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混凝土實用技術(泡沫混凝土的起源與發展)
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混凝土實用技術(泡沫混凝土的起源與發展) 【混凝土】實用技術(2017年03期) 【機構】廣西科技大學土木建筑工程學院; 【摘要】近年來泡沫混凝土在國內外得到了快速發展,越來越多地應用于諸多領域,介紹了泡沫混凝土在國內外的發展歷程,對比了泡沫混凝土與普通混凝土間的物理力學性能,概括了當前國內外泡沫混凝土的應用進展。在此基礎上總結了泡沫混凝土的發展趨勢,并對具有優良性能的泡沫混凝土應用前景進行了展望。 【關鍵詞】泡沫混凝土;性能;應用進展;發展趨勢; 前言 泡沫混凝土是以膠凝材料為主,并以水及外加劑制成膠凝材料漿體,經過發泡劑發泡,形成泡沫漿料,再與混凝土均勻混合攪拌并澆筑成型,在自然養護、蒸汽養護條件下而形成的內部含有大量密閉氣孔的輕質混凝土[1]。泡沫混凝土具有較低水泥含量、低聚合使用[2-4]、高流動性和優秀的保溫性能[5]。 隨著社會的發展,科學技術的進步,人們對物質生產和生活的不斷追求,簡單的建筑已經不能滿足人們生活的需要。隨著高層、大跨度建筑的發展趨勢,當下人們不得不面對建筑物的自重過大這一明顯問題。作為多孔混凝土材料之一的泡沫混凝土由于其自重輕、耐火等級高、環保、降噪、保溫隔熱性能好等一系列優異性能而備受人們的青睞[6]。 泡沫混凝土應用于建筑結構中,一般可以減少建筑物20%左右的自身重量,因此在建筑結構中使用泡沫混凝土可以得到良好的的經濟效益[6-10]。 本文將在以下幾個方面對泡沫混凝土的應用進展進行總結與分析: ⑴建筑節能。我國現階段正處于大規模建筑期,同時也是世界上最大的建筑舞臺。如果不提倡建筑節能,社會的可持續發展將難以實現。泡沫混凝土作為一種建筑墻體、墻體、樓板、屋面等全系列保溫材料,是建筑節能的首選材料。 ⑵土木工程。近幾年來泡沫混凝土在土木工程領域內得到了較快的發展。目前主要應用于地基工程、環境工程、回填工程、擋土墻工程等。 ⑶工業應用。泡沫混凝土在工業領域尚處于起始階段,隨著泡沫混凝土技術的不斷發展與成熟,其應用范圍將愈來愈廣泛。目前泡沫混凝土在工業領域的應用主要是耐火工程、化工工程、管道保溫、陶瓷工業等方面。 泡沫混凝土的發展歷程 1.1泡沫混凝土在國外的發展 泡沫混凝土的起源要追溯到5000多年前的古埃及,當時人們為應對寒冷氣候使用一些天然物質并混合后產生氣體,由此制備成多孔材料。若干年后,古羅馬人在混凝土中加入動物血液混合攪拌產生穩固氣泡,并將馬毛摻入此多孔混凝土中以防止其開裂收縮。 19世紀末Hofman通過用鹽酸與碳酸鈉反應生成的氣體制作氣泡混凝土,并獲得該制作方法的專利。步入20世紀后,北歐國家開始致力于泡沫混凝土相關技術的開發與研究。1923年以后,瑞典人AxelEriksson[11]在泡沫混凝土方面獲得了第一項專利,進而又取得了一系列專利。 在北歐人取得一系列成果后,前蘇聯人也不甘落后并取得了大量技術成果。從1926年開始研發,僅用了4年便開始了泡沫混凝土的工業化生產。于1946~1958年間前蘇聯出臺了一系列泡沫混凝土標準規范,在泡沫混凝土標準化方面走在了前端,如《泡沫混凝土屋面板》(1781-49)、《廠房屋頂用鋼筋泡沫混凝土大型板》(7741-55)等。 1979年美國的Yamads等人將泡沫混凝土首次成功應用在油田固井方面,使泡沫混凝土的應用領域由單一化逐步向多領域應用拓展。1996年C.Pickford[12]等人展開了對泡沫混凝土在橋梁施工方面的研究。1998年在第五屆大洋洲建筑研討會上J.M.Durack[13]等人作了關于泡沫混凝土砌體生產的報告。同年,韓國的K.J.Byun[14]等人用聚合物作泡沫劑生產制造輕質泡沫混凝土。2004年新加坡K.Ruiwen[15]等人展開了對高強泡沫混凝土的研究,拓展了泡沫混凝土的應用。2005年,英國人E.P.Kearsley[16]等人對泡沫混凝土的防火性進行了進一步的研究。 國外泡沫混凝土的發展如下圖所示: 1.2泡沫混凝土在國內的發展 上世紀五十年代早期由前蘇聯傳入并得到發展,于1952年開始了以黃蘭谷為首的泡沫混凝土研發工作。同年,國內生產的泡沫混凝土已成功地應用于工業管道保溫。1954年,經前蘇聯專家的引導,在哈爾濱生產出應用于建筑保溫方面的蒸壓泡沫混凝土板。1955~1957年,成功研制應用在大連電廠的高溫管道保溫的使用溫度高達250~510℃的泡沫混凝土管殼。1956年,進行了粉煤灰泡沫混凝土的試驗研究。經過一年多的試驗,泡沫混凝土的生產成本降低了40%。 自1960始,隨著中蘇關系的惡化,中國泡沫混凝土的發展停滯了近二十年。上世紀八十年代,伴隨改革開放,歐洲的泡沫混凝土現澆技術逐步進入廣東省。20世紀90年代開始,泡沫混凝土的現澆技術開始在我國的建筑工程回填及巖土工程回填中得到應用。到了20世紀90年代末期,韓國的泡沫混凝土地面保溫層現澆技術成功應用在國內臨近韓國地區。2000年后,交通工程領域開始應用泡沫混凝土。2008年,中國工程建設協會標準《現澆泡沫輕質土技術規程》(CECS249:2008)正式頒布并于次年實施,預示著我國泡沫混凝土在填充工程領域進入了新的階段。 自2005年開始,我國泡沫混凝土的發展進入了高峰期,到2010年泡沫混凝土的現澆地暖保溫層技術成為泡沫混凝土的第一大應用領域。國內泡沫混凝土的發展如下圖所示: 泡沫混凝土物理力學性能 泡沫混凝土屬于多孔混凝土的一種[18],其與普通混凝土最本質的區別在于:泡沫混凝土沒有普通混凝土所含有的粗骨料,而是內部含有大量的密閉氣泡[6]。泡沫混凝土與普通混凝土的各項性能比較如表所示: 通過泡沫混凝土與普通混凝土性能的比較,泡沫混凝土的較之普通混凝土的優異性能總結起來主要有以下幾點[20-23]: ⑴泡沫混凝土自重輕。泡沫混凝土的體積密度相對于普通混凝土來說要小,因而泡沫混凝土材料作為高層建筑物的非承重結構部分使用可以有效地減輕建筑物的自重。 ⑵泡沫混凝土保溫隔熱性能好。泡沫混凝土在內部含有大量的密閉氣泡及微氣孔,能夠起到良好的保溫隔熱性能。 ⑶泡沫混凝土具有良好的降噪功能。因為泡沫混凝土在內部含有大量的密閉氣孔,所以在構筑物中具有很好的隔音減噪性能。 ⑷泡沫混凝土具有良好的抗震性能。泡沫混凝土的自重比較輕,在以泡沫混凝土為材料建成的相關結構構件中可以有效地減小地基荷載,提高建筑物的抗震性能。 ⑸其他性能。由于泡沫混凝土具有良好的可泵性,所以能夠用于大面積現場澆注和地下采空區的填充工程[24]。此外,泡沫混凝土還具有良好的沖擊能量吸收性、防水性以及可大量利用工業廢渣、價格低廉等優點[25]。 泡沫混凝土的應用進展 泡沫混凝土是一種以膠凝材料和發泡劑為主要原材料的混凝土。泡沫混凝土對普通混凝土而言,擁有輕質、保溫、隔熱、降噪等優處。正是由于泡沫混凝土的這些優點,現在它正在應用于越來越廣泛的領域。 ⑴用作擋土墻。主要用于港口的岸墻,使用泡沫混凝土作輕質回填材料可以有效地降低對岸墻的側向荷載,也可減少垂直荷載。在路基邊坡也得到了應用,以增強其穩定性,或用于沙區蓄水覆蓋等[26-28]。 ⑵補償地基。由于現在建筑物的高度大、群組大導致建筑物群的自重大,進而所引起的沉降越來越明顯,當下人們不得不面對由建筑物自重所引起的一系列問題。在建筑物組群中由于各組成部分的自重不同會引起建筑物的自由沉降差,因此,在建筑物設計過程中要求在建筑物自重較低的部分填充軟材料,作為補償地基使用,泡沫混凝土能較好的滿足此需求[29]。 ⑶泡沫混凝土砌塊。泡沫混凝土砌塊是目前國內應用最廣泛的泡沫混凝土材料之一。其作為墻體填充材料,能夠大幅降低結構的自重,從而縮小樁的孔徑或減少樁的數量,增加建筑物的高度或節省工程造價[30]。 ⑷泡沫混凝土保溫層現澆。在施工現場將泡沫混凝土進行泵送澆注,經自然養護而形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質保溫材料[31]。 ⑸泡沫混凝土輕質隔墻板。中國建筑材料科學研究院經過GRC隔墻板生產工藝聯合固體泡沫劑和泡沫水泥的研究成果,研發出了粉煤灰泡沫水泥輕質墻板的生產技術,在保持GRC輕質墻板使用效果的基礎上,降低了生產成本,提高了漿體的流動性,得到了良好的技術、經濟和環境效益[27,32]。 ⑹管線回填。選用密度等級為600~1100㎏/m3的泡沫混凝土回填能夠有效解決污水管、地下廢棄的油柜、管線(內裝粗油、化學品)及其他容易導致火災或塌方的空穴。 ⑺修建運動場和田徑跑道。選用密度等級為800~900㎏/m3的泡沫混凝土作為輕質基礎,表面覆以礫石或人造草皮,用作曲棍球、足球和網球等活動的運動場。再者在泡沫混凝土上蓋上一層0.05m厚的多孔瀝青及塑料層,可以用作田徑跑道[6]。 ⑻軍事應用。在軍用領域良好的應用了泡沫混凝土的減震吸能,包括[31]:射擊靶場和地下抗暴坑道建設。 ⑼耐火應用。泡沫混凝土的耐火性可用于大型防火工廠,也可用于生產管道保溫外殼以及管道保溫噴涂層等[33]。 ⑽園林應用。泡沫混凝土在園林方面的應用是一個新興領域,主要有假山石、發泡仿木材料等,也可以作為基質材料用于無土種植[34]。 ⑾其他應用。泡沫混凝土還可應用在回填灌漿[35]、地鐵隧道減荷[36]、夾芯構件、復合墻板、屋面邊坡、儲罐底腳的支撐、貧混凝土填層[29]以及防火墻的絕緣填充、隔聲樓面填充、裝飾材料等方面。 泡沫混凝土應用的發展趨勢及展望 目前,國外的泡沫混凝土技術比較先進,應用相對廣泛。由于泡沫混凝土的優異性能以及良好的經濟性能,因此泡沫混凝土應用于許多工程結構中。比如,低密度泡沫混凝土應用在工程填充及高密度混凝土應用于絕緣結構中[3,37,38]。泡沫混凝土的其他應用還有[39,40]:隔熱隔音、防火絕緣、輕塊預制面板、路基填充、機場跑道等。由于泡沫混凝土良好的流動性,還應用于地下室、儲蓄罐、老舊的下水道、導管和空洞道路在暴雨情況下的排水[11]。 泡沫混凝土的應用在全球范圍內廣受歡迎,特別是飽受惡劣天氣、地震、颶風襲擊等自然災害的地區。在北美,美國南部地區其需求量與實際生產量幾近持平,在加拿大泡沫混凝土已廣泛應用于隧道灌漿、填充和巖土工程。泡沫混凝土廣泛應用,大部分是由于它良好的經濟性能以及環保性能[41]。在英國,每年的泡沫混凝土市場規模約為25萬-30萬立方米,在加拿大西部市場規模約為5萬立方米[42,43]。此外,在韓國每年約有25萬立方米的泡沫混凝土用于地板采暖系統中[44]。在中東,泡沫混凝土的優良性能被用于減少地震災害和解決溫度變化問題等。在荷蘭,泡沫混凝土用于路面地基。此外,泡沫混凝土的維護成本效益非常樂觀[45]。 現階段我國正在大力倡導生態節能、資源綜合利用的建筑材料應用與研發,泡沫混凝土的優良性能備受人們的關注,前景廣闊。現澆泡沫混凝土是目前國內泡沫混凝土的第一大應用領域,隨著我國大規模修建公路鐵路,泡沫混凝土在軟土地基填充、凍土地帶路基填充、拓寬路基代土填充、引橋代土填充、斜坡路基防滑填充、護坡植草覆蓋澆注、地下管線填埋等幾十個方面得到了應用推廣。趙維霞[46]等研制出兩種不同配合比的泡沫混凝土,便于漿體泵送的不同施工要求。將來,泡沫混凝土的第二大應用領域將會是土木工程回填、巖土回填和生態覆蓋。 當然,在泡沫混凝土的功能應用方面前景也很廣闊,尤其是在吸音隔音方面。周棟梁[47]等驗證了泡沫混凝土具有良好的吸聲效果。另外,泡沫混凝土在保溫隔熱、抗滲防水、耐火等領域也具有廣闊的發展前景。泡沫混凝土的導熱系數相對比較低,具有很好的防火性[48]。傅秀新[49]等利用泡沫混凝土制作了防火型保險柜,試件的干密度越低,其耐火隔熱性能越好。隨著越來越多的泡沫混凝土功能的發現,作為功能材料將越來越會受到人們的關注。 結語 隨著泡沫混凝土的穩步發展,其應用市場一片光明。國內泡沫混凝土建筑節能技術正變得越來越成熟,泡沫混凝土的發展趨向于多樣化的前景越來越廣闊,泡沫混凝土即將進入快速發展期?;剿鞲玫納τ眉際?,突破發展瓶頸,泡沫混凝土的發展將迎來美好的春天。 參考文獻 [1]唐明,徐立新,閆振甲.泡沫混凝土材料與工程應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2013:1-5. 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