本文首先介绍了生产泡沫混凝土的原材料，接着对泡沫混凝土的物理特性进行了描述，包括工作性、流动性、力学性能等，最后介绍了泡沫混凝土的功能特性，总结了泡沫混凝土在今后的工程应用中还需要注意的问题。 普通混凝土的原材料通常包括水泥、细骨料、粗骨料、水，而泡沫混凝土与普通混凝土的区别在于，粗骨料被泡沫所取代，从而在很大程度上减小了混凝土的密度。图1为常规混凝土与泡沫混凝土的对比图，可以明显看出泡沫混凝土的多孔结构。 1.1 水泥 建筑工程中一般采用硅酸盐水泥作为胶凝性材料，型号一般包括32.5、42.5、52.5等，除了普通的硅酸盐水泥，铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和快硬硅酸盐水泥也可以作为胶凝材料，且这些水泥一般都具有凝结时间短的特点，可以提高泡沫混凝土的早期强度。油井水泥也是制作低密度水泥浆的胶凝材料，在海洋油气井钻完井过程中，通常地层完整性较差且液柱压力较低，因此在完井过程中需要采用泡沫水泥完成固井作业。碱激发材料作为胶凝材料时，可以降低能源的消耗，且在CO2减排方面比普通硅酸盐水泥效果好。为了提升泡沫混凝土的早期强度、降低泡沫混凝土的水化热，可采用具有火山灰效应和填充效应的硅灰、矿渣和粉煤灰材料取代水泥，一般取代水泥的质量在5%～75%。 1.2 细骨料 泡沫混凝土的主要特点是密度低。粗骨料具有密度高、体积大的性质，在降低泡沫混凝土密度方面会产生不利的影响。而细骨料相对水泥的密度较低，为了更好地降低混凝土的密度，通常采用一些密度较低的细骨料取代河砂。例如，采石场粉尘具有较细的粒径，可以增强泡沫混凝土的粘结性，因此可在保持密度变化较小的情况下轻量化混凝土。聚乙烯废料可以替代部分泡沫混凝土中的细骨料，并且改善泡沫混凝土抗弯曲性能和抗压性能。稻壳灰是常见的农作物废料，用稻壳灰取代泡沫混凝土的细骨料具有一定的可行性，并且其火山灰效应和填充效应可以提升泡沫混凝土的强度。生物质骨料同样可以替换泡沫混凝土中的细骨料，在泡沫混凝土中起到粗骨料支撑水泥石骨架的作用。其他材料如再生混凝土骨料、玻璃粉等废弃材料，也可以取代泡沫混凝土中的细骨料，而且大量使用这些替代材料可以充分利用废弃物，起到可持续发展的效果。 1.3 泡沫 泡沫是降低泡沫混凝土密度的主要成分。按照添加的方式可以分为预发泡工艺（物理发泡法）或混合发泡工艺（化学发泡法）。预发泡是指先分别产生基础混合物和稳定的水性泡沫，然后再充分混合。混合发泡过程是指直接将发泡剂添加到基础混合物中，在基础混合物搅拌过程中产生泡沫，随着混凝土浆液的硬化而形成蜂窝状结构。据研究表明，添加剂的量越多，混凝土中生成的泡沫的量也就越多，密度降低也更快。虽然将泡沫添加剂与混凝土混合时间越长，生成的泡沫数量就越多，但是长时间的混合会导致混凝土浆液中气泡不稳定、气泡之间彼此结合并产生分离。表面活性剂和发泡剂的类型也是影响泡沫混凝土性能的两个因素。表面活性剂的浓度对泡沫的密度影响较小，天然发泡剂更容易获得，与合成发泡剂相比，含有天然发泡剂的泡沫混凝土具有更强的力学性能。 1.4 水 通常将pH值接近7的饮用水作为制备泡沫混凝土的原料。根据相关规定，对于要用于泡沫混凝土的水应进行清洁，确保不含油、酸、碱、盐、有机物等。同时，泡沫水泥要求的最低水灰比为0.35，这样设置是为了防止当水灰比过小时，水泥水化的同时从泡沫中吸取水分，使得混凝土混合物在搅拌的过程中变硬，导致气泡破裂。相反，当水灰比较高时，会导致混凝土混合物中的气泡活动较弱，从而产生离析现象。因此建议泡沫混凝土的水泥比控制在0.4～1.25。 2.1 稳定性 当泡沫混凝土混合水泥浆的密度与设计密度值一致，且浆液无渗漏和离析时，可认为其是一种稳定的混合物。一般而言，对于密度为400 kg/m3的混凝土，当硅酸盐水泥没有被其他胶凝材料取代时，可以形成稳定的混合物，而当密度低于400 kg/m3时，采用5%～10%的硫铝酸钙取代水泥，也可以获得稳定的泡沫混凝土。同样，加入硅灰和粉煤灰，也可以提升泡沫混凝土混合液的稳定性。硅灰可以促进泡沫更加均匀和封闭，有助于提高泡沫混凝土的稳定性。纳米二氧化硅和甲基纤维素可以使泡沫的寿命更长，但加入纳米二氧化硅会逐渐缩小泡沫的尺寸。而加入羟丙基甲基纤维素可以增加泡沫膜的厚度，且不改变孔径大小。 在泡沫混凝土浆液混合好后，混合液中空气泡沫的塌陷会影响混合料的稳定性，适当提升混合浆液的水固比可以防止这种情况发生。泡沫的浮力与泡沫的大小成正比，密度越低，浮力越大。当浮力克服了周围的泡沫混凝土时，泡沫就会取代周围的固体并上升到表面，从而造成混合浆液不稳定。较大的气泡尺寸和较小的固体部分会使分离壁变薄，从而使气体更容易发生迁移。一般从较高的内部压力（较小的气泡）扩散到较低的内部压力（较大的气泡），气泡的浮力会进一步变大。 2.2 干燥收缩、孔隙率和渗透率 由于没有粗骨料的限制收缩，泡沫混凝土的干燥收缩率要比正常混凝土的收缩率高。因为纤维具有保留水分和延迟蒸发的能力，因此添加纤维后可以减少泡沫混凝土的干燥收缩量。收缩率受混合料中存在的纤维百分比的影响，百分比越高，收缩率的降低幅度就越大。在对比分别使用如聚丙烯纤维、洋麻纤维、玻璃纤维、钢纤维和油棕榈纤维的泡沫混凝土收缩行为中，玻璃纤维和聚丙烯纤维的保水能力较强，显示出较小的干燥收缩。 泡沫混凝土的孔隙率是浆料中的空隙和夹杂气泡的总称。其孔隙率影响泡沫混凝土的耐久性和强度。气孔大小分布范围较小的混合料表现出更大的可传导性和较小的密度，而分布范围较大的混合料表现出可传导性的降低。在较高的密度下，由于过度混合或样品处理不当，通常会出现泡沫不完善的现象，在密度较低的情况下，这些不完善是由于泡沫的体积增大，而水泥基质的体积较小。一般砂浆中形成的气泡内是氢气，氢气的分布并不均匀，在硬化的浆料中存在的气泡既不是球形的也不是大小均匀的。而矿渣、粉煤灰以及聚乙二醇可以用来稳定气泡，防止气泡破裂和夹带气体的逸出。 泡沫混凝土的吸水率和孔隙的存在密切相关。随着孔隙数量的增加，水的进入率也会增加。如果孔隙相连，吸水率会更高，如果是不连续的，吸水率相对较低。吸水率不仅受孔隙数量的影响，而且还受混合料中浆料含量的影响。在给定的泡沫体积下，用粉煤灰替代砂子也会增加吸水率。泡沫混凝土吸收水的体积是传统混凝土的两倍，由于界面空隙和裂缝的存在，添加孔隙率较低的骨料会增加渗透性。加入干燥的骨料后，由于吸收了砂浆中的水分，现有的水灰比和砂浆的渗透性降低，从而增加了耐久性能。当设计的低密度泡沫混凝土混合物的初始吸收率低于16%时，可以提供良好的抗冻融性。 2.3 抗压强度、弹性模量和抗折强度 密度是影响混凝土抗压强度的主要原因。影响混凝土抗压强度的其他因素包括水灰比、发泡剂类型、养护条件、添加剂种类、孔隙形状、尺寸分布等。 泡沫混凝土的强度随着水灰比的减少而增加，这主要是因为水灰比的减少降低了混凝土中的大尺寸气泡。矿渣的加入可以改善泡沫砂浆的水灰比，从而提升泡沫在砂浆中分布的质量。使用蛋白质基发泡剂和合成基发泡剂的泡沫混凝土均表现出更高的抗压强度。纤维主要通过防止微裂缝的产生而提高泡沫混凝土的抗压强度。泡沫混凝土中常采用的纤维有聚烯烃纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、聚酰胺纤维和碳纤维等。尽管钢纤维的强度比其他纤维高，但由于其密度较大，因此容易在泡沫混凝土中产生沉降，影响泡沫的分布和质量。 水泥的类型对泡沫混凝土的抗压强度也有较为明显的影响。水泥的标号不同，凝固之后的抗压强度也就不同，比如采用型号52.5的水泥比型号42.5的水泥抗压强度要高。用粉煤灰和微硅替代水泥，可以提升泡沫混凝土的抗压强度。从微观的SEM和XRD分析结果中发现，添加在泡沫混凝土中的微硅与水泥中游离的氢氧化钙（CH）反应，能产生更多的水化硅酸钙（C-S-H），而水化硅酸钙（C-S-H）的强度和耐久性要比CH高。 呈现出球形空隙且均匀分布的泡沫混凝土显示出较高的抗压强度，而不规则周长或具有大的不均匀开口的组合形式的气泡显示出较低的抗压强度。与粗砂相比，使用细砂的泡沫混凝土可以提供均匀分布的空隙。添加轻质多孔骨料、采石场粉尘骨料、膨胀页岩骨料等均可以提高泡沫混凝土的抗压强度。 弹性模量是反映材料弹性变形的能力，弹性模量越大，表明泡沫混凝土越脆，变形能力越差。一般的泡沫混凝土弹性模量与骨料的细度有关。以粉煤灰为细集料的泡沫混凝土的弹性模量值低于以砂石为细集料的弹性模量值，这是由于砂石混合物中的细集料量较高。纤维的加入不仅可以提高泡沫混凝土的抗压强度，还可以降低混凝土的弹性模量。碎橡胶废料可以利用其较高的比表面积和粗糙度，在加入的同时引入空气，不仅可以降低弹性模量，还可以起到较好的隔音效果。 抗折强度又称抗弯强度，其可以反映泡沫混凝土材料抵抗弯矩变形的能力和延展性行为，并且反映泡沫在混凝土内部是否均匀。一般泡沫混凝土的抗折强度与抗压强度之比（折压比）在0.2～0.4，比普通混凝土（0.08～0.11）高。通过加入足够长度、尺寸和高弹性模量的纤维，可以增加泡沫混凝土的抗折强度，并减少泡沫混凝土在早期阶段的开裂。对比合成发泡剂和天然发泡剂可以发现，使用天然发泡剂的混凝土的抗折强度更高。对于密度相近的泡沫混凝土混合料，不加超塑化剂、硅灰、粉煤灰和轻质骨料的混合料，与加了添加剂的混合料相比，改性后的泡沫混凝土延展性更高。 2.4 导热性 在建筑结构设计和建设前，确保建筑结构的隔热性能具有重要意义。泡沫混凝土因其蜂窝状的微观结构而具有优异的保温性能，导热系数是决定保温效果的关键。其导热性主要受密度、孔隙大小结构、骨料类型、纤维和矿物掺合物等的影响[13]。 在混凝土中增加20%的空气可以使热阻增加25%，并使混凝土的干密度降低100 kg/m3，导热系数降低0.04 W/（m·K）。密度较低的泡沫混凝土显示出更大的孔隙率，因此热导系数较低。在较低的温度下，热导系数随密度增加的速度较慢，混凝土的隔热性能随着温度的降低而提高。由于泡沫混凝土中存在大量的空隙，密度从700～1 400 kg/m3的变化对应着导热系数从0.24～0.74 W/（m·K），因此低密度的发泡混凝土具有较高的绝缘能力，可以保存内部的热量。 孔隙结构对泡沫混凝土的导热系数也有影响，一般孔隙率越高，导热性能越差，但由于孔隙连接的加强，有时会显示出增加的数值。孔隙的位置和相对方向对泡沫混凝土的导热性有很大影响，如果孔隙与热流成直角排列，更多的热量将通过孔隙，显示出更大的热阻。如果一层孔隙与热流方向平行，将产生较小的热流阻力。 聚丙烯纤维改性的泡沫混凝土相对于其他纤维（如玻璃纤维、洋麻纤维、钢纤维、油棕榈纤维和天然纤维）改性的泡沫混凝土而言，其导热系数较低。而加入纤维不一定会增加导热性，这是因为加入纤维后孔隙率增加，导致密度和导热性降低。尽管硅灰和粉煤灰等添加剂大大改善了泡沫混凝土的力学性能，但添加硅灰会导致导热性能的轻微增加。 2.5 隔音特性 由于泡沫混凝土具有空心的结构，对传播的声音具有较好的吸收效果。泡沫混凝土的吸声率相比普通混凝土较高。在泡沫混凝土中加入粉煤灰后，对低频声波的吸收没有变化，但增加了对高频声波（800～1 600 Hz）的吸收。将泡沫用量增加到5%～10%，可以有效提高泡沫混凝土对600～1 000 Hz频声波的吸收效率。 2.6 耐火性能 普通混凝土中存在的粗骨料在高温环境下会发生膨胀，并导致混凝土开裂。相比普通混凝土，泡沫混凝土中没有粗骨料，并且孔隙为包裹的气体，因此具有优良的耐火性能。通常密度为400 kg/m3的泡沫混凝土的耐火性是密度为100 kg/m3的三倍。通过对比普通混凝土和泡沫混凝土耐高温测试可以发现，将泡沫混凝土板和普通混凝土板靠近火后，当表面的温度达到1 039 ℃时，传统的混凝土墙体的另一边最低温度要明显高于泡沫混凝土。 2.7 抗冻性 由于泡沫混凝土导热系数较低，因此良好的保温效果也是泡沫混凝土的功能特性之一，而抗冻性是影响泡沫混凝土稳定性的重要因素。由于表面张力的作用，存在于泡沫内表面的水层以环形层的形式扩散开来，并在冰点温度以下转化为冰。疏水层减少了泡沫表面浆液—冰的结合，因此冰层通过吸收周围的水在气泡内生长。水在吸力下的运动不会在泡沫混凝土中产生任何膨胀压力。添加硅灰和纤维的发泡混凝土可以在一定程度上提高泡沫混凝土的抗冻性能。 本文对泡沫混凝土的物理和功能特性进行了详细全面的介绍，尽管泡沫混凝土有较多的优异特性，但未来对泡沫混凝土研究时还应注意以下几个方面。①深入研究影响泡沫稳定性的因素；②研究泡沫混凝土的工程特性，如耐久性、收缩率、弹性模量、泊松比、蠕变等；③充分地了解防火和防热性能的机制；④开发出高强度、低密度的泡沫混凝土。编辑搜图
