CN102531671A

CN102531671A - 通过吸附性材料实现的发泡水泥及其实现方法

Info

Publication number: CN102531671A
Application number: CN2010106190389A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: SHANGHAI JIEYUAN ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI JIEYUAN ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明提供一种通过吸附性材料实现的发泡水泥及其实现方法，属于水泥技术领域。该水泥包括：吸附材料，它是具有大内表面积的具有气体吸附能力的材料结构；吸附气体，它是用以让前述的吸附材料做吸附处理的气态物质；水泥基料，它是用以混合前述的吸附材料的水泥材料。通过本发明，设置具有气体吸附功能的吸附材料，利用该吸附材料吸附上气体之后，将其掺和到水泥中。在水泥凝固期间，对其进行吸附气体释放处理，使被吸附的气体从吸附材料中溢出，在水泥中形成包括气泡在内的空腔结构。该空腔结构使得水泥均匀发泡，从而能够减少水泥的用量和密度，提高水泥的隔热性能。该吸附材料来源丰富，成本低廉，便于大规模应用。

Description

通过吸附性材料实现的发泡水泥及其实现方法

技术领域

本发明属于水泥技术领域。

技术背景

为了降低建筑用材料的密度，近年来相继提出了多种解决方案，主要集中在：(1)基于气孔的模板法。例如，中国专利(授权公告号CN1306129C)提出了一种多孔混凝土砌块，通过发泡剂在砌块的生产过程中形成气孔。(2)基于填充物的预置法，例如，中国专利(授权公告号CN100413663C)提出了一种内埋填充件的混凝土构件生产方法及构件，在生产过程中，在混凝土构件体中置入内部为空腔的软质填充件外体，在该填充件外体的内部空腔中装有使填充件外体充起的填充物，待混凝土构件浇注成型后，再将填充物排出，使混凝土成型构件内变成空心。同时，在欧洲专利(EP1770073A1)的“Cementcomposition for a carbon dioxide supercritical enviroment”中，提出可以在水泥组合物中加入由中空球形或类球形颗粒(如，煤胞、钠-钙-硼硅酸盐玻璃、二氧化硅-氧化铝微球)组合成的中空元件，或者通过气体(如，空气、氮气或其组合)使水泥组合物气泡而在固化水泥中制成球形或类球形空隙。

综合来说，本发明的技术背景所涉及的文献，包括：

“用于二氧化碳超临界环境的水泥组合物”，申请号200680036046.2；

“有机碳素纤维添加剂”，申请号00131245.6；

“一种内埋填充件的混凝土构件生产方法及构件”，申请号200510031524.8；

“Cement composition for a carbon dioxide supercriticalenviroment”，EP1770073A1；

“Carbon nanotube-fiber reinforced cement and concrete”，US2008134942A1；

“Highly-dispersed carbon nanotube-reinforcedcement-based materials”，US20090229494。

发明内容

本发明的目的，是提供一种通过吸附性材料实现的发泡水泥及其实现方法，以实现一种能够膨化的水泥结构。

一种通过吸附性材料实现的发泡水泥，该水泥包括：

吸附材料，它是具有大内表面积的具有气体吸附能力的材料结构；

吸附气体，它是用以让前述的吸附材料做吸附处理的气态物质；

水泥基料，它是用以混合前述的吸附材料的水泥材料。

进一步，所述的吸附材料，采用的材料活性炭。

进一步，所述的吸附气体，为二氧化碳。

进一步，所述的水泥基料，为水泥熟料。

进一步，在吸附材料外围，设置有包覆材料，以保护所吸附的气体。

进一步，所述的包覆材料，为有机薄膜层，或氢氧化钙层。

本发明还提供一种通过吸附性材料实现的发泡水泥的实现方法，该方法包括有如下步骤：

步骤1，制作吸附材料；

步骤2，用吸附材料吸附二氧化碳；

步骤3，将吸附有二氧化碳的吸附材料与凝固前的水泥基料相混合；

步骤4，采用措施使二氧化碳从吸附材料中溢出，在水泥中形成气腔；

步骤5，水泥凝固，形成具有发泡结构的固态水泥。

进一步，吸附材料中所吸附气体的释放处理包括如下方式其中至少其一，

①利用直接加热的方式使气体脱附；

②吸附材料自身化学反应释放气体；

③将其材料做成具有导电功能的结构，将吸附材料做成小型的电热终端，给掺和好的材料直接加电，或者加上交变电场。

进一步，针对于吸附材料，为了提高气体的储存性能及提升使用效果，对吸附有二氧化碳的吸附材料颗粒进行包膜处理，为如下包膜方式其中之一，

①采用较薄的有机薄膜，进行包膜处理；

②采用碱性材料进行涂覆，来进行包膜处理；

进一步，在采用用碱性材料进行包膜处理时，利用氢氧化钙溶液来包覆颗粒材料，该氢氧化钙用以和二氧化碳相反应生成致密的碳酸钙薄层。

进一步，针对于吸附材料，采用能够在水溶液中可溶解的水溶性材料进行包膜。

本发明的优点在于：

通过本发明，设置具有气体吸附功能的吸附材料，利用该吸附材料吸附上气体之后，将其掺和到水泥中。在水泥凝固期间，对其进行吸附气体释放处理，使被吸附的气体从吸附材料中溢出，在水泥中形成包括气泡在内的空腔结构。该空腔结构使得水泥均匀发泡，从而能够减少水泥的用量和密度，提高水泥的隔热性能。该吸附材料来源丰富，成本低廉，便于大规模应用。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程图。

具体实施例

现在，水泥混凝土的主要原料是水泥和砂石，由于砂石的比重比较大，并且由砂石制的水泥混凝土内比较紧实，从而使由砂石为原料的水泥混凝土的比重比较大，并且由这种水泥混凝土制成的砌块在隔音、隔热、防火等性能上都存在一定的局限性。现有技术一方面是基于发泡剂或注入气体来产生软模板来形成多孔结构，另一方面是通过预置具有腔体结构的填充物来产生空隙，前者不利于环保，后者成本相对较高。

本发明要解决的问题是：在水泥基料中掺和具有气体吸附功能的吸附材料，在水泥凝固期间释放气泡，形成空腔结构，从而使水泥均匀发泡。

作为举例，前所述的气体为空气、二氧化碳、氮气或其组合；吸附材料优选为活性炭材料，或沸石等气体吸附材料，具体不限定。

吸附气体的释放处理主要包括：

①利用直接加热的方式使气体脱附；

②吸附材料自身化学反应释放气体；

③将吸附材料设置成电热终端使气体脱附。

作为举例而非限定，下面提供一种实施例：

优选二氧化碳作为能够产生包括气泡在内的空腔结构的气体；当然，除二氧化碳之外，还可选择空气、氮气或其组合，这类气体性质稳定，成本低廉，易于获得。

吸附材料优选适合于二氧化碳吸附的活性炭材料。这类活性炭材料以木炭、竹炭、各种果壳和优质煤等作为原料，成本低，易于获得。而且，活性炭的密度，本身就在0.45-0.55吨/m3之间，质轻，可以减少水泥的密度。

吸附气体的释放处理主要包括：

①利用直接加热的方式使气体脱附，比如，直接外围加热的方式，以及从内侧设置传热或自发热材料的机制，以及通过其中包括吸附材料在内的材料，进行化学热的方式，以及通过微波进行加热的方式；

②吸附材料自身化学反应，激发出气体的方式；比如，吸附的材料为碳酸氢钙，可通过分解反应产生二氧化碳。

通过本发明，可以通过改变吸附材料的相关参数、控制吸附气体的释放模式来调节包括气泡在内的腔体结构的分散性，从而制得所需的多孔混凝土结构。例如，针对采用活性炭材料的吸附颗粒，可以通过调整加工工艺，来调节活性炭的内表面积，以及微孔的孔径尺寸。通过微孔的尺寸，可以对二氧化碳材料进行选择性吸附，而通过活性炭的庞大的内表面积，则可以对二氧化碳进行较大量的气体吸附。针对吸附气体的释放模式，可以通过调整加热的温度、时间、加热的方式等调控吸附气体的释放模式。

我们对可能获得活性炭进行评测，其中，目前已经能够实现的二氧化碳的吸附量，约为2.5毫摩尔/克，折合下来，约50毫升/克，若其密度按0.5吨/m3计算，相当于：

V(活性炭)∶V(常压下二氧化碳)＝1∶100。

使用时，将其颗粒在水泥基料中均匀混合，然后加热处理，就可以实现吸附气体释放的目的。本发明适合做各种各样的水泥预制材料，包括水泥砖、水泥板、水泥条、水泥块，等等。

以活性炭颗粒作为气体吸附材料，以二氧化碳作为样板气体，下面对其具体实施流程进行描述：

步骤1，制作吸附材料。

在该步骤中，需要根据所希望产生气体量的多少，来确定吸附材料的尺寸，以及吸附材料的吸附性能及表面孔径。在所需要吸附的材料仅仅是为了产生气泡结构时，可以将吸附材料的尺寸做的较小，这样就可以产生较为细微的气体发泡结构，从而提高将来做出的发泡水平的品质。下面描述几种可能的吸附材料的制作方式：

①利用木质纤维、煤炭或其它的已经成型的含碳材料，制作不规则形状的含碳颗粒。

②利用沥青材料等液态有机材料，利用其表面张力，制作球形的小颗粒。

制作方式举例：首先将沥青材料在液体中进行分散，然后将其固化，然后利用高温隔氧加热的方式进行碳化，并经过处理使其转变成具有目标孔径及内表面积的活性炭材料。

步骤2，用吸附材料颗粒吸附二氧化碳。

直接将步骤1制作的吸附材料颗粒，放入到包含二氧化碳较多的气体之中，就可以直接进行二氧化碳气体的吸附操作了。同时，可以通过二氧化碳的减少量，来判断吸附材料所吸附的二氧化碳的多少。

在该步骤中，为了提高气体的储存性能及提升使用效果，还可以对吸附有二氧化碳的吸附材料颗粒进行包膜处理，下面描述几种可能的包膜方式：

①采用较薄的有机薄膜。该薄膜可以阻隔二氧化碳的穿透性，厚度较薄，这样就可以在气体溢出时，冲破该薄膜。

②采用碱性材料进行涂覆。比如可以利用氢氧化钙溶液来包覆颗粒材料，而该氢氧化钙可以和二氧化碳相反应生成较为致密的碳酸钙薄层，从而使其具有长久保存二氧化碳的功能。

③采用能够在水溶液中进行溶解的水溶性材料进行包膜。在使用时结合水泥混合物中的水，包覆吸附颗粒的材料能在水中溶解，从而释放二氧化碳。

步骤3，将吸附有二氧化碳的吸附材料与凝固前的水泥基料相混合。

进行混合的方式，是不限定的。最简单的方式就是两者之间混合，并充分搅拌。

另外，该材料还可以直接在水泥产品出厂前，直接将其混合均匀做成各种预定标准的特种水泥产品。

该凝固前的水泥基料，可选为水泥熟料。但也不限定。

步骤4，采用措施使二氧化碳从吸附材料中溢出，在水泥中形成气腔。

这里所采用的措施如前面吸附气体的释放处理所述。作为一种实施例，可以直接用加热的方式使其吸附材料内部的二氧化碳溢出。这种情况下，需要在相应的施工场合，设置相应的加热设备。

另外，可以直接通过外在的、温度较高的环境，如烘房，来对需要产生气泡的水泥材料进行加热。具体可根据预制材料的类型来调整加热结构的硬件结构。

步骤5，水泥凝固，形成具有发泡结构的固态水泥。

下面对前述方案，做一些补充说明：

1.相关的吸附材料吸附气体的能力，能否满足要求。

前面的实施例，已经描述的活性炭吸附二氧化碳的能力，而且这种能力还有很大的潜力。吸附材料吸附气体，目前已经是较为成熟的技术，还可以根据所需制作的水泥的类型及强度要求，做相应的选择。

2.适合制作的活性炭颗粒的粒度状况。

活性炭颗粒的粒度，和多种因素有关系，首先，在水泥方面，包括水泥成分的粒度、水泥的粘度、水泥在混合状态下的张力等；其次，在用户需求方面，包括所需的水泥成品的密度、水泥成品的强度、水泥成品的耐候性、水泥成品的形状及使用环境等。

具体适合根据实际情况，对其粒度做相应的调整。

3.吸附性含碳材料的类型及其配套的制备方式，主要有哪些？

前面内容中，已做了描述，从形状上分，利用已成型的含碳材料制作不规则形状的活性炭颗粒；利用沥青等液态有机材料制作的球形活性炭颗粒。

另外，对于液态的含碳有机物，还可以利用拉丝的方式，将其拉成条形结构。利用该条形结构的吸附材料，可以制作条形的空腔形式。

更进一步，还可以在拉丝过程中，将不同方向上的拉丝相互交错，制作成网格状的含碳吸附材料，从而最终形成网格状的空腔结构。

4.是否应对吸附材料进行表面处理。

是否要进行表面处理，取决于如下因素：

A.用户希望存储的日期的长短。如果日期很久，也许要进行表面处理。

B.取决于吸附材料对吸附气体的稳定程度。稳定度高，需要就小。

C.取决于吸附气体的饱和度。饱和度高，气体就容易释放一些。

D.取决于存储环境的温度、湿度、光照度及压强。

E.取决于吸附材料的结构形式。

若需要做表面处理，请参考前面所描述的表面处理方式。

5.吸附材料如何在水泥中分散均匀。

最简单的分散方式，是充分搅拌。

其它的混合方式还包括：

利用搅碎机，将其混合；

利用多个、小尺度的混合设备，做成一个具有多个混合点的矩阵结构，对各部分材料进行预混后再进行混合。

利用磁力搅拌设备进行混合。

或利用通入气体(如空气)，进行气泡混合的方式，等等。

6.加热到多高的温度，二氧化碳的释放量合适。

解答：加热的稳定，取决于水泥的量及厚度，以及需要所添加的吸附材料的多少。

7.所产生的气泡，会不会影响水泥制品的强度；如果有，是哪些方面；如果是劣势，如何规避；产品的是否会影响水泥制品的耐候性。

解答：孔状结构，可以对整体起到支撑作用，故合适的孔状结构，对强度的提升还会有帮助。这需要根据应用的位置，对孔状结构的布局作出调整。

该结构不改变水泥本体的性质，故不影响耐候性。

8.采用该材料节约水泥的量有多少？

解答：这取决于发泡结构所占的水泥的总量。比如，若占总量的60％，则就可以节约约60％的水泥。

9.活性炭是导电材料，是否会对其中的钢筋等，形成原电池结构，影响钢筋的寿命。

解答：发泡作为内部填充物，或不与金属相接触的情况下，不会产生任何影响。若相接处，可能会造成影响，可以通过对钢筋表层做预处理的方式来解决。

预处理的方式，比如：表面设置防锈层；设置塑料涂层；或设置一个致密的水泥涂层等。

以上是对本发明的描述而非限定，基于本发明思想的其它实施例，亦均在本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种通过吸附性材料实现的发泡水泥，其特征在于该水泥包括：

水泥基料，它是用以混合前述的吸附材料的水泥材料。

2.根据权利要求1所述的一种通过吸附性材料实现的发泡水泥，其特征在于：所述的吸附材料，采用的材料活性炭。

3.根据权利要求1所述的一种通过吸附性材料实现的发泡水泥，其特征在于：所述的吸附气体，为二氧化碳。

4.根据权利要求1所述的一种通过吸附性材料实现的发泡水泥，其特征在于：所述的水泥基料，为水泥熟料。

5.根据权利要求1所述的一种通过吸附性材料实现的发泡水泥，其特征在于：在吸附材料外围，设置有包覆材料，以保护所吸附的气体。

6.根据权利要求1所述的一种通过吸附性材料实现的发泡水泥，其特征在于：所述的包覆材料，为有机薄膜层，或氢氧化钙层。

7.一种通过吸附性材料实现的发泡水泥的实现方法，其特征在于该方法包括有如下步骤：

步骤1，制作吸附材料；

步骤2，用吸附材料吸附二氧化碳；

步骤5，水泥凝固，形成具有发泡结构的固态水泥。

8.根据权利要求7所述的一种通过吸附性材料实现的发泡水泥的实现方法，其特征在于：吸附材料中所吸附气体的释放处理包括如下方式其中至少其一，

①利用直接加热的方式使气体脱附；

②吸附材料自身化学反应释放气体；

9.根据权利要求7所述的一种通过吸附性材料实现的发泡水泥的实现方法，其特征在于：针对于吸附材料，为了提高气体的储存性能及提升使用效果，对吸附有二氧化碳的吸附材料颗粒进行包膜处理，为如下包膜方式其中之一，

①采用较薄的有机薄膜，进行包膜处理；

②采用碱性材料进行涂覆，来进行包膜处理；

10.根据权利要求9所述的一种通过吸附性材料实现的发泡水泥的实现方法，其特征在于：在采用用碱性材料进行包膜处理时，利用氢氧化钙溶液来包覆颗粒材料，该氢氧化钙用以和二氧化碳相反应生成致密的碳酸钙薄层。

11.根据权利要求7所述的一种通过吸附性材料实现的发泡水泥的实现方法，其特征在于：针对于吸附材料，采用能够在水溶液中可溶解的水溶性材料进行包膜。