CN101318796A - 纳米添加剂改性高强墙体自保温材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米添加剂改性高强墙体自保温砖及其制备方法，方法包括按述质量份将1～20份粘结剂、0.1～5份掺合料、0.5～5份纳米添加剂混合均匀，加入为混合物0.001～0.1倍质量的外加剂，再次混合均匀后，加水，成型。本发明方法所制备的墙体自保温砖抗压强度可达5～14MPa，导热系数0.1～0.2w/m·k，是一种性能优异的高效节能新型建筑材料。

Description

纳米添加剂改性高强墙体自保温材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑领域高效节能材料，尤其涉及一种高强墙体自保温材料及其制备方法。
背景技术
建筑能耗在国民经济总能耗中占了很大比例，为实现第三步节能65％的建筑节能战略目标，我国于2007年10月1日正式实施了《建筑节能工程施工质量验收规范》。建筑节能是一项综合性的系统工程，其重点是围护结构的节能，而外墙在围护结构中所占比重最大，其散失的热量又占围护结构散热的30％左右，因此如何提高外墙的保温隔热性能显得非常重要。就现在普遍采用的保温隔热措施来说，外墙保温可分为外墙内保温、外墙外保温和外墙自保温。
外墙内保温系统即保温材料置于外墙内侧，一般采用聚合物保温砂浆，石膏保温砂浆等，技术相对比较成熟，因其施工简便、易于操作、受气候影响小而受到普遍欢迎，尤其是外墙面自由度大时，其方便性更加明显，是目前较为常用的建筑保温隔热措施。然而，外墙内保温的保温层构造位置使得建筑物外墙与内墙分别处于两个不同的温度环境，容易导致建筑饰面层裂缝，且占用室内使用空间，墙体冷热桥的问题也不易解决。
外墙外保温系统即保温材料处于外墙外侧，由于其具有优良的保温节能效果，可消除结构性冷热桥，保护主体结构，且不占室内使用空间，具有较高的综合经济效益高，被国家建设部广泛推广。然而，外墙外保温的实际操作却并非易事，尤其在施工的可操作性及产品的耐候性和安全性等方面尚存在一些问题。
外墙自保温系统是依靠墙体材料自身的热阻满足传热系数和热惰性指标要求的节能技术。由于墙体自身较高的热阻和热惰性，因此不需要再在其外侧或内侧复合保温层。相比其他保温隔热措施，其具有施工便捷、经济可靠、使用效果好等优点，将围护和保温合二为一，无需另外附加保温隔热材料，在满足建筑要求的同时又可满足保温节能要求。随着65％节能设计标准的强制实施和近年各地有关外墙外保温事故的逐渐增多，自保温砌块墙体有了新的发展机遇。
目前，我国应用较多的自保温墙体材料有以下两种：加气混凝土砌块、复合保温砌块。
加气混凝土砌块是由加气混凝土做成的“砌块”。加气混凝土是一种轻质多孔的建筑材料，以水泥、石灰、矿渣、粉煤灰、砂、发气材料等为原料，经磨细、配料、浇注、切割、蒸压养护和铣磨等工序而制成，具有轻质、保温性能好和可加工等优点，是我国推广应用最早，使用最广泛的轻质墙体材料之一。目前我国加气混凝土产品质量不高，抗压强度低，干燥收缩大，尺寸偏差大。其中，较短时间的蒸压养护所形成的水化产物多为双碱型水化硅酸钙，其单矿物虽有较高的抗压强度，但当周围介质相对湿度降低时引起的干燥脱水将使其产生较大的收缩，且在CO2作用下将分解生成高度分散的方解石，强度又会有较大降低。
复合保温砌块是用保温绝热材料注塑成型在空心砖、空心砌块的孔洞内复合而成的砌块。为了使复合保温砌块保温隔热性能提高，一般选用热阻相对大的聚苯板。随着时间的推移，聚苯板与砌块内部的接触面很容易产生缝隙，而使砌块面层强度下降，极易脱落。缝隙中的空气在冷热面温差的作用下产生对流，进行对流传热，也加快了热量的传递。有的砌块在内设置金属拉筋，但结合面仍能呈现缝隙，耐久性不能得到保证，又形成了热流通道，增加了热量的传递。而聚苯板是从石油中提炼出的有机物，主要原料是苯乙烯和丁烷，一方面浪费能源，另一方面在燃烧过程中会产生大量的苯和一氧化碳等有害物质，严重污染环境，损害人体健康。
公开号为CN1558055的专利中提出了一种复合保温砖的制备方法，包含四层结构：里层为聚苯乙烯泡沫块即保温层，外层依次为水泥和胶的混合层，加强网，水泥层。该保温砖工艺简单，能明显减少墙体质量，但其保温层外的加固层形成了热流通道，增加了热量的传递，导致保温绝热效果变差。公开号为CN101004092的专利中公开了由面砖、网布、保温板构成的复合保温板，保温板被网布包裹住后一面通过粘结剂粘在面板上，一面涂有抹面层。在保温的同时，其抹面层使得保温板的表面更适宜加工，但由于粘结剂的老化，保温板与面层间容易产生空鼓，粘结强度下降，面层容易脱落。
1992年美国学者A.J.Hunt等在国际材料工程大会上提出了超级绝热材料(supper insulator)的概念，即在预定的使用条件下，其热导率低于“无对流空气”热导率的绝热材料。纳米孔超级绝热材料被认为是最好的超级隔热材料。
目前，纳米保温材料研究成为热点，发表的文献专利也很多，如公开号为CN100232812C的专利中以多聚硅氧烷E-40为硅源，制备出二氧化硅气凝胶的颗粒，并将其与硅酸钙浆料、金红石型钛白粉、陶瓷纤维、玻璃纤维、多孔水泥，经强力搅拌混合，压制得到块体，气凝胶的体积含量可大于90％，25℃时热导率可达0.025-0.045w/m·k；公开号为CN101143981的专利文献中提出了一种含有气凝胶颗粒的粉末涂料的制备方法，由体积百分比为5-80％的气凝胶颗粒与20-95％的粉末树脂通过混合，熔融，粉碎制得。其减少了树脂对气凝胶纳米孔洞的破化，提高了隔热性能。但是现有的纳米保温材料发明均存在一个严重的问题——抗压强度低，一般不超过2MPa，无法作为建筑的墙体自保温材料。
以上论述表明，随着国家节能环保政策的推行，现有的墙体保温材料由于强度低、保温性能差、阻燃性能差等原因已经不能满足建筑节能发展的要求，而纳米保温材料尽管隔热性能优异，但由于自身脆性大，强度低的缺点还无法作为墙体自保温材料。
发明内容
本发明提供一种纳米添加剂改性的高强墙体自保温材料及其制备方法。
一种纳米添加剂改性的高强墙体自保温材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以质量份计，将粘结剂1～20份、掺合料0.1～5份和纳米添加剂0.5～5份混合均匀得到混合物。
以质量份计，混合物原料组成优选粘结剂5～10份、掺合料0.5～4份和纳米添加剂1～4份；得到的保温材料的保温性能及力学性能更佳。
所述的纳米添加剂基本粒径为5～100nm，孔径为0.5～70nm。
所述的纳米添加剂为纳米氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化钛、纳米氧化钙或纳米氧化铁中一种或几种；优选纳米二氧化硅和纳米氧化铝。
所述的粘结剂为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、碱矿渣水泥、石灰或石膏中的一种或几种。
所述的掺合料为粉煤灰、高炉矿渣、稻壳灰、凹凸棒石、硅藻土、蛇纹石、沸石、蛭石中的一种或几种。
所述的粉煤灰为电厂回收所得，可将粉煤灰进行适当磨细，以产生新的表面，改善其显微结构，提高活性。
所述的稻壳灰为稻壳燃烧后的废料，其二氧化硅含为30～95％，优选硅含量大于80％的稻壳灰。
(2)向步骤(1)得到的混合物中加入外加剂，混合均匀后加水，制成预定形状后经养护得到高强墙体自保温材料。
外加剂的质量为步骤(1)得到的混合物的质量的0.001～0.1倍，优选0.003～0.05倍。
所述的外加剂为GB 8075-87“混凝土外加剂的分类、命名与定义”中所涉及的混凝土领域的通用试剂。优选采用减水剂、防水剂、缓凝剂中的一种或几种。
减水剂是指在混凝土和易性及水泥用量不变条件下，能减少拌合用水量、提高混凝土强度；或在和易性及强度不变条件下，节约水泥用量的外加剂。根据组成材料分为：(1)水质素磺酸盐类；(2)多环芳香族盐类；(3)水溶性树脂磺酸盐类，都可以在本发明中使用。
防水剂能降低混凝土在静水压力下的透水性，其性能能指标满足JC474-1999“砂浆、混凝土防水剂”中相关规定，其主要作用是提高自保温材料疏水性和抗湿气能力，减少因水分渗透而导致自保温材料强度和隔热性能的下降，同时可提高自保温材力的防结露和抗冻性。
缓凝剂主要是延长混凝土凝结时间，以便于自保温材料浆料通过运输后现场浇筑或其它需要延长胶粘剂凝结时间的情况下使用。常用缓凝剂的主要成分为多羟基化合物、羟基羧酸盐及其衍生物、高糖木质素磺酸盐，因其兼有减水作用，也称缓凝减水剂。此外，一些无机盐如氯化锌、硼酸盐、各种磷酸盐也有缓凝作用，都可以在本发明中使用。
步骤(2)中水的用量为粘结剂质量的0.01～10倍，以加水后的混合物利于成型为宜，若不使用模具，一般要求可保持不塌陷变形，采用浇筑成型时一般要求具有一定的流动性，但不宜过稀，否则不易成型。
步骤(2)中所述的制成预定形状，可以是利用模具、压机等制成各种形状的砖，即得到高强墙体自保温砖。也可以在建筑物施工时在模具支持下现场浇筑制得浇筑自保温墙体或其他形状的浇筑构造件。
本发明高强墙体自保温材料在制成预定形状后经常温养护即可得到高强墙体自保温材料，无需高温煅烧。
本发明中生石灰除起到粘结剂作用外，同时还能加速水泥水化激发掺合料的活性。石灰遇水消化时会放出一定的热量，它可以使温度上升80℃～90℃，这给坯体中的水泥提供了快速水化条件，促使坯体硬化.缩短坯体静停时间。石灰水化后形成强碱性的Ca(OH)2，可有效提高所述掺合料的活性，并与掺合料一起同水泥水化生成C-S-H凝胶。
本发明中的纳米添加剂对墙体自保温材料的导热系数降低和强度增加有重要作用。对于保温材料而言，热传导主要由保温材料中的固体部分来完成。热对流则主要由保温材料中的气体来完成，热辐射的传递不需要任何介质。因此，要实现超级绝热材料所要求达到的保温隔热目的，一是在保证足够机械强度的同时，大幅降低材料的体积密度；二是要将空气的对流减弱到极限；三是要通过近于无穷多的界面和通过材料的改性使热辐射经反射、散射和吸收而降到最低。
纳米保温材料因其内部气孔均为纳米级，孔径接近甚至小于空气分子平均自由程70nm，材料内部对流基本消除，气态热传导率极低；其高孔隙率使得材料内部气孔壁数目趋于“无穷多”，而每个气孔壁都具有遮热板的作用，因此产生近于“无穷多遮热板”效应，从而使辐射传热下降到近乎最低极限；热流在固体中传递时只能沿着气孔壁传递，近于无穷多的气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应，使得固体热传导的能力下降。基于以上特性，纳米保温材料具有较低的热导率。因此，本发明墙体自保温材料中纳米添加剂组分可有效降低自保温材料导热系数。
另一方面，纳米添加剂还能显著提高胶凝材料的强度。纳米添加剂由于具有纳米尺度的基本粒子和孔径，比表面积高，反应活性巨大，可以加速胶凝材料反应，生成高强度组分，并减少有损强度的大孔生成。如当纳米二氧化硅掺入普通硅酸盐水泥时，纳米二氧化硅能迅速与液相中由水泥水化产生的Ca2+和OH-离子反应生成C-S-H凝胶，水泥水化加速，并且水化产物含有较多的C-S-H凝胶和较少的羟钙石生成。同时纳米二氧化硅还将填充水化物中较多的孔洞，减少有损强度的大孔数量。这些因素均会提高墙体保温材料的强度。
故而，本发明以纳米添加剂改性，成功制备出了兼具低导热系数和高强度的墙体自保温材料。经由本发明方法所制备的保温材料是一种免烧、免蒸养产品，经自然养护即可，不同的比重能承受不同的压力，其抗压强度可达5～14MPa，导热系数0.1～0.2w/m·k，是一种性能优异的建筑高效节能新型材料，完全能满足50％或65％的节能要求。
本发明自保温材料与现有保温材料相比具有以下优势：
(1)抗压强度高。本发明制备的墙体自保温材料强度可达14MPa，远高于现有加气混凝土7.5MPa的指标，可以直接用作外墙承重砖。这在保温材料中是绝无仅有的。这一产品的推广对提高我国建筑节能的水平有重要意义。
(2)导热系数低。在具备高强度的同时依然具有较低的导热系数，这是非常难能可贵的。
(3)生产能耗低。产品的制作方法不涉及高温养护、炉窑烧结及加氧蒸压，而是以原材料自身的化学反应为基础，加外加剂起到了活性和激发活性作用，从而助凝、增强成型，故生产能耗要远低于其他保温材料。
(4)施工简单。作为墙体自保温材料，可以制砖后砌筑成墙，也可以现场浇注成型，且无需再作内、外保温系统，使用简单方便。
(5)废物利用。产品原材料中采用粉煤灰、矿渣、稻壳灰等工农业废料，变废为宝，保护了生态环境。
具体实施方式
具体实施方式参照实施例，但不限于实施例。
实施例1
按下述质量份称取各原料：普通硅酸盐水泥100kg，生石灰1.1kg，石膏2.0kg，纳米二氧化硅140kg，粉煤灰25kg，混合均匀后，加入减水剂0.5kg，水35kg，搅拌均匀，运用传统制砖工艺成型，自然养护即得。
将本实施例所制备的保温砖进行检测，其体积密度为0.95g/cm3，导热系数为0.14w/m.k，抗压强度为14.03Mpa。
实施例2
按下述质量份称取各原料：铝酸盐水泥150kg，生石灰1.3kg，石膏2.8kg，纳米氧化铝180kg，高炉矿渣40kg，混合均匀后，加入减水剂0.7kg，水25kg，搅拌均匀，运用传统制砖工艺成型，自然养护即得。
将本实施例所制备的保温砖进行检测，其体积密度为0.98g/cm3，导热系数为0.16w/m.k，抗压强度为10.28Mpa。
实施例3
按下述质量份称取各原料：碱矿渣水泥200kg，生石灰2kg，石膏1.2kg，纳米二氧化硅180kg，稻壳灰50kg，混合均匀后，加入防水剂0.8kg，水35kg，搅拌均匀，在模具支撑下进行墙体现场浇筑，自然养护即得。
将本实施例所制备的保温墙体进行检测，其体积密度为1.07g/cm3，导热系数为0.19w/m.k，抗压强度为11.81Mpa。
实施例4
按下述质量份称取各原料：普通硫铝酸盐水泥100kg，石膏0.6kg，纳米二氧化铁8kg，沸石35kg，蛭石15kg，混合均匀后，加入防水剂0.5kg，，水24kg，搅拌均匀，运用传统制砖工艺成型，自然养护即得。
将本实施例所制备的保温砖进行检测，其体积密度为0.87g/cm3，导热系数为0.13w/m.k，抗压强度为9.76Mpa。
实施例5
按下述质量份称取各原料：铝硅酸盐水泥150kg，生石灰0.8kg，纳米二氧化硅11kg，高炉矿渣6kg，混合均匀后，加入减水剂0.6kg，水30kg，搅拌均匀，运用一定形状浇筑成型，自然养护即得自保温浇筑构造件。
将本实施例所制备的自保温浇筑构造件进行检测，其体积密度为0.78g/cm3，导热系数为0.13w/m.k，抗压强度为8.27Mpa。
实施例6
按下述质量份称取各原料：普通硅酸盐水泥100kg，石膏0.8kg，纳米二氧化钛7kg，硅藻土28kg，混合均匀后，加入减水剂0.6kg，水28kg，搅拌均匀，运用传统制砖工艺成型，自然养护即得。
将本实施例所制备的保温砖进行检测，其体积密度为0.83g/cm3，导热系数为0.15w/m.k，抗压强度为5.32Mpa。
实施例7
按下述质量份称取各原料：普通硅酸盐水泥100kg，纳米二氧化硅80kg，凹凸棒石10kg，混合均匀后，减水剂0.2kg，缓凝剂0.1kg，水25kg，搅拌均匀，在模具支撑下进行墙体现场浇筑，自然养护即得。
将本实施例所制备的保温墙体进行检测，其体积密度为0.91g/cm3，导热系数为0.17w/m.k，抗压强度为12.41Mpa。

Claims (9)

1、一种纳米添加剂改性的高强墙体自保温材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以质量份计，将粘结剂1～20份、掺合料0.1～5份和纳米添加剂0.5～5份混合均匀得到混合物；
所述的粘结剂为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、碱矿渣水泥、石灰或石膏中的一种或几种；
所述的掺合料为粉煤灰、高炉矿渣、稻壳灰、凹凸棒石、硅藻土、蛇纹石、沸石、蛭石中的一种或几种；
所述的纳米添加剂为纳米氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化钛、纳米氧化钙或纳米氧化铁中一种或几种；
(2)向步骤(1)得到的混合物中加入外加剂，混合均匀后加水，制成预定形状后经养护得到高强墙体自保温材料；
所述的外加剂为减水剂、防水剂、缓凝剂中的一种或几种；外加剂的质量为步骤(1)得到的混合物的质量的0.001～0.1倍。
2、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的纳米添加剂为纳米二氧化硅和纳米氧化铝。
3、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的纳米添加剂粒径为5～100nm，孔径为0.5～70nm。
4、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中水的用量为步骤(1)中粘结剂质量的0.01～10倍。
5、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中以质量份计，混合物原料组成为粘结剂5～10份、掺合料0.5～4份和纳米添加剂1～4份。
6、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中外加剂的质量为步骤(1)得到的混合物的质量的0.003～0.05倍。
7、一种如权利要求1所述的制备方法得到的高强墙体自保温砖。
8、一种如权利要求1所述的制备方法得到的浇筑自保温墙体。
9、一种如权利要求1所述的制备方法得到的浇筑构造件。
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