泡沫混凝土难以同时保持轻质和高强度，其中孔隙优化是解决这一问题的关键。本研究从流变控制入手，优化孔隙结构，设计出高性能泡沫混凝土（HPFC）。并采用X射线计算机断层扫描技术探讨流变性与孔隙特征之间的关系，揭示了相应控制机制。研究表明：流变参数，特别是粘度，显著影响孔径、均匀性、球形度、分形维数和连通性。因此，存在实现理想孔隙结构的最佳粘度范围，为1.30±0.15Pa·s。力学性能表明，粘度通过影响曳力影响动态和静态条件下添加的泡沫的平衡，导致孔隙结构发生变化。经孔隙优化后，HPFC表现出高抗压强度（同密度下比普通泡沫混凝土高2-3倍）和与高性能混凝土相当的优异耐久性。

2.1 原材料

普通硅酸盐水泥（OPC）、硅灰（SF）和粉煤灰（FA）作为胶凝材料。采用固含量为0.22的聚羧酸醚高效减水剂（SP）。使用硬脂酸钙（Ca浓度：6.8％）作为泡沫稳定剂。使用高效发泡剂（BASFGYP3711）来生产泡沫。

2.2 HPFC样品的制作过程

图1 HPFC的制作流程

HPFC产品的制作流程如图1所示：i）将胶凝材料预混合1分钟；ii）加入水和SP，搅拌直至形成灌浆料（约4-5分钟）；iii）使用物理发泡机添加发泡剂产生空气泡沫；iv）将泡沫加入到新鲜的灌浆料中，混合2分钟；v）将新拌的HPFC浇注到不同的模具中，然后将其放入20℃的环境室中24h；vi）最初24小时后，将样品脱模并将其转移到标准固化室（20±2℃和RH>95%）中达到所需的固化年龄（28d）。

2.3 实验方法

分别对所致制备的HPFC进行密度、新拌性能、孔隙结构（孔隙均匀性、分形维数、球形度、孔隙连通性）、机械性能、导热性能、耐久性（吸水性、快速氯化物迁移、电化学阻抗谱）进行测试。

为了实现在相同密度/孔隙率水平下，抗压强度和耐久性至少是普通泡沫混凝土的1.5-2倍，需要考虑三个关键因素：i）设计高强度且致密的水泥基浆体基质；ii）使用合适且含量的稳定细腻的泡沫；iii）优化混凝土基体内的孔隙结构。

3.1 高强度、致密浆体基体设计

采用改进的Andreasen和Andersen颗粒堆积模型来设计用于制造HPFC的致密水泥基浆体。

使用硅灰的原因是为了填充水泥颗粒之间的孔隙，形成致密的基体，其火山灰活性可以进一步增强浆体基体的强度。

3.2 确定合适的泡沫含量

根据目标密度（ρt）确定泡沫含量：

之后，计算出泡沫体积：

式中，VSL为固体和液体材料的体积比，m_W和m_SP为1m³泡沫混凝土中水和SP的质量，ρ_C、ρ_SF、ρ_W和ρ_SP分别为水泥、SF、水和SP的密度，分别为，V_F为泡沫的体积比，k为根据实验和配料特性调整系数。

3.3 孔隙结构优化

本研究旨在通过流变控制来优化HPFC的孔隙结构。对于水泥基材料，其流变特性主要取决于所使用的胶凝材料体系和水胶比。对于胶凝材料体系，先前的文献强调使用辅助胶凝材料（SCM）对混凝土流变学具有显著影响。在这些材料中，粉煤灰（FA）因其球形形态而成为常见的选择，可充当调节流变特性的润滑剂。同时，事实证明，用FA替代水泥是降低HPFC相关成本和环境影响的可行策略。因此，通过使用不同质量比（0-40%）的FA实现了胶凝材料体系的流变控制。另一方面，水胶比是影响混凝土流变性能的直接因素。因此，选择该因素作为浆料流变控制的另一个关键参数。鉴于低水胶比是高强度浆料的基础，根据之前的参考文献和初步实验，水胶比范围确定在0.16至0.24之间。

4.1 FA和w/b对流变特性的调节

图2（a）FA含量（a1）和w/b（a2）对HPFC坍落度的影响，（b）FA含量（b1）和w/b（b2）对HPFC动态屈服应力和塑性粘度的影响

图2a表明，增加FA和w/b显著提高了HPFC的和易性。图2b表明，随着FA含量的增加，HPFC的动态屈服应力和塑性粘度均明显降低，其中含水量的影响更为明显。总的来说，这些结果表明添加FA或优化水胶比是调节和控制HPFC流变性能的有效方法。

4.2 对孔隙结构的调节

4.2.1 孔隙率和孔径

图 3 HPFC在不同孔径范围内的孔几何形状和分布

图3中FA0组的毛孔不仅明显大于其他组，而且表现出更不规则的形状。这强调了流变特性对孔隙结构控制的显著影响。

为了进一步明确孔隙特征，对孔隙率和孔径分布进行了定量分析。

图 4 孔径分布的相对频率

图5（a）FA含量对孔隙分布的影响（b）w/b对孔隙分布的影响

图4与图5显示HPFC的孔隙分布存在两个区域，区域I是由水泥基浆体基质内的孔隙以及一些由细泡沫引入的孔隙。区域II仅仅由泡沫（即泡沫气泡）引入的孔隙所引起。并且随着FA含量或w/b的增加，第二个峰变得更加明显。随着FA含量的增加，第二个峰相应的孔径减小，表明泡沫孔变细。随着w/b从0.16增加到0.24，第二个峰的孔径呈现先减小后增大的趋势。这表明过高的水胶比也会导致泡沫孔径变粗。可以得出结论，FA含量和w/b对泡沫混凝土的孔径有显著影响，这意味着流变控制的重要性。

4.2.2 孔隙连通性

流体和离子只能穿过多孔材料内相互连接的孔隙；孤立的孔隙不能形成流体流动通道。因此，孔隙网络连通性是控制混凝土中流体传输的关键因素。本研究分析了相同密度水平下HPFC的孔隙连通性。

图 6（a）孔隙连通性的PNM模型。（b）“孔体-喉道-孔体”模型示意图。（c）连通孔隙的喉道半径（c1）和通道长度（c2）分布。（d）FA（左）和w/b（右）对孔隙连通率的影响。

如图6所示，孔隙网络模型（PNM）由一系列“孔体-喉道-孔体”构型组成，类似于连通道管。喉道半径代表通道半径，通道长度用喉道对应的孔体之间的距离表示。从图12a中可以看出，与其他组相比，FA0的孔隙结构明显更粗糙，这可能会增加基质渗透性。具体而言，图12c表明，添加FA或增加水胶比通常会改善HPFC基质内连接孔的喉道半径和长度；然而，过高的水胶比（例如WB24）会导致平均喉道长度增加。根据建模结果，计算了基质的连通孔隙率，如图12d所示。该分析表明，增加FA含量或水胶比会导致孔隙连通率最初下降，随后又上升。

4.2.3 流变性对孔隙结构的影响

为了确定HPFC的孔隙设计参数，需要了解流变学特性与孔隙结构之间更具体的关系。

图 7 孔隙特性与塑料粘度的关系：（a）孔径；（b）孔隙均匀性；（c）孔隙球形度；（d）3D分形维数；（e）连通孔隙度。（f）和易性

如图13a-e所示，除球形度外，其他孔隙结构参数均随塑性粘度的增加呈凹函数关系，表现为先下降后上升；但球形度表现出相反的关系。这种现象的原因是：较高的球形度通常对应于较高的孔隙均匀性和较低的分形维数。这是因为分形维数越高，表面越复杂，比表面积越大，而球形度与比表面积成反比。这表明，泡沫混凝土体系存在一个最佳粘度范围。

粘度对孔径的影响可分为两个区域：区域Ⅰ表示随着粘度的增加，可以优化孔隙参数，包括细化孔径、增强孔隙均匀性和增加平均球形度。然而，区域Ⅱ表明粘度过高会导致孔隙结构较差。

区域Ⅰ：合理提高粘度改善孔隙结构。作用在泡沫气泡上的垂直力决定了它们的向上运动。气泡的这种向上运动通常会降低泡沫稳定性并导致其聚结和破裂，从而降低泡沫混凝土的孔隙结构。当浆体基体的屈服应力和粘度相对较低时，气泡容易向上移动。在向上运动过程中，气泡往往会增大，加剧聚结并导致孔径增大。此外，过低的粘度和基质屈服应力会加剧混凝土基质内的泡沫排出，进一步导致气泡聚结并损害孔隙结构。因此，对于泡沫混凝土，适当提高粘度和屈服应力有利于稳定泡沫和优化孔隙结构。

区域Ⅱ：粘度过度增加导致孔隙结构恶化。理论上，当浆料静止时，浆料的较高粘度和屈服应力可以稳定气泡。然而，这项研究的结果表明，过度增加粘度也会恶化孔隙结构。这主要归因于搅拌过程中施加在混凝土内泡沫上的应力。在水平方向上，泡沫混凝土的搅拌旋转运动产生阻力（FR），该阻力由流体相沿与气泡速度相反的方向施加。对于相同的气泡尺寸，FR与浆料的粘度成正比。当粘度增加到一定程度时，FR超过维持气泡形状所需的表面张力Fst。此时，气泡无法保持其形状，并且开始变形，气泡趋于变成直径较大的椭圆形。这也会加剧气泡之间的聚结，导致孔隙粗化。

4.3 HPFC性能

4.3.1 机械性能

图 8（a）不同FA含量（a1）和w/b比（a2）的HPFC的抗压强度。

（b）抗压强度（b1）和比强度（b2）与文献报道的比较。（c）具有不同FA含量（c1）和w/b比（c2）的HPFC的显微硬度。

图8中数据显示FA含量的增加最初导致抗压强度增加，然后又下降。而增加w/b往往会降低抗压强度。FA的作用机制主要归因于其对HPFC基体强度和孔隙结构的影响：i）最初，当FA含量相对较低（<20%）时，其对水泥基浆体强度产生的不利影响最少。由于其火山灰活性可以产生额外的凝胶，它甚至可以增强基质强度。ii）另一方面，合理使用FA可以通过流变控制来调节和优化HPFC的孔隙结构。随着FA含量的增加，孔隙结构得到优化，包括细化孔径、提高均匀性、增加球形度、减少连通性，有利于强度增强。关于w/b的影响：w/b的增加导致HPFC基体的平均显微硬度下降，这不利于泡沫混凝土抗压强度的发展。同时适当增加w/b可以优化HPFC的孔结构。这种优化确保了尽管水泥基浆体的基体显微硬度降低，但 HPFC 的抗压强度降低并不显着。

总的来说，水泥浆体强度和孔隙结构对于泡沫混凝土材料的抗压强度发展至关重要。这凸显了高强度浆体和最佳孔隙结构的协同设计对于开发高强度泡沫混凝土产品的重要性。

4.3.2 耐久性

泡沫混凝土固有的多孔隙结构往往导致耐久性差。

图 9（a）HPFC的吸水过程。（b）二次吸水率。（c）样品和对照组的RCM结果。（d）HPFC基体的致密微观结构。

图9显示增加FA含量首先会降低吸水率，在20%FA含量下达到最低值。这是因为合理的流变控制优化了孔隙结构、减少了孔隙连通性，从而降低了毛细管吸水率。但是过量的FA含量（40%）会减少生成的C-S-H凝胶含量，降低了水泥基浆体的微观结构致密性。并且HPC的氯离子扩散系数（RDC）仅高出1.5倍。说明所设计的HPFC具有出色的抗氯离子渗透性，甚至可以与HPC相媲美。

图 10（a）HPFC的EIS测试结果：FA（a1）和w/b（a2）对特性曲线的影响；（a3）电阻。（b）导电路径和导电模型的示意图。

图10（a）显示所设计的HPFC表现出更高的体电阻（Er），范围在1–6kΩ·m之间，明显超过普通混凝土。高电阻有助于提高混凝土的耐久性，表明其抵抗侵蚀物质侵入的能力。高Er还源于设计的致密基体和低孔隙连通性，这有效地阻止或减少了混凝土中的主要导电路径（图16b）。具体来说，主要传导路径涉及孔隙溶液的运动，其中连续传导路径（CCP）和不连续传导路径（DCP）会显著影响电阻。在设计的HPFC中，具有低w/b，内部环境明显干燥，溶液孔隙极小，导致CCP和DCP引起的电阻增加。同时，与普通混凝土相比，HPFC的致密浆体基质导致绝缘体导电路径（ICP）的电阻更高。并且未连接的孔隙进一步阻碍了所有三个导电路径，导致HPFC的电阻增加。

（1）提出了开发新型HPFC的优化设计方法，概括如下：首先，基于颗粒堆积理论，精确设计致密高强的水泥基浆体；然后，制造适当含量的泡沫加入到设计的浆料中；最后，通过流变控制优化孔隙结构。

（2）合理添加粉煤灰（FA）并优化水胶比可有效调节HPFC的流变特性。结果表明，调节基质流变性可以有效优化相同密度水平下HPFC的孔隙结构，如细化孔径、提高孔均匀性、增加孔球形度、降低孔连通性等。

（3）过高和过低的基质粘度都会降低孔隙结构，表明存在最佳的流变范围（粘度1.30±0.15Pa·s），以获得优异的HPFC孔隙结构。因此，本研究表明，20-30%的FA替代率和0.16-0.18的w/b有利于制造高质量的HPFC产品。

（4）HPFC基质内的粘度不足可能导致泡沫上升，主要是由于浮力和排水加剧，从而恶化孔隙结构。相反，过高的基质粘度会增加混合过程中施加在泡沫上的拖曳力（FR）。当FR超过维持气泡完整性的张力时，气泡的结构完整性将受到损害，从而也会恶化孔隙结构。

（5）优化后的HPFC表现出优异的性能，包括高强度（高达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、高氯离子抗性和高电阻），导热系数低。因此，这种混凝土可以被视为现代建筑行业的高性能建筑材料。

目前论文已经在线发表在Elsevier出版集团Cement and Concrete Research杂志，欢迎大家通过以下链接下载浏览。

[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