CN107512924B - 一种木质轻质建筑混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及节能混凝土制备技术领域，公开了一种木质轻质建筑混凝土，利用废弃木质材料经碱化、酯化处理后赋予其热塑性，其团粒成颗粒后使其表面炭化，得到高强轻质的木质颗粒，并在其表面包覆硅溶胶，使其具有很好的保温隔热性能，且与水泥浆有很好的界面粘合力，可用于骨料替代砂石；本发明制得的混凝土材料具有高强轻质的特性，有很好的保温隔热性和阻燃性，可用于墙面保温材料，是各种发泡板、聚苯板的最佳替代品。
Description
技术领域
本发明涉及节能混凝土技术领域，具体涉及一种木质轻质建筑混凝土及其制备方法。
背景技术
节约能源是我国经济发展的战略重点，具体在建材领域，1986 年国家建设部颁布了《民用建筑节能设计标准》，2001 年10 月1 日，国家建设部颁发了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》。从2000 年起，对采暖区热环境差或能耗大的原有建筑的节能改造工作已经开始，2005 年国家已经在重点城镇开始节能改造。发展新型建筑材料以减少建筑围护结构的能量流失，是提高建筑能源利用效率的主要措施之一。
新型建筑材料是在传统建筑材料基础上产生的新一代升级换代建筑材料，主要包括新型墙体材料、保温隔热材料、防水密封材料和装饰装修材料等。新型建筑材料具有轻质、高强度、保温、节能、节土、装饰等优良特性，采用新型建材不但使房屋功能大大改善，还可以使建筑物内外更具现代气息，满足人们的审美要求，有的新型建材可以显著减轻建筑物自重，为推广轻型建筑结构创造了条件，推动了建筑施工技术现代化，大大加快了建房速度。在低碳时代到来之际，在国家提倡节能降耗、转型发展的大背景下，绿色低碳、节能环保已经成为新型建材不可回避的使命。为此， 以绿色环保、利废、隔热、保温、防火、质轻、高强、替代、成本低廉、节土、节地为目标的新型建材从中获得巨大的发展新机遇。新型建材的工业产值超过6000亿元，年增长超过14%，从业企业超过5000多家。在党和政府的高度重视和支持下，经过20多年的发展，已经具备了相当的规模和较为齐全的品种。目前，不断有新型建材被开发，特别是一些复合化、多功能化、节能化、绿色化、轻质高强化的新型建材占据了传统建材50%以上的比重。
降低建筑采暖能耗的重要途径之一就是增加建筑外围结构的保温性能，最大限度地减少建筑外围结构的热损失。发展新型的节能保温材料，是目前解决建筑节能的有效手段。目前保温隔热材料发展趋势向着轻质、高强、高效保温和良好防火性能的方向发展，如膨胀珍珠岩保温砂浆、聚苯颗粒保温板等。混凝土是当代最主要的土木工程材料之一，它是由胶凝材料，颗粒状集料（也称为骨料），水，以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经均匀搅拌，密实成型，养护硬化而成的一种人工石材。其中，泡沫混凝土是通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料，在建筑节能保温中发挥了巨大的作用。然而，现有保温材料的轻质材料或发泡导致强度变低，使得作为胶结材料的水泥和细砂难以与之形成高强度。已报到使用的陶粒板，由于使用轻质陶粒替换了砂浆中的部分细砂，使得强度大幅提升，然而由于陶粒成分的影响，其密度远大于膨胀珍珠岩的、聚苯颗粒等轻质材料，使得单位面的重量大，而且制作成本也大。
发明内容
针对现有外墙保温墙体材料存在强度低、需要预先制成板材难以施工的缺陷，本发明提出了一种木质轻质建筑混凝土及制备方法。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种木质轻质建筑混凝土，由以下重量份的原料制成：废弃木质材料30-40份、硅溶胶10-20份、硅酸盐水泥80-100份、减水剂2-5份，水适量；
上述木质轻质建筑混凝土由如下方法制备得到：
（1）废弃木质材料改性预处理：将废弃木质材料粉碎、过筛，得植物粉末，将植物粉末进行碱化处理，然后再进行酯化改性处理，得改性热塑性植物粉末；
（2）炭化：将改性热塑性植物粉末加入到团粒机中，热团粒得到粒径为3-5mm的颗粒，将颗粒转移到炭化炉中，通入氮气排除空气，在440-460℃碳化15-20s，得到表面碳化的高强轻质木质颗粒；
（3）包覆：将高强轻质木质颗粒加入到硅溶胶中，抽真空浸润，然后在保护气体下于180-200℃煅烧1-2min，得到包覆有硅溶胶的木质颗粒；
（4）拌合：将包覆有硅溶胶的木质颗粒与硅酸盐水泥、减水剂混合，搅拌均匀，加适量水，搅拌，得木质轻质建筑混凝土，适用于外墙保温墙体材料。
优选地，所述废弃木质材料为秸秆、椰壳、竹边角料、玉米芯中的至少一种。
优选地，所述减水剂是由木质素磺酸钠和氨基磺酸钠按照1：1-2复配组成。
优选地，所述硅溶胶的固含量为25-50%。
木质材料是由纤维素、半纤维素和木质素组成的高分子复合材料，其中的纤维素通过酯化处理后能够使其生成树脂类塑料，使其热塑化。但是，木质材料中的各组分间的强烈相互作用妨碍其表面羟基酯化，故先对其进行碱化处理。碱化处理可以使得植物纤维表面变得粗糙，形成许多空腔，增大其比表面积，使得酯化反应可及性增加。将植物粉末碱化、酯化处理后赋予其热塑性，在热及团粒条件下形成大颗粒，再在无氧环境中进行快速炭化，使得颗粒表面炭化，形成高强轻质颗粒，再用硅溶胶对其进行包覆，由于硅溶胶具有开放的多孔结构，且热稳定性好，使得制得的包覆有硅溶胶的木质颗粒有很好的保温性能，且与硅酸盐水泥有很好的渗透亲和性，有很好的界面粘合力，可用于骨料替代砂石。本发明制得的混凝土材料具有高强轻质的特性，有很好的保温隔热性和阻燃性，可用于墙面保温材料，是各种发泡板、聚苯板的最佳替代品。
优选地，包括以下步骤：
（1）废弃木质材料改性预处理：将废弃木质材料粉碎、过80-100目筛，得植物粉末，加入到氢氧化钠溶液中，低速搅拌，浸泡，过滤，洗涤，干燥；再将碱化处理后的植物粉末加入到酯化试剂中，低速搅拌，浸泡，过滤，洗涤，干燥，得改性热塑性植物粉末；所述酯化试剂为乙酸酐、马来酸酐、琥珀酸酐、邻苯二甲酸酐中的任意一种；
（2）炭化：将改性热塑性植物粉末加入到团粒机中，热团粒，颗粒平均直径大小为3-5mm，将颗粒转移到炭化炉中，通入氮气排除空气，快速升温至440-460℃进行碳化15-20s，得到高强轻质木质颗粒；
（3）包覆：将高强轻质木质颗粒中加入硅溶胶，以600-800r/min的转速搅拌20-30min，抽真空浸润，然后在保护氮气下于180-200℃煅烧1-2min，得到包覆有硅溶胶的木质颗粒；
（4）拌合：将包覆有硅溶胶的木质颗粒与硅酸盐水泥、减水剂混合，搅拌均匀，加适量水，搅拌，得木质轻质建筑混凝土，用于外墙保温墙体材料。
优选地，所述步骤（1）中，碱化处理是将植物粉末加入到5-8%的氢氧化钠溶液中，植物粉末和氢氧化钠溶液的质量体积比（g/mL）为1：10-20，以300-500r/min的转速搅拌，浸泡3-5h，过滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥5-10h。
优选地，所述步骤（1）中，酯化改性处理是将碱化处理后的植物粉末加入到酯化试剂中，植物粉末和酯化试剂的质量体积比（g/mL）为1：10-16，加入催化剂硫酸，催化剂的加入量为植物粉末质量的4-6%，油浴加热升温至120-160℃，以300-500r/min的转速搅拌，搅拌反应2-4h，抽滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥5-10h。
优选地，所述步骤（2）中，将改性热塑性植物粉末加入到团粒机中，控制团粒机的温度为135-150℃，颗粒平均直径大小为3-5mm。
有益效果：本发明利用废弃木质材料经碱化、酯化处理后赋予其热塑性，其团粒成颗粒后使其表面炭化，得到高强轻质的木质颗粒，并在其表面包覆硅溶胶，使其具有很好的保温隔热性能，且与水泥浆有很好的界面粘合力，可用于骨料替代砂石；本发明制得的混凝土材料具有高强轻质的特性，有很好的保温隔热性和阻燃性，可用于墙面保温材料，是各种发泡板、聚苯板的最佳替代品。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）废弃木质材料改性预处理：将废弃木质材料秸秆、椰壳、玉米芯30重量份粉碎、过80-100目筛，得植物粉末，加入到质量浓度为5%的氢氧化钠溶液中，植物粉末和氢氧化钠溶液的质量体积比（g/mL）为1：10，以300r/min的转速搅拌，浸泡3h，过滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥5h;然后将碱化处理后的植物粉末加入到酯化试剂中，植物粉末和酯化试剂的质量体积比（g/mL）为1：10，加入少量的的催化剂稀硫酸，催化剂的加入量为植物粉末质量的4%，油浴加热升温至120℃，以300r/min的转速搅拌，搅拌反应2h，抽滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥5h得到该性热塑性植物粉末。所述酯化试剂为乙酸酐。
（2）炭化：将改性热塑性植物粉末加入到团粒机中，热团粒，颗粒平均直径大小为3-5mm，将颗粒转移到炭化炉中，通入氮气排除空气，快速升温至440-460℃进行碳化15s，得到高强轻质木质颗粒；
（3）包覆：将高强轻质木质颗粒中加入10重量份固含量为25%的硅溶胶，以600-800r/min的转速搅拌20min，抽真空浸润，然后在保护氮气下于180-200℃煅烧1-2min，得到包覆有硅溶胶的木质颗粒；
（4）拌合：将包覆有硅溶胶的木质颗粒与80重量份硅酸盐水泥、2重量份减水剂混合，搅拌均匀，加适量水，搅拌，得木质轻质建筑混凝土，用于外墙保温墙体材料。所述减水剂是由木质素磺酸钠和氨基磺酸钠按照1：1复配组成。
实施例2
（1）废弃木质材料改性预处理：将废弃木质材料秸秆40重量份粉碎、过80-100目筛，得植物粉末，加入到质量浓度为5%的氢氧化钠溶液中，植物粉末和氢氧化钠溶液的质量体积比（g/mL）为1：10，以300r/min的转速搅拌，浸泡3h，过滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥5h;然后将碱化处理后的植物粉末加入到酯化试剂中，植物粉末和酯化试剂的质量体积比（g/mL）为1：10-16，油浴加热升温至120℃，以300/min的转速搅拌，搅拌反应2h，抽滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥5-10h得到改性热塑性植物粉末。所述酯化试剂为琥珀酸酐。
（2）炭化：将改性热塑性植物粉末加入到团粒机中，热团粒，颗粒平均直径大小为3-5mm，将颗粒转移到炭化炉中，通入氮气排除空气，快速升温至440-460℃进行碳化20s，得到高强轻质木质颗粒；
（3）包覆：将高强轻质木质颗粒中加入20重量份固含量为50%的硅溶胶，以600r/min的转速搅拌20min，抽真空浸润，然后在保护氮气下于180-200℃煅烧1min，得到包覆有硅溶胶的木质颗粒；
（4）拌合：将包覆有硅溶胶的木质颗粒与90重量份硅酸盐水泥、2重量份减水剂混合，搅拌均匀，加适量水，搅拌，得木质轻质建筑混凝土，用于外墙保温墙体材料。所述减水剂是由木质素磺酸钠和氨基磺酸钠按照1：2复配组成。
实施例3
（1）废弃木质材料改性预处理：将废弃木质材料玉米芯30-40重量份粉碎、过80-100目筛，得植物粉末，加入到质量浓度为5%的氢氧化钠溶液中，植物粉末和氢氧化钠溶液的质量体积比（g/mL）为1：20，以500r/min的转速搅拌，浸泡3h，过滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥8h;然后将碱化处理后的植物粉末加入到酯化试剂中，植物粉末和酯化试剂的质量体积比（g/mL）为1：10，油浴加热升温至120℃，以300-500r/min的转速搅拌，搅拌反应2h，抽滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥5h得到改性热塑性植物粉末。所述酯化试剂为邻苯二甲酸酐。
（2）炭化：将改性热塑性植物粉末加入到团粒机中，热团粒，颗粒平均直径大小为3-5mm，将颗粒转移到炭化炉中，通入氮气排除空气，快速升温至440-460℃进行碳化15s，得到高强轻质木质颗粒；
（3）包覆：将高强轻质木质颗粒中加入10重量份固含量为25%的硅溶胶，以600r/min的转速搅拌20min，抽真空浸润，然后在保护氮气下于180-200℃煅烧2min，得到包覆有硅溶胶的木质颗粒；
（4）拌合：将包覆有硅溶胶的木质颗粒与100重量份硅酸盐水泥、5重量份减水剂混合，搅拌均匀，加适量水，搅拌，得木质轻质建筑混凝土，用于外墙保温墙体材料。所述减水剂是由木质素磺酸钠和氨基磺酸钠按照1：2复配组成。
实施例4
（1）废弃木质材料改性预处理：将废弃木质材料秸秆、椰壳35重量份粉碎、过80-100目筛，得植物粉末，加入到质量浓度为8%的氢氧化钠溶液中，植物粉末和氢氧化钠溶液的质量体积比（g/mL）为1：20，以500r/min的转速搅拌，浸泡5h，过滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥8h;然后将碱化处理后的植物粉末加入到酯化试剂中，植物粉末和酯化试剂的质量体积比（g/mL）为1：12，加入催化剂稀硫酸，催化剂的加入量为植物粉末质量的4%，油浴加热升温至120℃，以300-500r/min的转速搅拌，搅拌反应2-4h，抽滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥5-10h。所述酯化试剂为乙酸酐、马来酸酐、琥珀酸酐、邻苯二甲酸酐中的任意一种；
（2）炭化：将改性热塑性植物粉末加入到团粒机中，热团粒，颗粒平均直径大小为3-5mm，将颗粒转移到炭化炉中，通入氮气排除空气，快速升温至440-460℃进行碳化15s，得到高强轻质木质颗粒；
（3）包覆：将高强轻质木质颗粒中加入10-20重量份固含量为25%的硅溶胶，以800r/min的转速搅拌30min，抽真空浸润，然后在保护氮气下于180-200℃煅烧1min，得到包覆有硅溶胶的木质颗粒；
（4）拌合：将包覆有硅溶胶的木质颗粒与80重量份硅酸盐水泥、2重量份减水剂混合，搅拌均匀，加适量水，搅拌，得木质轻质建筑混凝土，用于外墙保温墙体材料。所述减水剂是由木质素磺酸钠和氨基磺酸钠按照1：1.5复配组成。
实施例5
（1）废弃木质材料改性预处理：将废弃木质材料秸秆、椰壳、竹边角料、玉米芯40重量份粉碎、过80-100目筛，得植物粉末，加入到质量浓度为8%的氢氧化钠溶液中，植物粉末和氢氧化钠溶液的质量体积比（g/mL）为1：20，以300r/min的转速搅拌，浸泡4h，过滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥10h;然后将碱化处理后的植物粉末加入到酯化试剂中，植物粉末和酯化试剂的质量体积比（g/mL）为1：16，油浴加热升温至130℃，以500r/min的转速搅拌，搅拌反应4h，抽滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥10h得到改性热塑性植物粉末所述酯化试剂为马来酸酐。
（2）炭化：将改性热塑性植物粉末加入到团粒机中，热团粒，颗粒平均直径大小为3-5mm，将颗粒转移到炭化炉中，通入氮气排除空气，快速升温至440-460℃进行碳化20s，得到高强轻质木质颗粒；
（3）包覆：将高强轻质木质颗粒中加入20重量份固含量为50%的硅溶胶，以800r/min的转速搅拌30min，抽真空浸润，然后在保护氮气下于180-200℃煅烧2min，得到包覆有硅溶胶的木质颗粒；
（4）拌合：将包覆有硅溶胶的木质颗粒与100重量份硅酸盐水泥、5重量份减水剂混合，搅拌均匀，加适量水，搅拌，得木质轻质建筑混凝土，用于外墙保温墙体材料。所述减水剂是由木质素磺酸钠和氨基磺酸钠按照1：2复配组成。
对比例1
（1）废弃木质材料改性预处理：将废弃木质材料秸秆、椰壳、竹边角料、玉米芯40重量份粉碎、过80-100目筛，得植物粉末，加入到质量浓度为8%的氢氧化钠溶液中，植物粉末和氢氧化钠溶液的质量体积比（g/mL）为1：20，以300r/min的转速搅拌，浸泡4h，过滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥10h;然后将碱化处理后的植物粉末加入到酯化试剂中，植物粉末和酯化试剂的质量体积比（g/mL）为1：16，油浴加热升温至130℃，以500r/min的转速搅拌，搅拌反应4h，抽滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥10h得到改性热塑性植物粉末所述酯化试剂为马来酸酐。
（2）拌合：将改性热塑性植物粉末与100重量份硅酸盐水泥、5重量份减水剂混合，搅拌均匀，加适量水，搅拌，得木质轻质建筑混凝土，用于外墙保温墙体材料。所述减水剂是由木质素磺酸钠和氨基磺酸钠按照1：2复配组成。
性能检测：
将本发明实施例1-5制备的木质轻质建筑混凝土放入模具内，经振捣、常温养护、拆模，养护时间为3d。切割成规则形状，进行性能测试，测试结果见表1。
表1： 木质轻质建筑混凝土性能参数
| 测试项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 |
| 抗压强度（Mpa） | 15.1 | 15.5 | 15.7 | 14.8 | 14.4 | 3.6 |
| 容重（kg/m3） | 750 | 760 | 750 | 720 | 743 | 1382 |
| 传热系数（W/m·K） | 0.12 | 0.17 | 0.11 | 0.13 | 0.18 | 0.56 |
| 燃烧性能 | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 | B1 |
从表1中可以看出，本发明实施例1-5制备的混凝土材料的抗压强度均在14Mpa以上，具有很好的强度，且容重小，质轻，且传热系数小，具有很好的保温隔热性，燃烧性能为A1等级，属于不燃性建筑材料，有很好的阻燃性。对比例1由于未对植物粉末团粒大颗粒碳化、为包覆硅溶胶，因此其与水泥等结合度差，抗压强度差，而且减重不明显。
Claims (8)
1.一种木质轻质建筑混凝土，由以下重量份的原料制成：废弃木质材料30-40份、硅溶胶10-20份、硅酸盐水泥80-100份、减水剂2-5份，水适量；
所述木质轻质建筑混凝土由如下方法制备得到：
（1）废弃木质材料改性预处理：将废弃木质材料粉碎、过筛，得植物粉末，将植物粉末进行碱化处理，然后再进行酯化改性处理，得改性热塑性植物粉末；
（2）炭化：将改性热塑性植物粉末加入到团粒机中，热团粒得到粒径为3-5mm的颗粒，将颗粒转移到炭化炉中，通入氮气排除空气，在440-460℃碳化15-20s，得到表面碳化的高强轻质木质颗粒；
（3）包覆：将高强轻质木质颗粒加入到硅溶胶中，抽真空浸润，然后在保护气体下于180-200℃煅烧1-2min，得到包覆有硅溶胶的木质颗粒；
（4）拌合：将包覆有硅溶胶的木质颗粒与硅酸盐水泥、减水剂混合，搅拌均匀，加适量水，搅拌，得木质轻质建筑混凝土，适用于外墙保温墙体材料。
2.根据权利要求1所述一种木质轻质建筑混凝土，其特征在于：所述废弃木质材料为秸秆、椰壳、竹边角料、玉米芯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述一种木质轻质建筑混凝土，其特征在于：所述减水剂是由木质素磺酸钠和氨基磺酸钠按照1：1-2复配组成。
4.根据权利要求1所述一种木质轻质建筑混凝土，其特征在于：所述硅溶胶的固含量为25-50%。
5.根据权利要求1所述一种木质轻质建筑混凝土，其特征在于：所述木质轻质建筑混凝土，由如下方法制备得到：
（1）废弃木质材料改性预处理：将废弃木质材料粉碎、过80-100目筛，得植物粉末，加入到氢氧化钠溶液中，低速搅拌，浸泡，过滤，洗涤，干燥；再将碱化处理后的植物粉末加入到酯化试剂中，低速搅拌，浸泡，过滤，洗涤，干燥，得改性热塑性植物粉末；所述酯化试剂为乙酸酐、马来酸酐、琥珀酸酐、邻苯二甲酸酐中的任意一种；
（2）炭化：将改性热塑性植物粉末加入到团粒机中，热团粒，颗粒平均直径大小为3-5mm，将颗粒转移到炭化炉中，通入氮气排除空气，快速升温至440-460℃进行碳化15-20s，得到高强轻质木质颗粒；
（3）包覆：将高强轻质木质颗粒加入到硅溶胶中，以600-800r/min的转速搅拌20-30min，抽真空浸润，然后在保护氮气下于180-200℃煅烧1-2min，得到包覆有硅溶胶的木质颗粒；
（4）拌合：将包覆有硅溶胶的木质颗粒与硅酸盐水泥、减水剂混合，搅拌均匀，加适量水，搅拌，得木质轻质建筑混凝土，用于外墙保温墙体材料。
6.根据权利要求5所述一种木质轻质建筑混凝土，其特征在于：步骤（1）中，所述碱化处理是将植物粉末加入到5-8%的氢氧化钠溶液中，植物粉末和氢氧化钠溶液的质量体积比g/mL为1：10-20，以300-500r/min的转速搅拌，浸泡3-5h，过滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥5-10h。
7.根据权利要求5所述一种木质轻质建筑混凝土，其特征在于：步骤（1）中，所述酯化改性处理是将碱化处理后的植物粉末加入到酯化试剂中，植物粉末和酯化试剂的质量体积比g/mL为1：10-16，加入催化剂硫酸，催化剂的加入量为植物粉末质量的4-6%，油浴加热升温至120-160℃，以300-500r/min的转速搅拌，搅拌反应2-4h，抽滤，用水洗涤至中性，在90℃下干燥5-10h。
8.根据权利要求5所述一种木质轻质建筑混凝土，其特征在于：步骤（2）中，将改性热塑性植物粉末加入到团粒机中，控制团粒机的温度为135-150℃，颗粒平均直径大小为3-5mm。
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