CN106396482A - 水工混凝土高强保温材料的制备方法 - Google Patents

水工混凝土高强保温材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于混凝土的抗裂保温领域，具体涉及一种水工混凝土高强保温材料的制备方法。要解决的技术问题是提供一种水工混凝土高强保温材料的制备方法。该方法包括以下步骤：将胶凝材料A组分、改性无机填料和纤维混合，500～800rpm转速下搅拌20～60s，得到混合物1；将胶凝材料B组分加入混合物1中，500～800rpm转速下搅拌10～20s，得到混合物2；将混合物2置于20～25℃模具中，静置20～30min，脱模；脱模后再静置30～60min，得到产品。本发明方法制得的保温材料不开裂、强度高、保温性能好、与基体粘结性能优良，是一种应用价值较高的水工大坝保温材料。

Description

水工混凝土高强保温材料的制备方法
技术领域
本发明属于混凝土的抗裂保温领域，具体涉及一种水工混凝土高强保温材料的制备方法。
背景技术
以水工混凝土构筑物为代表的大体积混凝土建筑会显著受到环境温度的影响，这样的影响表现在两个方面：浇筑初期环境温度变化容易导致裂纹的产生和扩展；运行期环境温度剧烈变化会显著影响混凝土构筑物内部的应力分布情况，尤其是现在混凝土薄壁拱坝筑坝技术的发展，大体积混凝土内部应力分布的剧烈变化，严重影响建筑物的质量和安全。目前常用的大坝保温措施大部分为表面粘贴EPS或XPS板材，局部喷涂发泡聚氨酯；喷涂聚氨酯保温性能良好，但是施工操作复杂，需要现场精确控制，EPS、XPS板材也具有良好的保温性能，然而其粘结能力比较差，经常出现大面积脱落的情况，其次其强度较低，在大坝施工期或运行期遇有异物撞击，很容易破损导致进水，造成成片脱落和保温失效。
保温材料均主要由胶结材料和轻质细集料组成，为了达到较好的保温能力，引入的细集料或空气泡过多，导致保温材料普遍抗压强度较低。中国发明专利CN102010174A公开了一种保温砂浆，该保温砂浆以20～60％轻烧氧化镁，粉煤灰1～25％，调凝剂5～35％，增强增稠剂0～40％，硅藻土1～20％，膨胀骨料5～35％，聚苯乙烯泡沫0～5％，聚丙烯纤维0～0.2％，抗水外加剂0.5～8％，减水剂0～2％，导热系数为0.05～0.30W/(m·K)，然而强度只有0.43～0.85MPa左右。中国发明专利CN102875770A公开了一种改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料的制备方法，其组分为：聚醚多元醇30～50份、酚醛树脂3～5份、丙二醇1～3份、季戊四醇1～3份、玻璃纤维1～2份、陶瓷纤维1～2份、多异氰酸酯20～40份、泡沫稳定剂2～5份、发泡剂2～5份、硅烷偶联剂3～7份、硅酸钙4～7份、聚二甲基硅氧烷3～6份、二氟一氯乙烷3～4份、三聚催化剂1～2份、阻燃剂1～10份，其强度为0.32～0.44MPa。
以上专利说明：无论是有机还是无机体系，保温材料仍然存在以下问题：强度偏低，因强度差造成保温材料在使用过程中易损坏而失效；粘结能力较差，使用过程中易脱落。这些问题使得保温材料的推广和适用范围受到极大的限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水工混凝土高强保温材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)、将胶凝材料A组分、改性无机填料和纤维混合，500～800rpm转速下搅拌20～60s，得到混合物1；
(2)、将胶凝材料B组分加入混合物1中，500～800rpm转速下搅拌10～20s，得到混合物2；
(3)、将混合物2置于20～25℃模具中，静置20～30min，脱模；
(4)、脱模后再静置30～60min，得到产品；
所述胶凝材料A组分和胶凝材料B组分共同构成胶凝材料，以重量份计，所述胶凝材料40～70份，改性无机填料30～55份，纤维0～5份；胶凝材料A组分/胶凝材料B组分＝0.9～1.36；
所述胶凝材料A组分为异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯和二苯基甲烷-2,4’-二异氰酸酯中的至少一种；
所述胶凝材料B组分为聚丙二醇、催化剂、发泡组分的混合物，以重量比计，聚丙二醇︰催化剂︰发泡组分＝30︰1︰1～5；
其中，上述水工混凝土高强保温材料的制备方法中，所述改性无机填料为改性粉煤灰漂珠、改性空心玻璃微珠、改性陶砂、改性硅藻土和改性膨胀珍珠岩中的至少一种。
其中，上述水工混凝土高强保温材料的制备方法中，所述纤维为晶须、玻璃纤维、海泡石纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、木质素纤维和聚丙烯纤维中的至少一种；所述纤维的长径比大于20。
其中，上述水工混凝土高强保温材料的制备方法中，所述聚丙二醇的相对分子质量为4000、6000或8000。
其中，上述水工混凝土高强保温材料的制备方法中，所述发泡组份为蒸馏水或环戊烷。
其中，上述水工混凝土高强保温材料的制备方法中，所述催化剂为异辛酸钾或醋酸钾。
其中，上述水工混凝土高强保温材料的制备方法中，所述改性无机填料是由改性剂对无机填料改性所得，所述改性剂为石蜡、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或硬脂酸。
本发明的有益效果是：本发明制备工艺简单，改性无机填料能与胶凝材料充分混合，制备过程可控性好，可根据原料配比制备得到不同保温等级的产品。另外，本发明制备得到的水工混凝土保温材料具有以下性能：
1、该保温材料不开裂、耐水抗渗、耐久性好、容重轻，保温性能好，导热系数为0.03-0.06W/(m·K)；
2、该保温材料强度大、压缩强度可以达到4.0～7.0MPa，运输方便、破损率低、安装及长期使用过程中不易损坏；
3、该保温材料的粘结性能良好，与基体的粘结强度达到1.5MPa以上；
4、该保温材料可直接用于大体积水工混凝土，不需要额外的防护材料或防护结构，节约成本；
5、该保温材料性能可调，根据不同的应用环境，可以调整保温性能和机械性能(压缩强度)，使材料具有广泛的适用性。
具体实施方式
本发明提供了一种水工混凝土高强保温材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)、将胶凝材料A组分、改性无机填料和纤维混合，500～800rpm转速下搅拌20～60s，得到混合物1；
(2)、将胶凝材料B组分加入混合物1中，500～800rpm转速下搅拌10～20s，得到混合物2；
(3)、将混合物2置于20～25℃模具中，静置20～30min，脱模；
(4)、脱模后再静置30～60min，得到产品；
所述胶凝材料A组分和胶凝材料B组分共同构成胶凝材料，以重量份计，所述胶凝材料40～70份，改性无机填料30～55份，纤维0～5份；胶凝材料A组分/胶凝材料B组分＝0.9～1.36；
所述胶凝材料A组分为异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯和二苯基甲烷-2,4’-二异氰酸酯中的至少一种；
所述胶凝材料B组分为聚丙二醇、催化剂、发泡组分的混合物，以重量比计，聚丙二醇︰催化剂︰发泡组分＝30︰1︰1～5；
所述改性无机填料为改性粉煤灰漂珠、改性空心玻璃微珠、改性陶砂、改性硅藻土和改性膨胀珍珠岩中的至少一种；
所述纤维为晶须、玻璃纤维、海泡石纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、木质素纤维和聚丙烯纤维中的至少一种；所述纤维的长径比大于20。
其中，上述水工混凝土高强保温材料中，所述晶须为本领域常用无机晶须，如硫酸钙、碳酸钙等。
其中，上述水工混凝土高强保温材料的制备方法中，加入纤维能增强保温材料抵抗外力的性能，且较大的长径比，才能使材料受力部位的应力均匀和尽可能大的分散于其他部位，减轻局部被破坏的风险。但是加入纤维可能增加分散难度。根据工程对材料的具体要求，决定是否添加。
其中，上述胶凝材料B组分中，所述聚丙二醇的相对分子质量为4000、6000或8000，所述发泡组份为蒸馏水或环戊烷，所述催化剂为异辛酸钾或醋酸钾。
其中，上述胶凝材料B组分中，加入发泡组分使胶凝材料B组分成为发泡高分子胶凝材料，可增加胶凝材料的保温性能。
其中，上述水工混凝土高强保温材料的制备方法中，所述改性无机填料是由改性剂对无机填料改性所得，所述改性剂为石蜡，及硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和硬脂酸中的至少一种。本发明中，无机填料改性的目的是增加原料间无机/有机界面的相容性，增加无机填料掺量或改善和易性。
当改性剂为石蜡时，可采用本领域常规方法制备得到改性无机填料。进一步的，本发明中改性无机填料的制备过程为：将无机填料与石蜡混合，加热至50～70℃，500～1200rpm转速下搅拌60min，冷却至室温；其中，石蜡的掺加量为无机填料重量的2～10％。
当改性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或硬脂酸时，可采用本领域常规方法制备得到改性无机填料。进一步的，本发明中改性无机填料的制备过程为：将上述改性剂溶于乙醇和水的混合液中，按照重量比改性剂/无机填料＝0.5～3％，将无机填料加入上述混合液中，加热至30～90℃，2000～4000rpm转速下搅拌15～45min，烘干；所述乙醇和水的混合液中，乙醇的质量分数为5～15％。其中，硅烷偶联剂为本领域常用试剂，如3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷；钛酸酯偶联剂为本领域常用试剂，如异丙基三(异硬脂酰基)钛酸酯、异丙基三(异硬脂酰基)钛酸酯。
其中，上述改性无机填料的制备过程中，所述无机填料为粉煤灰漂珠、空心玻璃微珠、陶砂、硅藻土和膨胀珍珠岩中的至少一种。
按照本发明方法制得的水工混凝土高强保温材料的保温原理为：原料中的胶凝材料为高分子胶凝材料，主要起到保温作用以及粘结改性无机填料的作用，发泡高分子胶凝材料，虽然具有良好的保温性能，但在受到机械力作用时，高分子链很容易产生滑动甚至撕裂，造成保温材料的变形、开裂或整体破坏。而加入纤维恰恰是当保温材料受到外力，高分子胶凝材料开始发生变形时，包括于其中的纤维材料依靠乱向分布、以及较大的长径比，将受力部位的应力均匀和尽可能大的分散于其他部位，减轻局部被破坏的风险。另外，空心的改性无机填料，具有一定的刚性和保温能力，抗机械力性能比高分子胶凝材料好，因此，将改性无机填料与高分子胶凝材料组合在一起，当保温材料受到外力时，所受外力可以传递给改性无机填料，由填料自身或之间的机械咬合作用支撑，有助于提高保温材料的整体强度。无机填料改性的目的是增加原料间无机/有机界面的相容性，增加无机填料掺量或改善和易性。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
下述实施例中所用改性粉煤灰漂珠是按照前面所述方法由石蜡进行改性得到的，所用改性空心玻璃微珠是按照前面所述方法由硅烷偶联剂进行改性得到的，所用改性硅藻土是按照前面所述方法由硬脂酸进行改性得到的，所用改性膨胀珍珠岩是按照前面所述方法由钛酸酯偶联剂进行改性得到的；所用晶须为硫酸钙晶须。
实施例1
水工混凝土高强保温材料的原料及重量配比为：
胶凝材料A组分：19份；
A组分为异佛尔酮二异氰酸酯。
胶凝材料B组分：21份；
B组分中选用相对分子质量为4000的聚丙二醇PPG-4000，发泡组分为蒸馏水，催化剂为异辛酸钾，且PPG-4000︰蒸馏水︰异辛酸钾＝30︰1︰1。
改性粉煤灰漂珠：40份；
改性空心玻璃微珠：15份。
其制备过程如下：
(1)、将胶凝材料A组分与改性粉煤灰漂珠、改性空心玻璃微珠按上述比例混合，在500rpm转速下搅拌20s，得到混合物1；
(2)、将胶凝材料B组分按上述比例加入混合物1中，500rpm转速下搅拌10s，得到混合物2；
(3)、将混合物2置于20℃模具中，静置20min，脱模；
(4)、将脱模后所得材料静置30min，切割得到产品。
实施例2
水工混凝土高强保温材料的原料及重量配比为：
胶凝材料A组分：26份；
A组分为二环己基甲烷二异氰酸酯。
胶凝材料B组分：24份；
B组分中选用相对分子质量为6000的聚丙二醇PPG-6000，发泡组分为蒸馏水，催化剂为醋酸钾，且PPG-6000︰蒸馏水︰醋酸钾＝30︰4︰1。
改性粉煤灰漂珠：25份；
改性空心玻璃微珠：30份；
晶须：5份。
其制备过程如下：
(1)、将胶凝材料A组分、改性粉煤灰漂珠、改性空心玻璃微珠和晶须按上述比例混合，在800rpm转速下搅拌60s，得到混合物1；
(2)、将胶凝材料B组分按上述比例加入混合物1中，800rpm转速下搅拌20s，得到混合物2；
(3)、将混合物2置于25℃模具中，静置30min，脱模；
(4)、将脱模后所得材料静置60min，切割得到产品。
实施例3
水工混凝土高强保温材料的原料及重量配比为：
胶凝材料A组分：33份；
A组分为二环己基甲烷二异氰酸酯。
胶凝材料B组分：27份；
B组分中选用相对分子质量为8000的聚丙二醇PPG-8000，发泡组分为环戊烷，催化剂为异辛酸钾，且PPG-8000︰环戊烷︰异辛酸钾＝30︰2︰1。
改性粉煤灰漂珠：20份；
改性空心玻璃微珠：35份；
晶须：5份。
其制备过程如下：
(1)、将胶凝材料A组分、改性粉煤灰漂珠、改性空心玻璃微珠和晶须按上述比例混合，在600rpm转速下搅拌40s，得到混合物1；
(2)、将胶凝材料B组分按上述比例加入混合物1中，600rpm转速下搅拌15s，得到混合物2；
(3)、将混合物2置于25℃模具中，静置20min，脱模；
(4)、将脱模后所得材料静置45min，切割得到产品。
实施例4
水工混凝土高强保温材料的原料及重量配比为：
胶凝材料A组分：40份；
A组分为二苯基甲烷-2,4’-二异氰酸酯。
胶凝材料B组分：30份；
B组分中选用相对分子质量为4000的聚丙二醇PPG-4000，发泡组分为蒸馏水，催化剂为异辛酸钾，且PPG-4000︰蒸馏水︰异辛酸钾＝30︰3︰1。
改性粉煤灰漂珠：30份；
改性空心玻璃微珠：5份；
改性陶砂：20份；
晶须：3份。
其制备过程如下：
(1)、将胶凝材料A组分、改性粉煤灰漂珠、改性空心玻璃微珠、改性陶砂和晶须按上述比例混合，在500rpm转速下搅拌60s，得到混合物1；
(2)、将胶凝材料B组分按上述比例加入混合物1中，800rpm转速下搅拌20s，得到混合物2；
(3)、将混合物2置于20℃模具中，静置30min，脱模；
(4)、将脱模后所得材料静置60min，切割得到产品。
实施例5
水工混凝土高强保温材料的原料及重量配比为：
胶凝材料A组分：20份；
A组分为二环己基甲烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯，且二环己基甲烷二异氰酸酯︰异佛尔酮二异氰酸酯＝1︰3。
胶凝材料B组分：20份；
B组分中选用相对分子质量为4000的聚丙二醇PPG-4000，发泡组分为蒸馏水，催化剂为异辛酸钾，且PPG-4000︰水︰异辛酸钾＝30︰1︰1。
改性粉煤灰漂珠：30份；
改性空心玻璃微珠：5份；
玻璃纤维：1份。
其制备过程如下：
(1)、将胶凝材料A组分、改性粉煤灰漂珠、改性空心玻璃微珠和玻璃纤维按上述比例混合，在800rpm转速下搅拌60s，得到混合物1；
(2)、将胶凝材料B组分按上述比例加入混合物1中，800rpm转速下搅拌20s，得到混合物2；
(3)、将混合物2置于25℃模具中，静置30min，脱模；
(4)、将脱模后所得材料静置60min，切割得到产品。
实施例6
水工混凝土高强保温材料的原料及重量配比为：
胶凝材料A组分：25份；
A组分为二苯基甲烷-2,4’-二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯，且二苯基甲烷-2,4’-二异氰酸酯︰异佛尔酮二异氰酸酯＝1︰1。
胶凝材料B组分：25份；
B组分中选用相对分子质量为4000的聚丙二醇PPG-4000，发泡组分为蒸馏水，催化剂为异辛酸钾，且PPG-4000︰蒸馏水︰异辛酸钾＝30︰5︰1。
改性粉煤灰漂珠：30份；
改性空心玻璃微珠：10份；
玄武岩纤维：2份。
其制备过程如下：
(1)、将胶凝材料A组分、改性粉煤灰漂珠、改性空心玻璃微珠和玄武岩纤维按上述比例混合，在500rpm转速下搅拌20s，得到混合物1；
(2)、将胶凝材料B组分按上述比例加入混合物1中，500rpm转速下搅拌10s，得到混合物2；
(3)、将混合物2置于25℃模具中，静置20min，脱模；
(4)、将脱模后所得材料静置50min，切割得到产品。
实施例7
水工混凝土高强保温材料的原料及重量配比为：
胶凝材料A组分：32份；
A组分为二苯基甲烷-2,4’-二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯的混合物，且二苯基甲烷-2,4’-二异氰酸酯︰二环己基甲烷二异氰酸酯︰异佛尔酮二异氰酸酯＝1︰1︰2。
胶凝材料B组分：28份；
B组分中选用相对分子质量为6000的聚丙二醇PPG-6000，发泡组分为蒸馏水，催化剂为异辛酸钾，且PPG-6000︰环戊烷︰异辛酸钾＝30︰1︰1。
改性粉煤灰漂珠：20份；
改性空心玻璃微珠：15份；
改性硅藻土：5份；
晶须：4份；
海泡石纤维：1份。
其制备过程如下：
(1)、将胶凝材料A组分、改性粉煤灰漂珠、改性空心玻璃微珠、改性硅藻土和海泡石纤维按上述比例混合，在600rpm转速下搅拌45s，得到混合物1；
(2)、将胶凝材料B组分按上述比例加入混合物1中，750rpm转速下搅拌15s，得到混合物2；
(3)、将混合物2置于20℃模具中，静置25min，脱模；
(4)、将脱模后所得材料静置55min，切割得到产品。
实施例8
水工混凝土高强保温材料的原料及重量配比为：
胶凝材料A组分：35份；
A组分为二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯的混合物，且二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯︰二环己基甲烷二异氰酸酯︰异佛尔酮二异氰酸酯＝1︰1︰2。
胶凝材料B组分：35份；
B组分中选用相对分子质量为8000的聚丙二醇PPG-8000，发泡组分为环戊烷，催化剂为异辛酸钾，且PPG-8000︰环戊烷︰异辛酸钾＝30︰1︰1。
改性粉煤灰漂珠：25份；
改性空心玻璃微珠：5份；
改性硅藻土：10份；
改性膨胀珍珠岩：1份；
晶须：3份；
玻璃纤维：2份。
其制备过程如下：
(1)、将胶凝材料A组分、改性粉煤灰漂珠、改性空心玻璃微珠、改性硅藻土、改性膨胀珍珠岩、晶须和玻璃纤维按上述比例混合，在500rpm转速下搅拌20s，得到混合物1；
(2)、将胶凝材料B组分按上述比例加入混合物1中，500rpm转速下搅拌10s，得到混合物2；
(3)、将混合物2置于20℃模具中，静置20min，脱模；
(4)、将脱模后所得材料静置30min，切割得到产品。
对比例1
以市面所售泡沫塑料为对比样。
对比例2
专利CN102010174A公开的保温砂浆。
本实验依GB/T 8813-2008、GB/T 10294-2008和GB/T6343-2009，分别测定了实施例1-8保温材料及对比例1和2的密度、导热系数、压缩强度。测试结果见表1。
表1保温材料测试结果

Claims (7)

1.水工混凝土高强保温材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)、将胶凝材料A组分、改性无机填料和纤维混合，500～800rpm转速下搅拌20～60s，得到混合物1；
(2)、将胶凝材料B组分加入混合物1中，500～800rpm转速下搅拌10～20s，得到混合物2；
(3)、将混合物2置于20～25℃模具中，静置20～30min，脱模；
(4)、脱模后再静置30～60min，得到产品；
所述胶凝材料A组分和胶凝材料B组分共同构成胶凝材料，以重量份计，所述胶凝材料40～70份，改性无机填料30～55份，纤维0～5份；胶凝材料A组分/胶凝材料B组分＝0.9～1.36；
所述胶凝材料A组分为异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯和二苯基甲烷-2,4’-二异氰酸酯中的至少一种；
所述胶凝材料B组分为聚丙二醇、催化剂、发泡组分的混合物，以重量比计，聚丙二醇︰催化剂︰发泡组分＝30︰1︰1～5。
2.根据权利要求1所述的水工混凝土高强保温材料的制备方法，其特征在于，所述改性无机填料为改性粉煤灰漂珠、改性空心玻璃微珠、改性陶砂、改性硅藻土和改性膨胀珍珠岩中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的水工混凝土高强保温材料的制备方法，其特征在于，所述纤维为晶须、玻璃纤维、海泡石纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、木质素纤维和聚丙烯纤维中的至少一种；所述纤维的长径比大于20。
4.根据权利要求1～3任一项所述的水工混凝土高强保温材料的制备方法，其特征在于，胶凝材料B组分中，所述聚丙二醇的相对分子质量为4000、6000或8000。
5.根据权利要求1～4任一项所述的水工混凝土高强保温材料的制备方法，其特征在于，胶凝材料B组分中，所述发泡组份为蒸馏水或环戊烷。
6.根据权利要求1～5任一项所述的水工混凝土高强保温材料的制备方法，其特征在于，胶凝材料B组分中，所述催化剂为异辛酸钾或醋酸钾。
7.根据权利要求1～6任一项所述的水工混凝土高强保温材料的制备方法，其特征在于，所述改性无机填料是由改性剂对无机填料改性所得；所述改性剂为石蜡、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或硬脂酸。
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