CN107840612A - 一种高强度轻质无机节能保温建材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度轻质无机节能保温建材，由如下重量份的原料制备而成：水泥100～250份，石粉20～70份，粉煤灰10～50份，硅灰10～30份，纤维6～15份，纳米粉料2～6份，水玻璃6～20份，硬水10～70份，水40～90份，发泡剂8～15份。本发明还提供了制备方法。本发明的工艺生产过程以水为溶剂，无机材料为主体，在室温下操作，无任何有害物质释放，安全可靠，所制得的产品材料在空气中稳定，不需任何特殊处理保存，方便管理保存，并且可以选择性地根据不同模具制备出不同最终形态的建材产品，如外墙保温板、保温多孔砌砖、保温门窗护块、轻质隔墙隔音板等，产品多样化，应用性广，在环保节能保温建材领域具有广泛的应用前景，适合推广应用。

Description

一种高强度轻质无机节能保温建材及其制备方法

技术领域

本发明涉及防火保温节能建材技术领域，具体地讲，是涉及一种高强度轻质无机节能保温建材及其制备方法。

背景技术

我国现有440亿平方米建筑的能耗与发达国家相比高出2倍以上，尤其北方冬天供暖和南方夏天空调，更是高出3到4倍以上的耗能。这种建筑耗能的问题主要体现为建筑现有结构的保温性能较差，导致建筑室内的冷气或暖气所携带的能量由墙壁散失到环境中，要维持室内舒适的温度环境就需要持续高负载运行相应的供冷或供暖设备，增大了能源消耗。照目前的建筑耗能水平发展，到2020年我国建筑耗能将达到10.89亿吨标准煤。因此现有技术中提出了为建筑增加保温层的方案来减少能量散失，起到降低建筑能耗的目的，同时保温层的设置不要过多地增加建筑整体负载，故目前保温层大都是选用普通聚合物泡沫板，以满足这样的需求。但是实践中发现这样的材料存在防火性能差的问题，大部分高层建筑起火，这种普通聚合物泡沫板保温层使得火势蔓延较快，增大了消防救援的难度，并且火灾发生后也因这种材料高温熔化产生许多有害气体，对人体产生极大危害以造成巨大的损失。

对于这些情况，在建筑设计的各种规范标准中都逐步作出了各种明确的要求。为了节能减排，避免建筑物火灾被毁和确保人们的身体健康，自2012年开始，我国已制定了一系列新政策，如所有建筑外墙必须进行保温处理；保温材料要达到国家A级防火要求；高层建筑必须使用轻质砖以避免地震时带来的巨大破坏，而且要禁止使用粘土红砖以减少土壤资源的破坏等。

从2015年5月1日起，国标《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)正式实施，它补充了建筑外保温系统的防火要求，其中明确规定人员密集场所须采用A级保温材料，100米以上的住宅建筑外墙保温材料采用A级材料，扩大了建筑采用A级防火材料的范围。从2017年7月1日开始，四川省开始禁止使用外墙保温砂浆以确保建筑物的质量。“十二五”期间，中国将力争新建绿色建筑 10亿平方米，并大力推进新型墙体材料建筑应用比例达到75％以上。同时，财政部和住建部将通过政府财政补贴等方式提速绿色建筑发展，力争到2020年绿色建筑占新建建筑比重超过30％。

因此，新型环保节能多孔无机保温建材成为新型建筑的外墙保温领域的新宠，其寿命与建筑物的寿命同在，是为各种建筑的最好选择。此类产品具有轻质、隔热、隔音、施工简单等特点，是A级阻燃物，不但能解决困扰建筑界多年的外墙保温层开裂、空鼓、脱落等质量通病，同时还能避免保温墙体生产过程中的能耗高，污染环境的问题。但是普通的工艺生产的水泥泡泡砌砖和保温板存在强度欠佳、急需提高的问题，过去专利报道的结果抗压强度均在2Mpa 以下，不能满足合格建筑保温材料的国标需要，并且现有的保温节能建材的工艺相对落后，生产能耗也较高，不能适应最新的环保要求。

传统的建筑材料之一，粘土砖由于高耗能，浪费土地而被禁止，取而代之的是一些新兴的新型建筑材料如：泡沫混凝土、加气混凝土、水泥炉渣空心砖等，其中加气混凝土和泡沫混凝土均以硅酸盐水泥为胶体材料在生产过程中或高温蒸汽压养护，或机械造泡形成气孔，设备投资较大，生产耗能较高，而水泥炉渣空心砖在轻质和保温方面没有什么优势可言。传统的高温水蒸气压法广泛被采用来生产多孔砌砖，耗费大量的烧煤释放大量污染物设备要求成本太高，尤其现在我国出现的连续多个城市如北京的严重雾霾，从绿色化工工艺来说，我们应该发明创新工艺，尽量少用这个传统工艺生产。但事实上我国大量建筑砌砖来自这个方法；同时此法产品不能多样化。

在高温蒸汽压的方法及传统水泥发泡砌砖的技术中，公开号CN104193269A(2014)的专利文献报道了采用超细高岭土与氧化硅等添加剂，用碳黑做高温发泡剂，在高于1000度以上制备高强度隔热复合砖，此法工艺复杂，仍然耗能且带来高二氧化碳排放及污染产生。在节能环保生产工艺技术中，如公开号为CN1298677 C(2004年)的专利文献，使用了可挥发的氨基化合物或作化学发泡剂，在50～100℃下发泡成型；公开号为CN102515645 A(2012)的专利文献使用从丙三醇开始制作的有机酸酯类控泡剂并在反应釜中高于200℃的条件下制作，但所得产品抗压强度低于0.6Mpa；公开号CN103232259A(2015)的专利文献使用多种有机无机纤维及特定添加剂和高浓度的双氧水来制造发泡轻质水泥保温建材，除成本太高外，产品强度只有0.6Mpa；公开号CN203834705 U(2014)的专利文献使用金属框架和发泡水泥与聚乙烯板(EPS)相结合来解决抗压强度，此法生产工艺复杂且使用以石油加工化工产品EPS等成本高，总生产链耗能耗时需要燃烧大量煤，并向环境释放大量的污染物。公开号为CN 103288393A(2013)的专利文献使用了高达70％的水泥和硅粉及其他添加剂，所得产品抗压强度只比聚苯板的稍高一些，应在小于0.3Mpa范围；公开号CN102531533 A(2012)的专利文献使用发泡水泥和相变功能的石蜡制成发泡水泥相变保温砌块，根据加入材料的表面物理化学性能，尽管专利未报到任何测试的抗压强度数据，可以推测其抗压强度不高而有待研讨；公开号CN103755277 A(2014)的专利文献报道了一种高强度复合发泡水泥保温板及其制备方法，其中使用硅酸盐水泥高达90％，加上适当的添加剂，所得产品抗压强度低于 0.6Mpa。公开号CN204590282 U(2015)的专利文献公布了一种发泡水泥保温板，其基体为发泡水泥层，发泡水泥层中镶嵌有抗碱玻璃纤维网格布，发泡水泥层上表面粘合有防水抗裂砂浆层，防水抗裂砂浆层上表面粘合有饰面层，发泡水泥层的下表面有粘合有粘合剂层，此工艺复杂且使用的防水抗裂砂浆层等仍然可能没有克服龟裂现象，从而强度不高。公开号CN104261858 B(2014) 的专利文献使用改性硬脂酸钙剂其他添加剂的方法在制作配方中改进，但所得产品抗压强度低于1Mpa。公开号CN103011880 A(2013)的专利文献采用加入纳米二氧化硅的方法，所得产品强度也低于1Mpa。公开号CN101182173B(2007) 的专利文献采用铝粉与水反应的方法形成闭孔，并通过95％纯度的超冷二氧化碳养护以增强砌砖强度，使强度提高到稍高于3.5Mpa。公开号CN103243879A(2013)的专利文献使用大量纳米材料，尽管试图改进材料的结构性能，添加成分高达10％，所得产品抗压强度还是不超过1Mpa，而且成本过高很难进入市场化批量生产。

上述这些参考专利文献，对本领域的研发与创新有不同程度的贡献，但要满足高质量的绿色环保建筑材料的节能保温比传统建筑节能达50％到80％的要求，且低于0.05W/(m.K)的干导热系数，立方体抗压强度要高于4Mpa，100次冻融后的要大于2Mpa，空隙率达70％等这些要求来说，还是存在一定差距。因此对于这样要求的新型建材还亟需继续开发。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种抗压强度高、保温性能好、防火等级高的高强度轻质无机节能保温建材。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高强度轻质无机节能保温建材，由如下重量份的原料制备而成：

水泥100～250份，石粉20～70份，粉煤灰10～50份，硅灰10～30份，纤维6～15份，纳米粉料2～6份，水玻璃6～20份，硬水10～70份，水40～ 90份，发泡剂8～15份。

具体地，所述硬水硬度为5～14GPG。所述水为纯水，硬度0～0.5GPG。

具体地，所述纳米粉料为纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝、纳米氧化镁、纳米氧化铁、纳米石膏粉、纳米二氧化钛中至少一种。

具体地，所述发泡剂为松香、硬脂酸类、胶原蛋白、双氧水、小苏打中的一种。

具体地，所述石粉为石材切割产生的废弃粉末，石材优选为建材生产地容易获取的材料。所述粉煤灰和硅灰均来自相应处理工艺产生的废弃物。

具体地，所述纤维为聚合物纤维、无机玻纤、碳纤维、农作物秸秆纤维、竹纤维中至少一种，所述纤维长度为2～6mm。

进一步地，该高强度轻质无机节能保温建材，其原料还包括适量辅助添加剂。

具体地，所述辅助添加剂为1～2重量份的增强剂、1～2重量份的分散剂、 1～6重量份的稳泡剂、1～2重量份的减水剂、1～3重量份的防霉剂、1～2重量份的无机光催化剂中至少一种。

具体地，所述增强剂为甲酸钙、乙酸、乙酸盐三乙醇胺中至少一种；所述分散剂为表面活性剂、聚乙烯醇类中至少一种；所述稳泡剂为硅酮酰胺、甲基纤维素、硬脂酸钙中至少一种；所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂、木质素磺酸盐类、HSB脂肪族高效减水剂、萘系高效减水剂中至少一种；所述防霉剂为季铵盐衍生物、有机铜盐、有机锡盐、酚类中至少一种；所述无机光催化剂为二氧化钛、氧化锌、二氧化锆中至少一种。

并且，本发明还提供了上述高强度轻质无机节能保温建材的制备方法，包括如下步骤：

(1)按原料配比份量取相应份量的35℃的水，加入相应份量的硬水、辅助添加剂、水玻璃、纳米粉料混合，搅拌5分钟制得纳米浆料；

(2)按原料配比份量取相应份量的水泥、石粉、粉煤灰、硅灰、纤维混合，搅拌5分钟制得干粉物料；

(3)将步骤(2)制得的干粉物料加入到步骤(1)制得的纳米浆料中，并搅拌10分钟使其混合均匀；

(4)在步骤(3)的混合物料中加入配比份量的发泡剂，继续搅拌10秒钟后将混合物料浇注在安置好的模具中，形成初坯；

(5)将初坯放入35℃的恒温室中恒温2-4小时，保持恒温室内湿度为120％；

(6)将恒温处理后的初坯按照产品生产需求切割为相应形状的坯料；

(7)将切割好的坯料放入养护室内养护至28天，保持养护室内湿度为 120％，获得建材成品。

本发明的特点在于，在不采用施压和高温蒸汽压法的情况下，以水泥为基材，结合合适的添加石粉(如粉煤灰、煤矸石、贫瘠的石灰土粉、火山灰、矿石粉和大理石粉，以及农村农作物秸秆等)，特地斟酌不同材料的物理化学性能，在加入适当的无机纳米材料和适当的添加剂的同时，使用硬水和溶胶凝胶的纳米成孔技术相结合，将这些材料以三维网络的化学键桥构架起来，一步到位地在常温下形成独特的高孔隙率高抗压强度的建材产品，具有多孔、A级防火、无机无毒、保温等优点。

本发明所制得的产品的主要技术指标为：

①产品耐高温达1100℃以上，耐寒达-200℃；②表观体积密度达到 180～800Kg/m³，闭孔率达到60～95％；③导热系数W/(M·K)在0.042到0.18 之间，抗压强度(Mpa)在1Mpa～10Mp之间；④吸音能力是普通水泥的5-8倍，隔音效果达到50dB以上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的工艺生产过程以水为溶剂，无机材料为主体，在室温下操作，无任何有害物质释放，安全可靠，所制得的产品材料在空气中稳定，不需任何特殊处理保存，方便管理保存，并且可以选择性地根据不同模具制备出不同最终形态的建材产品，如外墙保温板、保温多孔砌砖、保温门窗护块、轻质隔墙隔音板等，还可以基于三维浇筑打印技术一步施工到位制成节能隔热瓦设备、轻质保温水泥储存室和水泥房等，调节灵活，产品多样化，应用性广，在环保节能保温建材领域具有广泛的应用前景，适合推广应用。

(2)本发明将适当的纳米材料加入，结合溶胶凝胶纳米成孔技术，确保在溶胶凝胶反应过程中产生的二氧化硅是纳米级粒子，并且与其他纳米粒子之间能均匀分散并产生三维化学键合形成微孔和纳米孔，形成更高质量的纳米多孔材料，有效克服了以往技术生产的多孔轻质泡泡水泥砖产品的易龟裂问题。现有的研究表明，产品在养护过程或干燥使用过程中易龟裂的根本原因是材料体系内部微观结构不均而产生内应力不均所致，主要是1)或不使用纳米材料而成孔不均，材料各组分简单堆积而物理成孔，多相微观结构分离；2)或因即使使用纳米材料而材料彼此无化学键结合，体系分散不均，纳米材料在混合体系中严重絮凝团聚现象，仍然导致材料微观结构上材料简单堆积而多相分离，从而产生内应力不均而易龟裂。

(3)本发明巧妙采用了硬水作为原料之一，使硬水与纳米材料及纳米成孔技术的高度统一并在一步生产过程完美结合，从而增强了制得的产品建材的强度。硬水主要由碳酸氢钙和碳酸氢镁等成分组成，直接用它替代普通水源，能在初凝时与水玻璃反应，在整个体系中产生纳米碳酸盐颗粒、硅酸钙硅酸镁纳米粒子等并均匀分散形成纳米结构网络，并同时释放微量水和二氧化碳有利于材料内部自养护，在自身维护适当的湿度的情况下，二氧化碳的慢慢释放，既有利于形成高孔隙闭孔，又能自行被体系吸收而形成强度高的碳酸盐并均匀化学键合于整个无机纳米三维网格之间，从而减低材料的导热系数，增强材料的强度而不龟裂。优化后的产品可以达到高温烧结或二氧化碳99％高纯度的养护、或高温蒸气压的所生产的产品的性能。

(4)本发明在材料的选用上可充分利用当地资源，尤其是废沙废灰变废为宝，以四川隆昌为例，本地青石加工后产生的青石粉就是上好的原料。

(5)本发明通过溶胶凝胶纳米成孔技术和纳米材料的使用，构建了均匀的有相对弹性的材料内部的三维结构网络，分散了应力，增加了变形能力，从而克服了目前市场上多孔泡泡水泥砖易裂的技术问题，增强了材料的抗压强度，提高了保温效果和使用持久性，以及改善材料的隔音、耐热和耐寒性等。所得的多孔建材防火达A级，可防水不吸潮，寿命与建筑物同期，还可以与其他无机纳米涂料结合使用，制成保温一体面板、面砖、和面墙等，还可以制备出仿金属、仿石材、仿木材、仿大理石等图案，具有很好的装饰效果，适应市场需求。

(6)本发明的材料不含有毒物质，在生产、安装、和使用过程中也不释放有毒物质，确保环保的健康居住环境及操作工人的无尘无毒的绿色工作环境，保障生产工人及使用者的健康安全。

(7)本发明的建材可以进一步制成各种多样化的产品，并且可以与最新的自动化湿切技术以及浇筑三维打印技术相结合，适应市场化的多元发展，并可根据建筑材料市场环境相应调节，具有巨大的经济效应和强大的产品可调性，保证产品的永久生命力。并在进一步的工艺创新改进中可以采用自动化设备完成建材产品的一条龙整体化生产，提高生产效率，更重要的是本发明的工艺及产品完全避免了传统建材生产中大量烧煤的弊端，实现了与世界先进水平同步的节能减排低碳环保生产新兴绿色化学工艺，经济效益和社会效益巨大。

(8)本发明的配方中还结合光催化氧化剂等试剂的使用，使建材产品具有自洁防霉消毒功能，能够经受风吹雨淋寒冬暴晒等恶劣气候天气。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

该高强度轻质无机节能保温建材，由如下重量份的原料制成：

水泥200份、石粉60份、粉煤灰40份、硅灰20份、纤维12份、纳米材料5份、水玻璃10份、硬水50份、水75份、发泡剂10份，辅助添加剂为甲酸钙、甲基纤维素、硬脂酸钙、二氧化钛、减水剂和季铵盐共5份。

制备过程为：按原料配比份量取相应份量的35℃的水，加入相应份量的硬水、辅助添加剂、水玻璃、纳米粉料混合，搅拌5分钟制得纳米浆料；按原料配比份量取相应份量的水泥、石粉、粉煤灰、硅灰、纤维混合，搅拌5分钟制得干粉物料；将制得的干粉物料加入到前步制得的纳米浆料中，并搅拌10分钟使其混合均匀；在混合物料中加入配比份量的发泡剂，继续搅拌10秒钟后将混合物料浇注在安置好的模具中，形成初坯；将初坯放入35℃的恒温室中恒温3 小时，保持恒温室内湿度为120％；将恒温处理后的初坯按照产品生产需求切割为相应形状的坯料；将切割好的坯料放入养护室内养护至28天，保持养护室内湿度为120％，获得建材成品。

对该建材成品进行检测，测得干密度：695Kg/m³；抗压强度：7.9MPa；导热系数：0.17W/(M·K)。

实施例2

该高强度轻质无机节能保温建材，由如下重量份的原料制成：

水泥150份、石粉30份、粉煤灰30份、硅灰25份、纤维9份、纳米材料 4份、水玻璃8份、硬水65份、水50份、发泡剂10份，辅助添加剂为甲酸钙、甲基纤维素、硬脂酸钙、二氧化钛、减水剂和季铵盐共6份。

其制备过程与实施例1相同。

对制得的建材产品进行检测，测得干密度：489Kg/m³；抗压强度4.1MPa；导热系数：0.12W/(M·K)。

实施例3

该高强度轻质无机节能保温建材，由如下重量份的原料制成：

水泥110份、粉煤灰20份、硅灰10份、纤维7份、纳米材料4份、水玻璃、硬水10份、水45份、发泡剂10份，辅助添加剂为甲酸钙、甲基纤维素、硬脂酸钙、二氧化钛、减水剂和季铵盐共6份。

其制备过程与实施例1相同。

对制得的建材产品进行检测，测得干密度：240Kg/m³；抗压强度：1.2MPa；导热系数：0.065W/(M·K)。

由上述实施例制得的建材产品检测结果所知，本发明可通过各原料配比份量的调节来改变制得的建材产品密度，从而获得不同强度的产品，且产品能够达到现有技术无法达到的强度水平(现有技术中这类建材产品抗压强度均小于4 MPa)，同时所制得的不同密度的建材产品的保温性能均非常好。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强度轻质无机节能保温建材，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：

水泥100～250份，石粉20～70份，粉煤灰10～50份，硅灰10～30份，纤维6～15份，纳米粉料2～6份，水玻璃6～20份，硬水10～70份，水40～90份，发泡剂8～15份。

2.根据权利要求1所述的一种高强度轻质无机节能保温建材，其特征在于，所述硬水硬度为5～14GPG。

3.根据权利要求1所述的一种高强度轻质无机节能保温建材，其特征在于，所述纳米粉料为纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝、纳米氧化镁、纳米氧化铁、纳米石膏粉、纳米二氧化钛中至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种高强度轻质无机节能保温建材，其特征在于，所述发泡剂为松香、硬脂酸类、胶原蛋白、双氧水、小苏打中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种高强度轻质无机节能保温建材，其特征在于，其原料还包括适量辅助添加剂。

6.根据权利要求5所述的一种高强度轻质无机节能保温建材，其特征在于，所述辅助添加剂为1～2重量份的增强剂、1～2重量份的分散剂、1～6重量份的稳泡剂、1～2重量份的减水剂、1～3重量份的防霉剂、1～2重量份的无机光催化剂中至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种高强度轻质无机节能保温建材，其特征在于，所述纤维为聚合物纤维、无机玻纤、碳纤维、农作物秸秆纤维、竹纤维中至少一种，所述纤维长度为2～6mm。

8.如权利要求1～7任一项所述的一种高强度轻质无机节能保温建材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按原料配比份量取相应份量的35℃的水，加入相应份量的硬水、辅助添加剂、水玻璃、纳米粉料混合，搅拌5分钟制得纳米浆料；

(2)按原料配比份量取相应份量的水泥、石粉、粉煤灰、硅灰、纤维混合，搅拌5分钟制得干粉物料；

(3)将步骤(2)制得的干粉物料加入到步骤(1)制得的纳米浆料中，并搅拌10分钟使其混合均匀；

(4)在步骤(3)的混合物料中加入配比份量的发泡剂，继续搅拌10秒钟后将混合物料浇注在安置好的模具中，形成初坯；

(5)将初坯放入35℃的恒温室中恒温2-4小时，保持恒温室内湿度为120％；

(6)将恒温处理后的初坯按照产品生产需求切割为相应形状的坯料；

(7)将切割好的坯料放入养护室内养护至28天，保持养护室内湿度为120％，获得建材成品。