王 靜 潘美云 張美香

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0 引言

隨著社會科學技術(shù)的發(fā)展，人們對建筑材料性能的需求不斷增加，不僅需要建筑材料在耐久性能、力學性能等基礎(chǔ)性能得到提高，而且希望建筑材料在強度、節(jié)能、隔音、防水、美觀等方面也能加強[1]?，F(xiàn)階段，自然環(huán)境中的資源不斷地減少，使得節(jié)能環(huán)保、持續(xù)發(fā)展等理念不斷滲入，要求建筑材料能夠成為節(jié)能環(huán)保、綠色再生資源，不僅能提高建筑材料的循環(huán)利用，還能緩解建筑垃圾占用大量土地資源等。

現(xiàn)階段對材料的研究轉(zhuǎn)向質(zhì)量輕、性能好、用途廣及可回收等方向，多孔材料在降低致密性的前提下來提高它的應(yīng)用范圍，因為孔隙的存在，不可避免的會降低一些力學性能，但正是因為孔隙的存在，可以提高它的吸附、過濾及減震等應(yīng)用性能。目前多孔材料應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)成功制備出了不同孔隙率的多孔鎳、多孔鋁、多孔鎂、多孔不銹鋼及多孔混凝土等材料。

1 多孔混凝土的發(fā)展

混凝土材料是目前建筑材料中用途廣、用量大的建筑材料。為滿足不同環(huán)境的使用要求，混凝土材料的種類及性能不斷增加，產(chǎn)生了多種用途的混凝土材料，如高性能混凝土、纖維混凝土、高強度混凝土、多孔混凝土以及耐酸混凝土等。其中多孔混凝土材料也稱生態(tài)多孔混凝土，以其低密度、高比表面積等結(jié)構(gòu)特點，以及隔音隔熱、緩沖吸能、吸附交換及過濾雜質(zhì)等功能，成功的被應(yīng)用在航空航天、環(huán)保凈化、建筑施工、石油化工、交通運輸以及機械制造等領(lǐng)域。

1930 年，歐洲開始研究應(yīng)用多孔混凝土，主要應(yīng)用于輕質(zhì)墻體建設(shè)，相較于普通的混凝土材料，多孔混凝土施工過程中所需的膠質(zhì)材料少，因此，多孔混凝土材料常被用作磚塊的替代品，廣泛應(yīng)用在房建工程當中。后來慢慢開始應(yīng)用于人行道路、停車場等場合。1970 年，美國東南部首次將多孔混凝土材料作為透水材料用于人行道路鋪裝[2]。Chindaprasirt 等學者[3]發(fā)現(xiàn)多孔混凝土在制備過程中膠凝材料含量、水灰比以及攪拌時間可以決定其穩(wěn)定性能。Ibrahim 等[4]通過采用不同粗骨料粒徑的原材料和水膠比，制備出不同孔隙率的多孔混凝土材料，并對不同孔隙率材料的耐久性能和力學性能進行分析研究。1995 年，日本提出生態(tài)混凝土材料，研究其設(shè)計、施工、養(yǎng)護、制備方法等對材料性能的影響，首次將多孔混凝土材料應(yīng)用于吸附污染物等環(huán)境中。

我國對多孔混凝土材料的研究較晚，起源于1950 年，中國科學院成立了我國首個多孔混凝土試驗中心；1954 年，我國首次生產(chǎn)泡沫混凝土并將其用于建筑保溫。清華大學研究員在多孔混凝土的制備過程中添加了外加劑，用于改善材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，用以提高混凝土中水泥的結(jié)合能力，使得最終的多孔混凝土材料具有高的耐磨損性能和耐久性能。長安大學鄭木蓮教授團隊系統(tǒng)性地研究了用于路基鋪裝的多孔混凝土材料，研究不同添加物對多孔混凝土材料透水性能的影響，通過對多孔混凝土內(nèi)部取樣，研究其核心內(nèi)部的力學性能和孔隙分布等。東南大學學者在1997 年開始研究多孔混凝土材料對水質(zhì)凈化的能力，根據(jù)不同尺寸試樣的孔隙率研究其透水性能和物理力學性能，匹配出強度與透水性能較好的多孔混凝土材料，并在后期將其成功應(yīng)用于污染的河道。目前，多孔混凝土材料已經(jīng)成功在奧林匹克公園和鳥巢工程等周邊項目中得到成功應(yīng)用。

2 多孔混凝土性能分析

多孔混凝土由粗骨料、水泥、增強劑以及水按照一定的比例調(diào)配，再將發(fā)泡劑溶液加入水泥漿體內(nèi)，采用體積法或質(zhì)量法進行配比，根據(jù)制定的目標孔隙率進行制備。原料調(diào)配好之后采用機械攪拌的方式進行調(diào)配混合而成，通過攪拌—倒模—人工及機械壓實—灑水養(yǎng)護，來得到目標孔隙率的較高強度，較好孔形貌特征及輕質(zhì)的多孔混凝土材料[5]。根據(jù)不同材料的配比以及發(fā)泡劑含量的多少，可以改變內(nèi)部孔洞的立體均勻分布，得到不同孔隙結(jié)構(gòu)的多孔混凝土材料。

根據(jù)造孔的方式，多孔混凝土可分為加氣混凝土、輕骨料混凝土和泡沫混凝土。根據(jù)孔洞的大小進行分類，可以分為以下三種：孔洞＞50μm 的孔結(jié)構(gòu)成為氣孔結(jié)構(gòu)；孔洞在50nm～50μm 之間的成為毛細孔結(jié)構(gòu)；孔洞在0.5～50nm 之間的成為凝膠孔結(jié)構(gòu)[6]。其中多孔混凝土中的骨架主要有粗骨料形成，采用水泥及粘結(jié)劑等進行包裹，可以保證多孔材料根據(jù)內(nèi)部不同孔的形貌特征，具有一定的力學性能，滿足其應(yīng)用的實際工程環(huán)境。

2.1 多孔混凝土的透水性能

多孔混凝土材料應(yīng)用在路面鋪裝上，其更好的透水性能能夠保證水分迅速從材料表面滲出，不僅改善了城市環(huán)境的排水系統(tǒng)，而且也可以減緩雨水等造成的路面積水情況。

多孔混凝土材料的透水性能，根據(jù)孔隙率的大小以及孔隙的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定。根據(jù)多孔混凝土材料的透水性能，孔隙可以分為三種形式，一種是完全封閉的閉孔結(jié)構(gòu)；一種是開口形式但不連續(xù)的孔隙；最后一種是貫穿于材料內(nèi)部的連續(xù)孔結(jié)構(gòu)。連續(xù)性孔結(jié)構(gòu)是多孔混凝土材料透水能力基礎(chǔ)。在制備的過程中通過控制均勻混料時間，計算添加劑的含量以及原材料顆粒細度等方式，來得到更多的連通孔隙，進而提高材料的透水性能。但隨著透水能力的增強，其內(nèi)部的抗壓能力迅速降低?，F(xiàn)階段試驗研究得出，在保證多孔混凝土材料在具有一定強度的范圍內(nèi)，又能保證其材料具有一定的透水性能，試驗得到的最佳孔隙率范圍為15%～20%[7]。

2.2 多孔混凝土的凈化水質(zhì)性能

多孔材料微觀結(jié)構(gòu)具有連續(xù)的孔洞，形成較大的比表面積，因而具有很強的過濾和吸附能力。通過利用多孔材料的孔結(jié)構(gòu)及內(nèi)部化學離子的交換功能對水中的雜質(zhì)污染物等進行吸附，改善水環(huán)境中的質(zhì)量。

多孔混凝土材料的吸附方式有物理吸附、化學吸附及生物吸附三種。物理吸附是通過在制備過程中改善孔隙率的大小以及孔隙微觀形貌，來促使多孔材料對水環(huán)境中污染物進行過濾吸附[8]；化學吸附是在微孔的表面覆蓋一層泥漿，通過在水中浸泡，促使泥漿中的陽離子如鎂離子、氯離子等析出，來吸附水環(huán)境中的陰離子，以達到吸附水中雜質(zhì)的目的；生物吸附是在水環(huán)境中通過添加外加劑，使得多孔材料的孔結(jié)構(gòu)部位形成一層生物膜，利用生物膜的特性吸附水中雜質(zhì)[9]。大量的試驗研究表明多孔混凝土材料在污染嚴重的水環(huán)境下吸附能力明顯，并且在動態(tài)條件下吸附效果更佳。

2.3 多孔混凝土的力學性能

對一般材料而言，在相同的情況下，材料的強度與其致密情況成正比，孔隙率越高，多孔材料的力學性能就會差；相反，孔隙率越低，多孔材料的力學性能就會更高。因此，在制備之前，根據(jù)設(shè)定的目標孔隙率，進行配合比的設(shè)計，計算出準確的添加劑含量，在制備過程中嚴控原材料的粒度及攪拌混勻時間，確保在得到目標孔隙率及孔形貌的同時，能夠通過所加入的添加劑與骨料之間結(jié)合力得到更好的強度值。

多孔混凝土材料是一種復合材料，其力學性能不僅與材料的孔隙率有關(guān)，而且與制備時的水灰比、骨料的粗細等有關(guān)。在同樣的孔隙率的條件下，隨著水灰比的增加，材料的抗壓、抗折性能呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。有試驗研究表明當多孔材料的密度為10%～25%，水灰比為0.35 時，多孔材料的抗壓強度為最大值，并且孔隙率越小，材料的抗壓性能越明顯。原材料中使用細骨料制備得到的多孔材料，其抗壓、抗折性能優(yōu)于使用粗骨料。因為細骨料之間的接觸點較多，比表面積大，不僅保證了多孔混凝土材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能，而且減少了水泥中游離水分的流動，穩(wěn)定了材料的力學性能。

相對于致密性材料而言，多孔材料的力學性能較差，當多孔混凝土材料在使用過程中受到一定的壓力時，其存在孔隙的邊角等位置的粗骨料是最容易脫落的，逐漸從邊沿進行延伸，直到所承受的壓力達到了粘結(jié)劑與骨架之間的結(jié)合力的極限值，此時多孔材料的抗壓能力達到最大。

2.4 多孔混凝土抗凍性能

為滿足材料用于過濾環(huán)境，其必須具備一定的貫通孔，但孔隙的存在不僅使得材料的性能降低，并且由于孔隙的存在，多孔混凝土材料孔隙內(nèi)具有一定量的水分，這就使得材料在使用的過程中，根據(jù)周邊環(huán)境的影響容易出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，溫度較低時孔隙中的水分凝結(jié)成冰，產(chǎn)生一定的收縮，使得骨架之間的結(jié)合點容易出現(xiàn)斷裂，造成多孔混凝土材料外表面出現(xiàn)裂紋，剝落，甚至最終脫落現(xiàn)象。多孔材料孔隙率越大，其中孔隙中的水分越高，隨著季節(jié)變化，不斷經(jīng)歷著冷凍、融化再冷凍、融化等現(xiàn)象，會使得材料經(jīng)歷過多次冷融后出現(xiàn)失效現(xiàn)象，循環(huán)的次數(shù)越多，骨料之間的結(jié)合力逐漸降低，孔隙也逐漸開始聚合，大孔隙吞噬小孔隙，孔隙越來越大，強度越來越小，致使多孔混凝土的表面從開始脫落到產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象就會越來越嚴重。相反，孔隙率越小，孔隙越少，其內(nèi)部存在的水分較少，在經(jīng)歷不斷的冷凍融化現(xiàn)象后，其孔隙內(nèi)部的體積變化較小，對多孔材料內(nèi)部骨料結(jié)構(gòu)以及外部的破損狀況影響較小，因此其抗凍性能就會好于孔隙率高的材料。

多孔混凝土材料的抗凍性能明顯低于致密的混凝土材料，采用速凍法試驗研究，其偶發(fā)性（不可控性）較大，采用慢凍試驗進行研究，其消耗時間較長，因此到目前為止，多孔混凝土材料的抗凍性能研究還不夠成熟，沒有更完整或合適的試驗研究及理論依據(jù)來進行支撐，至今仍是研究者們的研究重點。

3 結(jié)束語

多孔混凝土材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)較為復雜特殊，在制備的過程中可以控制材料內(nèi)部孔的形貌特征，通過調(diào)整原材料的方式來得到不同孔隙的多孔材料。貫通孔較多的多孔材料可以提高材料的透水性能，吸附性能等，但同時也會降低材料的力學性能以及后期應(yīng)用過程中的抗凍性能。在得到高孔隙率的混凝土材料的同時，也會降低材料的部分性能。為此，在后期的研究中可以通過不同的方式，如調(diào)整制備過程中的設(shè)計理念，制備過程適當加入添加劑改善力學性能，原材料的形貌進行篩選等，制備出透氣、吸附性能、力學性能以及抗凍性能優(yōu)異的多孔混凝土材料，提高在不同的工程實際環(huán)境中的應(yīng)用。