性差等缺点。

粉煤灰由一种矿物组成，主要成分是硅酸二钙和硅酸三钙，它是由高温燃烧后形成的粉末状固体。粉煤灰可以分为F和C两类。F类粉煤灰是由无烟煤或烟煤煅烧收集而来的，其含钙量（氧化钙含量小于10%）较低，含碳量通常小于5%。C类粉煤灰是由褐煤或次烟煤煅烧收集而来的，其含钙量较高（氧化钙含量通常在10%～30%），而含碳量通常小于 2%。

发泡剂以丙烯酸为主要发泡剂，其发泡效率高，而且与水反应后形成的发泡速度快。发泡剂是一种能在一定程度上调节混凝土性能的物质。通过外加剂调节混凝土性能主要有以下两种方式：一是直接添加，即向混凝土中加入某种添加剂，使之产生化学反应生成泡沫。二是通过加入发泡剂使混凝土产生泡沫。

水一般是自来水或河水。在水泥和发泡剂的基础上添加适量的水，搅拌均匀即可得到泡沫混凝土。由于发泡剂与水泥浆中的水反应生成的为CO2气体，所以不会产生大量气泡，不会影响泡沫混凝土自身强度。

水化硅酸钙作为水泥的水化产物，在泡沫混凝土中起到骨架作用，它的含量为水泥的25%～30%。稳泡剂对泡沫混凝土的发泡效率影响很大，可减少稳泡剂用量。

2.2 配合比

泡沫混凝土的配合比设计是泡沫混凝土生产的关键，直接关系到泡沫混凝土的生产成本和生产效率，因此，必须要经过反复试验，优选出最佳配合比。

配合比设计的主要因素是水灰比和密度，水灰比是指单位体积水泥用量与水的比值。通常情况下，水灰比越大，混凝土强度越高；水灰比越小，混凝土强度越低。

泡沫混凝土配合比设计时要考虑以下两点：①泡沫混凝土必须具有良好的流动性和粘聚性。②泡沫混凝土具有足够的密实度和强度。

2.3 制备方法

拌和前，先将水泥、粉煤灰、外加剂以及水等放入搅拌桶内，用水将其润湿，再加入发泡剂水和水搅拌均匀（此时泡沫混凝土处于最佳状态）。然后，按配方称量材料，倒入搅拌桶内，用木棒或橡皮锤均匀地将材料搅拌5～10 s。混凝土的泡沫产生与水泥浆的混合程度和发泡剂的发泡速率有关。按要求加入一定数量的引气剂和稳泡剂，继续搅拌5～10 s，直至水泥浆和泡沫浆充分混合均匀。将所需要的混凝土用振动棒振捣密实，待混凝土有一定流动性后按要求进行养护。待泡沫混凝土成型后，从料斗中取出进行养护。

2.4 搅拌方式

一般泡沫混凝土的搅拌方式有两种：一种是采用搅拌器搅拌，这种方式搅拌速度快，但混凝土拌合物的均匀性和流动性较差。另一种是采用机械搅拌，这种方式搅拌速度慢，但拌合物的均匀性和流动性较好。

通常情况下，采用机械搅拌的泡沫混凝土强度较高，但稳定性和均匀性稍差。为了解决这两种问题，一般采用机械与人工相结合的搅拌方式。

2.5 成型工艺

泡沫混凝土的成型工艺有两种：一是将其压制成板，即将泡沫混凝土直接压制成板。二是采用泡沫混凝土预制件，将泡沫混凝土的厚度切成若干块，然后把这些泡沫混凝土块胶结在一起，使之成为一个整体。

压制成型的工艺流程为：先通过振动将砂浆振捣密实，然后再用抹刀把泡沫块压入砂浆中，在完成砂浆的压实后，将压实面整平，并在表面刷一层水泥浆或一层水泥砂浆。这样形成的泡沫混凝土表面比较平整，有利于下一步的抹面和下一步的施工。

泡沫混凝土预制件要先用模具浇注一定体积的水泥浆或水泥砂浆，待凝固后便可在其上放入预制件进行发泡，形成预制件。

3 影响泡沫混凝土抗冲击因素

3.1 泡沫密度

泡沫混凝土的抗冲击强度与泡沫密度、水灰比、胶凝材料用量有关。随着泡沫密度的增大，抗冲击强度也会相应增加。相关研究表明，在相同的冲击能量下，高密度泡沫混凝土的抗冲击强度高于低密度泡沫混凝土。泡沫混凝土中的泡沫有着自身的膨胀系数，膨胀系数越大，泡沫密度越小，抗冲击能力越弱，反之则越大。

3.2 水泥用量

水泥用量对泡沫混凝土抗冲击性能的影响非常显著，可以通过改变水泥用量来提高泡沫混凝土的抗冲击性能。在低水灰比时，水泥用量越多，泡沫混凝土的抗冲击性能越好。当水灰比较大时，水泥用量对泡沫混凝土抗冲击性能有一定影响。水灰比较大时，泡沫混凝土属于非净浆体系中，随着水泥用量的增加，泡沫混凝土强度随着水泥含量的增加而增大，但是超过最佳水泥用量以后，就会随着水泥用量的增加而降低。

3.3 水灰比

水灰比影响泡沫混凝土的密度，进而影响其抗冲击能力。对不同水灰比的泡沫混凝土进行试验，观察水灰比和冲击速度、密度之间的关系，可以得出结论：水灰比为0.18时，混凝土的密度和抗冲击能力都最好。水灰比对泡沫混凝土抗冲击能力有很大影响，但水灰比在一定范围内变化时，对泡沫混凝土抗冲击性能影响不大。

3.4 养护条件

泡沫混凝土的养护条件对其抗冲击性能有一定影响，在泡沫混凝土中掺加粉煤灰、硅灰等活性矿物掺合料可提高泡沫混凝土的抗压强度和抗冲击性能。

泡沫混凝土的养护条件具体如下：①保温保湿养护时间应根据具体施工情况确定，泡沫混凝土不得少于7 d，建议7～28 d。另外泡沫混凝土表面应保持湿润状态。每天的具体浇捣时间可根据生产厂家提供的养护方式、操作方法和时间确定，一般为10：00～17：00，夏季可适当提前或推迟，但不宜超过3 h。若超过规定的养护时间，应采取补救措施。②养护用水应采用不含氯离子的饮用水，不宜使用自來水。③采用自然养护方式时，应在泡沫混凝土表面覆盖塑料薄膜或草帘等材料，保持适宜的温度、湿度和风速。④养护的环境温度≥15℃，理想温度为25～30℃。⑤室内加湿养护时，泡沫混凝土相对环境湿度应大于80%，建议90%左右。泡沫混凝土如含有镁水泥制品，建议相对湿度60%～80%左右。

3.5 添加剂

泡沫混凝土中添加不同的添加剂，可以改变混凝土的性能。添加硅灰、粉煤灰等掺合料可以显著提高泡沫混凝土的抗压强度，但是对泡沫混凝土的抗冲击性能并没有显著影响。添加粉煤灰可以有效地提高泡沫混凝土的抗冲击性能。粉煤灰在泡沫混凝土中有填充、增稠和增强3种作用，添加粉煤灰后的泡沫混凝土抗冲击性能提高幅度较大。

4 结束语

泡沫混凝土在抗冲击方面具有其他材料所不能比拟的优点，它不仅能够提供足够的强度，还可以将大量的能量消耗在其内部，提高了其抗冲击能力。随着现代建筑工程的发展，泡沫混凝土受到越来越多的关注，希望本文可以为泡沫混凝土在未来的工程应用提供一定的理论依据。

参考文献

[1] 宋强，张鹏，鲍玖文，等.泡沫混凝土的研究进展与应用[J].硅酸盐学报，2021（2）：398-410.

[2] 王小娟，刘路，贾昆程，等.陶粒泡沫混凝土的力学性能及吸能特性[J].建筑材料学报，2021（1）：207-215.

[3] 侯明昱，朱先昌，李国青，等.泡沫混凝土的研究与应用概述[J].硅酸盐通报，2019（2）：410-413.

[4] 刘海燕，李然.泡沫混凝土吸能机理试验研究[J].成都大学学报（自然科学版），2010（2）：1004-1221.

[5] 牟金磊，朱锡，黄晓明，等.水下爆炸气泡载荷在加筋板塑性变形中的作用[J].振动与冲击，2010（5）：23-36.