CN106082882B - 一种高强度保温混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度保温混凝土及其制备方法，以质量份数计，其原料包括：普通硅酸盐水泥300～400份、矿粉100～200份、粉煤灰100～200份、砂子400～600份、石子900～1100份、空心玻璃微珠40～70份、玻化微珠40～70份、SiO₂气凝胶10～20份、钾水玻璃5～9份、减水剂5～15份、水110～180份。其既具有普通混凝土的物理力学性能，同时又具有保温性能，符合绿色环保的建筑材料。

Description

一种高强度保温混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及土木工程的混凝土技术领域，更具体地说，它涉及一种高强度保温混凝土及其制备方法。

背景技术

目前，国内外的建筑结构93％以上为钢筋混凝土结构，并且这些建筑结构中所使用的混凝土为普通混凝土。普通混凝土具有较好的抗压性能，其保温性能很差，普通混凝土的导热系数较高，保温性能很差，导热系数达到1.8W/m·k左右，因此为使建筑满足人们和设备对室温的需求，外围结构都做内/外保温层等有效措施来减少室内外热交换，以达到保温的效果。

为改善普通混凝土的保温性能差的不足，建筑内/外围结构需要增设保温层。传统保温材料为有机保温材料，其制作时对环境污染严重，并且易燃、易老化、耐久性差，各地保温建筑工程屡屡发生火灾事故，有机保温材料在火灾时很快就会熔化，烟雾大、毒性大，很难扑救，危害严重。不解决墙体保温材料的防火安全问题，我国的建筑节能工程将具有重大火灾隐患，这使得无机保温材料取代有机保温材料成为历史发展及科技进步的必然。2009年9月20日公安部和住建部联合颁布公通字[2009]46号文《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》，对民用建筑墙体保温材料燃烧性能级别及防火构造提出了具体要求。根据规定，民用建筑的整体外墙必须采用A级不燃保温材料，市场迫切需要既节能、又具有阻燃等高性能的建筑围护结构材料、制品及其系统。

泡沫混凝土作为新型的无机防火保温材料，普遍存在密度大，强度低以及保温性不及有机材料等缺陷，但是综合相比，它仍然是有机易燃材料的最佳取代品。目前，泡沫混凝土在各个领域的应用并没有被广泛推广使用，主要是由于干密度和抗压强度问题。因为泡沫混凝土的干密度和抗压强度指标是相互对立的，是矛盾的统一体。而国内主要的研究是重点解决在降低泡沫混凝土干密度的前提条件下，如何提高其抗压强度，以及平衡泡沫混凝土的其他性能。

因此，从系统科学的方法与原理出发，研究开发一种既具有普通混凝土的物理力学性能，同时又具有保温性能，符合绿色环保的建筑材料十分必要。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高强度保温混凝土，其既具有普通混凝土的物理力学性能，同时又具有保温性能，符合绿色环保的建筑材料。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高强度保温混凝土，以质量份数计，其原料包括：普通硅酸盐水泥300～400份、矿粉100～200份、粉煤灰100～200份、砂子400～600份、石子900～1100份、空心玻璃微珠40～70份、玻化微珠40～70份、SiO₂气凝胶10～20份、钾水玻璃5～9份、减水剂5～15份、水110～180份。

本发明较优选地，所述空心玻璃微珠的粒度为350～450目、壁厚为直径的8％～10％、堆积密度为200Kg·m^-3。

本发明较优选地，所述玻化微珠的密度为80～100Kg·m^-3、吸水率25％～35％、筒压强度小于35％。

本发明较优选地，所述SiO₂气凝胶的孔隙率为80％～99％、比表面积为600～1000m²·g^-1、表观密度为0.003～0.35g·m^-3、孔径为10～40nm。

本发明较优选地，所述钾水玻璃为钾水玻璃K₂O·nSiO₂，其中摩数n为2.6～2.8。

本发明较优选地，所述普通硅酸盐水泥的强度等级为P.O42.5；所述矿粉为S95级矿粉；所述粉煤灰为II级粉煤灰；所述砂子为II区中砂；所述石子的平均粒径为10～15mm。

本发明的另一目的在于提供上述所述的高强度保温混凝土的制备方法。

一种如上述所述的高强度保温混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：将所述比例的普通硅酸盐水泥、矿粉、粉煤灰、砂子、石子、减水剂和水投入搅拌机中，搅拌均匀；

步骤(2)：将SiO₂气凝胶和钾水玻璃投入步骤(1)中的搅拌机中进行混合均匀；再加入空心玻璃微珠和玻化微珠混合均匀，即可得到高强度保温混凝土。

为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：

一种如上述所述的高强度保温混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：首先将所述比例的SiO₂气凝胶、钾水玻璃和1/10的水投入搅拌机中进行混合均匀；再加入所述比例的空心玻璃微珠和玻化微珠混合均匀；

步骤(2)：将所述比例的普通硅酸盐水泥、矿粉、粉煤灰、砂子、石子、减水剂和剩余量的水投入另一搅拌机中，搅拌均匀；

步骤(3)：将步骤(1)所得的混合物加入到步骤(2)中的搅拌机中，搅拌均匀，即可得到高强度保温混凝土。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明高强度保温混凝土整体浇筑而成的结构比常用粘、挂、抹等方式施工建造的保温结构在整体上更加安全可靠，能够有效避免其它保温节能系统极易出现防护层开裂和饰面层脱落的情况，同时还能防止保温系统被大风刮掉以及雨水渗至外墙内表面。

(2)本发明高强度保温混凝土的导热系数低，加之本发明高强度保温混凝土浇筑而成的结构体系整体性较好，在建筑物外围护结构采用本发明高强度保温混凝土浇筑保温节能构件，可以实现墙、柱、梁板的一体化施工，形成一个整体，能够避免其它保温节能体系造成的热、冷桥现象，导致建筑物的热量损耗流失。

(3)本发明高强度混凝土既具有普通混凝土的物理力学性能，同时又具有保温性能，符合绿色环保的建筑材料。玻化微珠和空心玻璃微珠相互促进共同提升了本发明的保温性能和物理力学性能；钾水玻璃改善了玻化微珠和空心玻璃微珠的憎水性，使得两者在水相中具有良好的分散性；SiO₂气凝胶加入使得本发明的保温性能进一步提升，而对本发明的物理力学性能没有影响。

具体实施方式

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

本发明实施例中所涉及的所有物质均为市售，其中减水剂采用聚羧酸减水剂。

表1实施例1～6具体组成表

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
							普通硅酸盐水泥	300	325	350	350	375	400
矿粉	150	125	200	200	175	100
							粉煤灰	200	125	100	100	175	150
砂子	500	550	600	600	450	400
							石子	900	950	1000	1000	1050	1100
空心玻璃微珠	70	48	55	55	63	40
							玻化微珠	40	62	70	70	47	55
SiO2气凝胶	15	18	10	10	12	20
							钾水玻璃	9	8	5	5	6	7
减水剂	10	10	5	5	15	10
							水	110	130	150	150	170	180

其中，实施例1～3按照如下步骤进行制备：

步骤(1)：将所述比例的普通硅酸盐水泥、矿粉、粉煤灰、砂子、石子、减水剂和水投入搅拌机中，搅拌均匀；

步骤(2)：将SiO₂气凝胶和钾水玻璃投入步骤(1)中的搅拌机中进行混合均匀；再加入空心玻璃微珠和玻化微珠混合均匀，即可得到高强度保温混凝土。

实施例4～6按照如下步骤进行制备：

步骤(1)：首先将所述比例的SiO₂气凝胶、钾水玻璃和1/10的水投入搅拌机中进行混合均匀；再加入所述比例的空心玻璃微珠和玻化微珠混合均匀；

步骤(2)：将所述比例的普通硅酸盐水泥、矿粉、粉煤灰、砂子、石子、减水剂和剩余量的水投入另一搅拌机中，搅拌均匀；

步骤(3)：将步骤(1)所得的混合物加入到步骤(2)中的搅拌机中，搅拌均匀，即可得到高强度保温混凝土。

对比例1：采用授权公告号为CN103553484B的对比文件“玻化微珠保温混凝土及施工工艺”中的实施例1作为对比例1。

对比例1具体实施例为：包括如下重量分配比的原料：钢纤维10份，玻化微珠20份，水泥500份，石子1150份，砂560份，水170份，减水剂6份，外掺料50份；按照如下步骤制备：首先将所述比例的玻化微珠和1/3的水投入搅拌机中，拌合30秒后，再加入所述比例的外掺料，搅拌充分均匀后，最后将所述比例的水泥、石子、砂、钢纤维、减水剂和剩余水均匀投入搅拌机中，搅拌3.5分钟即得到钢纤维保温混凝土。其中，钢纤维的有效长度为10～60mm，直径或等效直径≥0.08mm；玻化微珠的粒径为0.1～2mm，导热系数为0.03～0.05W/m·K，吸水率＜40％，熔融温度1200℃；减水剂为高性能聚羧酸减水剂，外掺料为粉煤灰。

对比例2：与实施例4相比，去除SiO₂气凝胶。

对比例3：与实施例4相比，去除钾水玻璃。

对比例4：与实施例4相比，去除玻化微珠。

对比例5：与实施例4相比，去除空心玻璃微珠。

对比例6：与实施例4相比，同时去除玻化微珠和空心玻璃微珠。

将对比例2～6按照如下步骤进行制备：

步骤(1)：首先将所述比例的SiO₂气凝胶、钾水玻璃和1/10的水投入搅拌机中进行混合均匀；再加入所述比例的空心玻璃微珠和玻化微珠混合均匀；

步骤(2)：将所述比例的普通硅酸盐水泥、矿粉、粉煤灰、砂子、石子、减水剂和剩余量的水投入另一搅拌机中，搅拌均匀；

步骤(3)：将步骤(1)所得的混合物加入到步骤(2)中的搅拌机中，搅拌均匀，即可得到高强度保温混凝土。

1、混凝土导热系数试验

1.1实验原理

根据Fourier热传递方程(一维传热)，厚度δ为无限大的混凝土板在单位时间内通过的热量与混凝土板的厚度成反比，与上下表面层的温度梯度成正比，与上下表面的面积成正比，且与材料本身的导热系数相关。通过板的热量为

式中，Φ-通过混凝土板的热流量，W；S-壁面积，m²；δ-壁厚，m；△t-壁两侧表面的温差，℃；λ-导热系数，W/(m·k)。

由上式可得导热系数的表达式为

1.2制备试验

试件不平整产生的接触热阻会给测量数据带来相当大的误差，因此，制作了专门的试模试验测试的2个平面用钢模，充分保证了平整度。试件尺寸为30cm×30cm×5cm，每一实施例1～6和对比例1～6的混凝土成型3块，成型后于温度20±2℃，湿度为95％以上的标准护室养护28d。

1.3试验方法

混凝土导热系数按照GB/T10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》测定。试验温度25℃，环境保持干燥状态避免湿度对混凝土导热系数的影响，冷板温度设置为25℃，热板温度设置为35℃，冷热板温度梯度为10k。

表2混凝土导热系数试验记录表

	导热系数，W/(m·k)
		实施例1	0.213
实施例2	0.225
		实施例3	0.219
实施例4	0.178
		实施例5	0.165
实施例6	0.171
		对比例1	0.787
对比例2	0.353
		对比例3	0.699
对比例4	0.415
		对比例5	0.498
对比例6	0.975

通过表2可以看出，实施例1～6均具有较小的导热系数和良好的保温性能，但是实施例1～3和实施例4～6相比较，实施例1～3整体导热系数要大于实施例4～6整体的导热系数，因而实施例4～6整体的保温性能要优于实施例1～3的保温性能，而实施例1～3和实施例4～6最直接的差别在于制备方法不同，因此实施例4～6的制备方法能制备出具有较优异保温性能的高强度保温混凝土。

实施例1～6和对比例1相比较，实施例1～6的导热系数要远远小于对比例1的导热系数，因而实施例1～6的保温性能远远优于对比例1的保温性能。

实施例4和对比例4～6的导热系数作比较，实施例4的导热系数要小于对比例4～6的导热系数，而对比例4～6相较于实施例4而言，区别点分别为未添加玻化微珠、未添加空心玻璃微珠、同时未添加玻化微珠和空心玻璃微珠，可见玻化微珠和空心玻璃微珠均可以提升本发明的保温性能。但是同时未添加玻化微珠和空心玻璃微珠的对比例6的保温性能远远差于实施例4和实施例5的保温性能，可见玻化微珠和空心玻璃微珠发挥了协同作用共同提升了本发明的保温性能。

实施例4和对比例2相比较，加入SiO₂气凝胶同样可以提升本发明的保温性能，但是相较于发挥协同作用的玻化微珠和空心玻璃微珠而言，对本发明中的保温性能提升较小。

实施例4和对比例3相比较，去除钾水玻璃后对本发明的保温性能影响较大，这可能是由于钾水玻璃对玻化微珠和空心玻璃微珠具有影响。因为玻化微珠和空心玻璃微珠具有亲油性和憎水性，而玻化微珠和空心玻璃微珠的憎水性能够直接影响到玻化微珠和空心玻璃微珠在本发明中的分散性，而钾水玻璃的加入恰恰能够解决这一问题，使得玻化微珠和空心玻璃微珠在水相中具有良好的分散性。

2、混凝土强度检验

根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对实施例1～6和对比例1～6进行检测并记录。

表3混凝土强度检测记录表

	抗压强度fcc，MPa	抗折强度ff，MPa
			实施例1	90	16.0
实施例2	93	16.3
			实施例3	91	16.1
实施例4	105	19.1
			实施例5	103	19.2
实施例6	105	19.2
			对比例1	80	7.3
对比例2	105	18.9
			对比例3	70	12.1
对比例4	83	14.3
			对比例5	85	14.4
对比例6	73	12.5

通过表3可以看出，实施例1～6均具有较好的抗压强度和抗折性能，但是实施例1～3和实施例4～6相比较，实施例4～6整体的抗压强度和抗折性能要优于实施例1～3的保温性能，而实施例1～3和实施例4～6最直接的差别在于制备方法不同，因此实施例4～6的制备方法能制备出具有较优异力学性能的高强度保温混凝土。

且从实施例1～6和对比例1对比可以看出，实施例1～6的抗压强度和抗折性能要优于对比例1的抗压强度和抗折性能。

实施例4和对比例4～6的抗压强度和抗折性能作比较，实施例4的抗压强度和抗折性能要大于对比例4～6的抗压强度和抗折性能，而对比例4～6相较于实施例4而言，区别点分别为未添加玻化微珠、未添加空心玻璃微珠、同时未添加玻化微珠和空心玻璃微珠，可见玻化微珠和空心玻璃微珠均可以提升本发明的抗压强度和抗折性能。但是同时未添加玻化微珠和空心玻璃微珠的对比例6的抗压强度和抗折性能远远差于实施例4和实施例5的抗压强度和抗折性能，可见玻化微珠和空心玻璃微珠发挥了协同作用共同提升了本发明的抗压强度和抗折性能。

实施例4和对比例3相比较，去除钾水玻璃后对本发明的抗压强度和抗折性能有影响，这可能是由于钾水玻璃对玻化微珠和空心玻璃微珠具有影响。因为玻化微珠和空心玻璃微珠具有亲油性和憎水性，而玻化微珠和空心玻璃微珠的憎水性能够直接影响到玻化微珠和空心玻璃微珠在本发明中的分散性，而钾水玻璃的加入恰恰能够解决这一问题，使得玻化微珠和空心玻璃微珠在水相中具有良好的分散性。

实施例4和对比例2相比较，加入SiO₂气凝胶和未加入SiO₂气凝胶对本发明的抗压强度和抗折性能没有影响。

综上所述，本发明高强度混凝土既具有普通混凝土的物理力学性能，同时又具有保温性能，符合绿色环保的建筑材料。玻化微珠和空心玻璃微珠相互促进共同提升了本发明的保温性能和物理力学性能；钾水玻璃改善了玻化微珠和空心玻璃微珠的憎水性，使得两者在水相中具有良好的分散性；SiO₂气凝胶加入使得本发明的保温性能进一步提升，而对本发明的物理力学性能没有影响。

Claims (8)

1.一种高强度保温混凝土，其特征在于，以质量份数计，其原料包括：普通硅酸盐水泥300～400份、矿粉100～200份、粉煤灰100～200份、砂子400～600份、石子900～1100份、空心玻璃微珠40～70份、玻化微珠40～70份、SiO₂气凝胶10～20份、钾水玻璃5～9份、减水剂5～15份、水110～180份。

2.根据权利要求1所述的高强度保温混凝土，其特征在于，所述空心玻璃微珠的粒度为350～450目、壁厚为直径的8％～10％、堆积密度为200Kg·m^-3。

3.根据权利要求1所述的高强度保温混凝土，其特征在于，所述玻化微珠的密度为80～100Kg·m^-3、吸水率25％～35％、筒压强度小于35％。

4.根据权利要求1所述的高强度保温混凝土，其特征在于，所述SiO₂气凝胶的孔隙率为80％～99％、比表面积为600～1000m²·g^-1、表观密度为0.003～0.35g·m^-3、孔径为10～40nm。

5.根据权利要求1所述的高强度保温混凝土，其特征在于，所述钾水玻璃为钾水玻璃K₂O·nSiO₂，其中摩数n为2.6～2.8。

6.根据权利要求1所述的高强度保温混凝土，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥的强度等级为P.O42.5；所述矿粉为S95级矿粉；所述粉煤灰为II级粉煤灰；所述砂子为II区中砂；所述石子的平均粒径为10～15mm。

7.一种如权利要求1至6中任意一项所述的高强度保温混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：将所述比例的普通硅酸盐水泥、矿粉、粉煤灰、砂子、石子、减水剂和水投入搅拌机中，搅拌均匀；

步骤(2)：将SiO₂气凝胶和钾水玻璃投入步骤(1)中的搅拌机中进行混合均匀；再加入空心玻璃微珠和玻化微珠混合均匀，即可得到高强度保温混凝土。

8.一种如权利要求1至6中任意一项所述的高强度保温混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：首先将所述比例的SiO₂气凝胶、钾水玻璃和1/10的水投入搅拌机中进行混合均匀；再加入所述比例的空心玻璃微珠和玻化微珠混合均匀；

步骤(2)：将所述比例的普通硅酸盐水泥、矿粉、粉煤灰、砂子、石子、减水剂和剩余量的水投入另一搅拌机中，搅拌均匀；

步骤(3)：将步骤(1)所得的混合物加入到步骤(2)中的搅拌机中，搅拌均匀，即可得到高强度保温混凝土。