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泡沫混凝土難以同時保持輕質和高強度，其中孔隙優化是解決這一問題的關鍵。本研究從流變控制入手，優化孔隙結構，設計出高性能泡沫混凝土（HPFC）。并采用X射線計算機斷層掃描技術探討流變性與孔隙特征之間的關系，揭示了相應控制機制。研究表明：流變參數，特別是粘度，顯著影響孔徑、均勻性、球形度、分形維數和連通性。因此，存在實現理想孔隙結構的最佳粘度范圍，為1.30±0.15Pa·s。力學性能表明，粘度通過影響曳力影響動態和靜態條件下添加的泡沫的平衡，導致孔隙結構發生變化。經孔隙優化后，HPFC表現出高抗壓強度（同密度下比普通泡沫混凝土高2-3倍）和與高性能混凝土相當的優異耐久性。

2.1 原材料

普通硅酸鹽水泥（OPC）、硅灰（SF）和粉煤灰（FA）作為膠凝材料。采用固含量為0.22的聚羧酸醚高效減水劑（SP）。使用硬脂酸鈣（Ca濃度：6.8％）作為泡沫穩定劑。使用高效發泡劑（BASFGYP3711）來生產泡沫。

2.2 HPFC樣品的制作過程

圖1 HPFC的制作流程

HPFC產品的制作流程如圖1所示：i）將膠凝材料預混合1分鐘；ii）加入水和SP，攪拌直至形成灌漿料（約4-5分鐘）；iii）使用物理發泡機添加發泡劑產生空氣泡沫；iv）將泡沫加入到新鮮的灌漿料中，混合2分鐘；v）將新拌的HPFC澆注到不同的模具中，然后將其放入20℃的環境室中24h；vi）最初24小時后，將樣品脫模并將其轉移到標準固化室（20±2℃和RH>95%）中達到所需的固化年齡（28d）。

2.3 實驗方法

分別對所致制備的HPFC進行密度、新拌性能、孔隙結構（孔隙均勻性、分形維數、球形度、孔隙連通性）、機械性能、導熱性能、耐久性（吸水性、快速氯化物遷移、電化學阻抗譜）進行測試。

為了實現在相同密度/孔隙率水平下，抗壓強度和耐久性至少是普通泡沫混凝土的1.5-2倍，需要考慮三個關鍵因素：i）設計高強度且致密的水泥基漿體基質；ii）使用合適且含量的穩定細膩的泡沫；iii）優化混凝土基體內的孔隙結構。

3.1 高強度、致密漿體基體設計

采用改進的Andreasen和Andersen顆粒堆積模型來設計用于制造HPFC的致密水泥基漿體。

使用硅灰的原因是為了填充水泥顆粒之間的孔隙，形成致密的基體，其火山灰活性可以進一步增強漿體基體的強度。

3.2 確定合適的泡沫含量

根據目標密度（ρt）確定泡沫含量：

之后，計算出泡沫體積：

式中，VSL為固體和液體材料的體積比，m_W和m_SP為1m3泡沫混凝土中水和SP的質量，ρ_C、ρ_SF、ρ_W和ρ_SP分別為水泥、SF、水和SP的密度，分別為，V_F為泡沫的體積比，k為根據實驗和配料特性調整系數。

3.3 孔隙結構優化

本研究旨在通過流變控制來優化HPFC的孔隙結構。對于水泥基材料，其流變特性主要取決于所使用的膠凝材料體系和水膠比。對于膠凝材料體系，先前的文獻強調使用輔助膠凝材料（SCM）對混凝土流變學具有顯著影響。在這些材料中，粉煤灰（FA）因其球形形態而成為常見的選擇，可充當調節流變特性的潤滑劑。同時，事實證明，用FA替代水泥是降低HPFC相關成本和環境影響的可行策略。因此，通過使用不同質量比（0-40%）的FA實現了膠凝材料體系的流變控制。另一方面，水膠比是影響混凝土流變性能的直接因素。因此，選擇該因素作為漿料流變控制的另一個關鍵參數。鑒于低水膠比是高強度漿料的基礎，根據之前的參考文獻和初步實驗，水膠比范圍確定在0.16至0.24之間。

4.1 FA和w/b對流變特性的調節

圖2（a）FA含量（a1）和w/b（a2）對HPFC坍落度的影響，（b）FA含量（b1）和w/b（b2）對HPFC動態屈服應力和塑性粘度的影響

圖2a表明，增加FA和w/b顯著提高了HPFC的和易性。圖2b表明，隨著FA含量的增加，HPFC的動態屈服應力和塑性粘度均明顯降低，其中含水量的影響更為明顯。總的來說，這些結果表明添加FA或優化水膠比是調節和控制HPFC流變性能的有效方法。

4.2 對孔隙結構的調節

4.2.1 孔隙率和孔徑

圖 3 HPFC在不同孔徑范圍內的孔幾何形狀和分布

圖3中FA0組的毛孔不僅明顯大于其他組，而且表現出更不規則的形狀。這強調了流變特性對孔隙結構控制的顯著影響。

為了進一步明確孔隙特征，對孔隙率和孔徑分布進行了定量分析。

圖 4 孔徑分布的相對頻率

圖5（a）FA含量對孔隙分布的影響（b）w/b對孔隙分布的影響

圖4與圖5顯示HPFC的孔隙分布存在兩個區域，區域I是由水泥基漿體基質內的孔隙以及一些由細泡沫引入的孔隙。區域II僅僅由泡沫（即泡沫氣泡）引入的孔隙所引起。并且隨著FA含量或w/b的增加，第二個峰變得更加明顯。隨著FA含量的增加，第二個峰相應的孔徑減小，表明泡沫孔變細。隨著w/b從0.16增加到0.24，第二個峰的孔徑呈現先減小后增大的趨勢。這表明過高的水膠比也會導致泡沫孔徑變粗。可以得出結論，FA含量和w/b對泡沫混凝土的孔徑有顯著影響，這意味著流變控制的重要性。

4.2.2 孔隙連通性

流體和離子只能穿過多孔材料內相互連接的孔隙；孤立的孔隙不能形成流體流動通道。因此，孔隙網絡連通性是控制混凝土中流體傳輸的關鍵因素。本研究分析了相同密度水平下HPFC的孔隙連通性。

圖 6（a）孔隙連通性的PNM模型。（b）“孔體-喉道-孔體”模型示意圖。（c）連通孔隙的喉道半徑（c1）和通道長度（c2）分布。（d）FA（左）和w/b（右）對孔隙連通率的影響。

如圖6所示，孔隙網絡模型（PNM）由一系列“孔體-喉道-孔體”構型組成，類似于連通道管。喉道半徑代表通道半徑，通道長度用喉道對應的孔體之間的距離表示。從圖12a中可以看出，與其他組相比，FA0的孔隙結構明顯更粗糙，這可能會增加基質滲透性。具體而言，圖12c表明，添加FA或增加水膠比通常會改善HPFC基質內連接孔的喉道半徑和長度；然而，過高的水膠比（例如WB24）會導致平均喉道長度增加。根據建模結果，計算了基質的連通孔隙率，如圖12d所示。該分析表明，增加FA含量或水膠比會導致孔隙連通率最初下降，隨后又上升。

4.2.3 流變性對孔隙結構的影響

為了確定HPFC的孔隙設計參數，需要了解流變學特性與孔隙結構之間更具體的關系。

圖 7 孔隙特性與塑料粘度的關系：（a）孔徑；（b）孔隙均勻性；（c）孔隙球形度；（d）3D分形維數；（e）連通孔隙度。（f）和易性

如圖13a-e所示，除球形度外，其他孔隙結構參數均隨塑性粘度的增加呈凹函數關系，表現為先下降后上升；但球形度表現出相反的關系。這種現象的原因是：較高的球形度通常對應于較高的孔隙均勻性和較低的分形維數。這是因為分形維數越高，表面越復雜，比表面積越大，而球形度與比表面積成反比。這表明，泡沫混凝土體系存在一個最佳粘度范圍。

粘度對孔徑的影響可分為兩個區域：區域Ⅰ表示隨著粘度的增加，可以優化孔隙參數，包括細化孔徑、增強孔隙均勻性和增加平均球形度。然而，區域Ⅱ表明粘度過高會導致孔隙結構較差。

區域Ⅰ：合理提高粘度改善孔隙結構。作用在泡沫氣泡上的垂直力決定了它們的向上運動。氣泡的這種向上運動通常會降低泡沫穩定性并導致其聚結和破裂，從而降低泡沫混凝土的孔隙結構。當漿體基體的屈服應力和粘度相對較低時，氣泡容易向上移動。在向上運動過程中，氣泡往往會增大，加劇聚結并導致孔徑增大。此外，過低的粘度和基質屈服應力會加劇混凝土基質內的泡沫排出，進一步導致氣泡聚結并損害孔隙結構。因此，對于泡沫混凝土，適當提高粘度和屈服應力有利于穩定泡沫和優化孔隙結構。

區域Ⅱ：粘度過度增加導致孔隙結構惡化。理論上，當漿料靜止時，漿料的較高粘度和屈服應力可以穩定氣泡。然而，這項研究的結果表明，過度增加粘度也會惡化孔隙結構。這主要歸因于攪拌過程中施加在混凝土內泡沫上的應力。在水平方向上，泡沫混凝土的攪拌旋轉運動產生阻力（FR），該阻力由流體相沿與氣泡速度相反的方向施加。對于相同的氣泡尺寸，FR與漿料的粘度成正比。當粘度增加到一定程度時，FR超過維持氣泡形狀所需的表面張力Fst。此時，氣泡無法保持其形狀，并且開始變形，氣泡趨于變成直徑較大的橢圓形。這也會加劇氣泡之間的聚結，導致孔隙粗化。

4.3 HPFC性能

4.3.1 機械性能

圖 8（a）不同FA含量（a1）和w/b比（a2）的HPFC的抗壓強度。

（b）抗壓強度（b1）和比強度（b2）與文獻報道的比較。（c）具有不同FA含量（c1）和w/b比（c2）的HPFC的顯微硬度。

圖8中數據顯示FA含量的增加最初導致抗壓強度增加，然后又下降。而增加w/b往往會降低抗壓強度。FA的作用機制主要歸因于其對HPFC基體強度和孔隙結構的影響：i）最初，當FA含量相對較低（<20%）時，其對水泥基漿體強度產生的不利影響最少。由于其火山灰活性可以產生額外的凝膠，它甚至可以增強基質強度。ii）另一方面，合理使用FA可以通過流變控制來調節和優化HPFC的孔隙結構。隨著FA含量的增加，孔隙結構得到優化，包括細化孔徑、提高均勻性、增加球形度、減少連通性，有利于強度增強。關于w/b的影響：w/b的增加導致HPFC基體的平均顯微硬度下降，這不利于泡沫混凝土抗壓強度的發展。同時適當增加w/b可以優化HPFC的孔結構。這種優化確保了盡管水泥基漿體的基體顯微硬度降低，但 HPFC 的抗壓強度降低并不顯著。

總的來說，水泥漿體強度和孔隙結構對于泡沫混凝土材料的抗壓強度發展至關重要。這凸顯了高強度漿體和最佳孔隙結構的協同設計對于開發高強度泡沫混凝土產品的重要性。

4.3.2 耐久性

泡沫混凝土固有的多孔隙結構往往導致耐久性差。

圖 9（a）HPFC的吸水過程。（b）二次吸水率。（c）樣品和對照組的RCM結果。（d）HPFC基體的致密微觀結構。

圖9顯示增加FA含量首先會降低吸水率，在20%FA含量下達到最低值。這是因為合理的流變控制優化了孔隙結構、減少了孔隙連通性，從而降低了毛細管吸水率。但是過量的FA含量（40%）會減少生成的C-S-H凝膠含量，降低了水泥基漿體的微觀結構致密性。并且HPC的氯離子擴散系數（RDC）僅高出1.5倍。說明所設計的HPFC具有出色的抗氯離子滲透性，甚至可以與HPC相媲美。

圖 10（a）HPFC的EIS測試結果：FA（a1）和w/b（a2）對特性曲線的影響；（a3）電阻。（b）導電路徑和導電模型的示意圖。

圖10（a）顯示所設計的HPFC表現出更高的體電阻（Er），范圍在1–6kΩ·m之間，明顯超過普通混凝土。高電阻有助于提高混凝土的耐久性，表明其抵抗侵蝕物質侵入的能力。高Er還源于設計的致密基體和低孔隙連通性，這有效地阻止或減少了混凝土中的主要導電路徑（圖16b）。具體來說，主要傳導路徑涉及孔隙溶液的運動，其中連續傳導路徑（CCP）和不連續傳導路徑（DCP）會顯著影響電阻。在設計的HPFC中，具有低w/b，內部環境明顯干燥，溶液孔隙極小，導致CCP和DCP引起的電阻增加。同時，與普通混凝土相比，HPFC的致密漿體基質導致絕緣體導電路徑（ICP）的電阻更高。并且未連接的孔隙進一步阻礙了所有三個導電路徑，導致HPFC的電阻增加。

（1）提出了開發新型HPFC的優化設計方法，概括如下：首先，基于顆粒堆積理論，精確設計致密高強的水泥基漿體；然后，制造適當含量的泡沫加入到設計的漿料中；最后，通過流變控制優化孔隙結構。

（2）合理添加粉煤灰（FA）并優化水膠比可有效調節HPFC的流變特性。結果表明，調節基質流變性可以有效優化相同密度水平下HPFC的孔隙結構，如細化孔徑、提高孔均勻性、增加孔球形度、降低孔連通性等。

（3）過高和過低的基質粘度都會降低孔隙結構，表明存在最佳的流變范圍（粘度1.30±0.15Pa·s），以獲得優異的HPFC孔隙結構。因此，本研究表明，20-30%的FA替代率和0.16-0.18的w/b有利于制造高質量的HPFC產品。

（4）HPFC基質內的粘度不足可能導致泡沫上升，主要是由于浮力和排水加劇，從而惡化孔隙結構。相反，過高的基質粘度會增加混合過程中施加在泡沫上的拖曳力（FR）。當FR超過維持氣泡完整性的張力時，氣泡的結構完整性將受到損害，從而也會惡化孔隙結構。

（5）優化后的HPFC表現出優異的性能，包括高強度（高達17.8 MPa，是等密度普通泡沫混凝土的三倍以上）、良好的和易性、出色的耐久性（低吸水率、高氯離子抗性和高電阻），導熱系數低。因此，這種混凝土可以被視為現代建筑行業的高性能建筑材料。

目前論文已經在線發表在Elsevier出版集團Cement and Concrete Research雜志，歡迎大家通過以下鏈接下載瀏覽。

[1] Dingqiang Fan,Chunpeng Zhang,Jian Xin Lu,Ligang Peng,Rui Yu & Chi Sun Poon.(2025).Rheology dependent pore structure optimization of high-performance foam concrete. Cement and Concrete Research 107737-107737.

https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2024.107737