CN110054467B - 高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了凝灰浆及其制备方法，所述凝灰浆包括凝灰岩粉末、氢氧化钠、粉煤灰、硅灰和白泥纤维制成。本发明还公开了高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块及其制备方法。本发明制备操作过程简单，设备要求低，可直接商业化推广。本发明拓展了凝灰岩应用途径，制备的凝灰岩基发泡水泥保温材料28天强度可达13.49MPa，导热系数为0.0245W/(m•K)。本发明为利用凝灰岩制备高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块提供了一种新思路。

Description

高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块及其制备方法
技术领域
本发明属于低值矿物资源加工领域，具体涉及高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块及其制备方法。
背景技术
当前，我国住宅建筑能耗占了全国总能耗的三分之一左右，而采暖和空调能耗占到20％。推广节能建筑材料不仅能节约能源，缓解我国能源严峻形式，也可以改善大气污染状况。目前我国相继出台了一系列规范节能减排和推进建筑节能改造的国家标准及指导性意见。建筑及各类设备的保温隔热是节约能源的一个重要方面。保温隔热材料的研发及推广是实现建筑节能目标的物质基础。保温材料分为有机保温材料和无机保温材料两类。有机保温隔热材料应用较为广泛，但其存在耐热差、易燃烧、燃烧时毒害性大、保温层易空鼓脱落等缺点。与有机保温隔热材料不同，无机保温材料的保温性能与安全性能间的矛盾不明显。发泡水泥保温隔热材料属于无机保温材料，具有密度小、热系数较低且保温隔热性能突出等优点。发泡水泥砌块可使用矿渣粉、粉煤灰、凝灰岩等工业废弃物作为主要原材料进行制作。目前以凝灰岩为主要原料的制备轻质高强发泡材料工艺较为复杂，涉及到预热阶段、发泡阶段、冷却退火阶段等多阶段高温加热步骤，不仅能耗高，且易在焚烧过程中产生污染性气体。同时，制备过程中凝灰岩最大掺量少，其他掺料比例高，制备的试件密度大，而抗压强度低。因此，研发常温中温条件下制备凝灰岩基水泥发泡保温材料，改善工艺制备条件，进一步降低试件密度，进一步提高试件强度是解决以凝灰岩为主要原料制备高强度发泡材料中相关问题的关键。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的第一个技术问题是提供了一种凝灰浆及其制备方法。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供了高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块及其制备方法。
技术方案：为达上述目的，本发明采取了如下的技术方案：一种凝灰浆，所述凝灰浆包括凝灰岩粉末、氢氧化钠、粉煤灰、硅灰和白泥纤维制成。
其中，所述凝灰浆按重量份数包括以下组分制成：凝灰岩粉末100份、氢氧化钠2～8份、脱硫石膏1.5～5.5份、粉煤灰4.6～10.4份、硅灰4.6～10.4份、白泥纤维4.6～10.4份。
其中，作为优选，所述凝灰浆按重量份数包括以下组分制成：凝灰岩粉末100份、氢氧化钠2.5～7.5份、脱硫石膏2～5份、粉煤灰5～10份、硅灰5～10份、白泥纤维8～10份。
本发明内容还包括高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块，所述高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块包括权利要求1或2所述的凝灰浆和发泡剂制成。
其中，所述高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块按重量份数包括以下组分制成：所述高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块按重量份数包括以下组分制成：凝灰岩粉末100份、氢氧化钠2～8份、脱硫石膏1.5～5.5份、粉煤灰4.6～10.4份、硅灰4.6～10.4份、白泥纤维4.6～10.4份、发泡剂2～5份。
其中，作为优选，所述高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块按重量份数包括以下组分制成：凝灰岩粉末100份、氢氧化钠2.5～7.5份、脱硫石膏2～5份、粉煤灰5～10份、硅灰5～10份、白泥纤维8～10份、发泡剂2～5份。
其中，所述发泡剂为茶皂素发泡剂。
本发明内容还包括所述的凝灰浆的制备方法，包括以下步骤：
1)称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，加水搅拌使其充分溶解，烘干得碱活化凝灰岩；
2)称取碱活化凝灰岩与脱硫石膏，混合，充分研磨，得活性凝灰岩粉末；
3)称取活性凝灰岩粉末、粉煤灰、硅灰、白泥纤维，混合，加适量水搅拌，得凝灰浆。
其中，所述步骤3)的固液比为1∶0.45～0.65。
本发明内容还包括所述的高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块的制备方法，包括以下步骤：
a)称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，加水搅拌使其充分溶解，烘干得碱活化凝灰岩；
b)称取碱活化凝灰岩与脱硫石膏，混合，充分研磨，得活性凝灰岩粉末；
c)称取活性凝灰岩粉末、粉煤灰、硅灰、白泥纤维，混合，加适量水搅拌，得凝灰浆；
d)将发泡剂溶于水中，搅拌至完全溶解，得发泡剂溶液，将发泡剂溶液与凝灰浆混合，搅拌均匀，浆体静置发泡，入模，终凝成型后脱模，养护后得凝灰岩基发泡水泥保温试块。
其中，所述步骤c)的固液比(质量比)为1∶0.45～0.65。
其中，所述步骤d)的发泡剂与水的重量比为1∶1。
本发明的凝灰岩属于地质聚合材料，硅铝含量较高，且硅、铝、钙分布不平衡。通过氢氧化钠添加，可以通过碱激发作用，促进凝灰岩中硅、铝元素的溶解。加入适量脱硫石膏，不仅可以通过酸碱中和方式一定程度上缓解凝灰岩固化试件在固化过程中的泛碱现象，也可以补充钙源，诱发早期水化反应及地质聚合反应。按照一定比例添加粉煤灰、硅灰、白泥纤维，可以平衡硅、铝、钙分布情况，进一步强化水化反应和诱导地质聚合反应过程，使得凝灰岩材料固化过程中形成更紧密的三维空间结构。同时白泥纤维的添加可以实现纤维体与凝灰岩胶凝材料的融合，促进纤维体向三维空间结构沿伸，从而显著提高胶凝材料强度，并对应降低发泡试件块的导热系数。茶皂素发泡剂溶液与凝灰浆混合，通构建微观有机-无机框架途径，使得气泡在凝灰岩基水泥材料中分布更加均匀，这有利于通过微泡隔热机制进一步降低发泡试件块的导热系数。
有益效果：本发明制备操作过程简单，设备要求低，可直接商业化推广。本发明拓展了凝灰岩应用途径，制备的凝灰岩基发泡水泥保温材料28天强度可达13.49MPa，导热系数为0.0245W/(m·K)。本发明为利用凝灰岩制备高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块提供了一种新思路。
附图说明
图1为高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块制备流程图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
如图1所示，为高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块制备流程图。
实施例1氢氧化钠投加份数对凝灰岩基发泡水泥保温试块矿抗压强度和导热系数的影响
凝灰岩基发泡水泥保温试块制备：所述高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块按重量份数包括凝灰岩粉末100份、氢氧化钠2.0份、2.2份、2.4份、2.5份、5份、7.5份、7.6份、7.8份、8份、脱硫石膏2份、粉煤灰5份、硅灰5份、白泥纤维8份、发泡剂2份组分制成。其中，所述发泡剂为茶皂素发泡剂。高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块的制备方法，包括以下步骤：1)称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，加水搅拌使其充分溶解，烘干得碱活化凝灰岩；2)称取碱活化凝灰岩与脱硫石膏，混合，充分研磨，得活性凝灰岩粉末；3)称取活性凝灰岩粉末、粉煤灰、硅灰、白泥纤维，混合，加适量水搅拌，得凝灰浆，步骤3)的固液比为1∶0.45；4)将发泡剂溶于水中，发泡剂与水的重量比为1∶1，搅拌至完全溶解，得发泡剂溶液，将发泡剂溶液与凝灰浆混合，搅拌均匀，浆体静置发泡，入模，终凝成型后脱模，养护后得凝灰岩基发泡水泥保温试块。
抗压强度测试：将凝灰岩基发泡水泥保温试块切样，试件尺寸为40mm×40mm×40mm，按照轻质隔热混凝土抗压强度的标准试验方法(ASTM C495-2007，Standard TestMethod for Compressive Strength of Lightweight Insulating Concrete)对切块试件进行强度测试。
导热系数测试：将凝灰岩基发泡水泥保温试块切样，试件尺寸为200mm×200mm×50mm，按照《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GBT11969-2008)对试块进行导热系数测试。检测结果见表1。
表1氢氧化钠投加份数对凝灰岩基发泡水泥保温试块矿抗压强度和导热系数的影响
氢氧化钠投加份数 抗压强度(MPa) 导热系数(W.m<sup>-1</sup>.K<sup>-1</sup>)
2.0份 2.04 0.1206
2.2份 5.23 0.0917
2.4份 6.37 0.0652
2.5份 9.32 0.0412
5份 10.76 0.0357
7.5份 10.82 0.0341
7.6份 10.84 0.0337
7.8份 10.91 0.0332
8份 10.92 0.0331
由表1可看出，当氢氧化钠投加份数低于2.5份时(如表1中，氢氧化钠投加份数＝2.4份、2.2份、2.0份以及表1中未列举的更低比值)，由于氢氧化钠添加较少，碱激发作用较弱，凝灰岩中硅、铝元素溶解少，早期水化反应诱发不足，使得凝灰岩基发泡水泥保温试块抗压强度均低于6.5MPa，对应导热系数高于0.065W.m-1.K-1；当氢氧化钠投加份数为2.5～7.5份时，碱激发作用充分，凝灰岩中硅、铝元素溶解较多，早期水化反应及地质聚合反应诱发充足，使得凝灰岩基发泡水泥保温试块抗压强度在9～11MPa之间，对应导热系数在0.034～0.042W·m-1·K-1之间；当氢氧化钠投加份数高于7.5份时(如表1中，氢氧化钠投加份数＝7.6份、7.8份、8.0份以及表1中未列举的更高比值)，氢氧化钠添加过量，早期水化反应及地质聚合反应诱发充足，但是凝灰岩基发泡水泥保温试块矿抗压强度和导热系数随着氢氧化钠添加量的进一步增加变化不显著。因此，综合而言，结合效益与成本，氢氧化钠投加份数为2.5～7.5份时，最有利于获得高性能凝灰岩基发泡水泥保温试块。
实施例2脱硫石膏投加份数对凝灰岩基发泡水泥保温试块矿抗压强度和导热系数的影响
凝灰岩基发泡水泥保温试块制备：所述高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块按重量份数包括凝灰岩粉末100份、氢氧化钠7.5份、脱硫石膏1.5份、1.7份、1.9份、2份、3.5份、5份、5.1份、5.3份、5.5份、粉煤灰7.5份、硅灰7.5份、白泥纤维9份、发泡剂3.5份组分制成。其中，所述发泡剂为茶皂素发泡剂。高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块的制备方法，包括以下步骤：1)称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，加水搅拌使其充分溶解，烘干得碱活化凝灰岩；2)称取碱活化凝灰岩与脱硫石膏，混合，充分研磨，得活性凝灰岩粉末；3)称取活性凝灰岩粉末、粉煤灰、硅灰、白泥纤维，混合，加适量水搅拌，得凝灰浆；步骤3)的固液比为1∶0.55；4)将发泡剂溶于水中，发泡剂与水的重量比为1∶1，将发泡剂溶液与凝灰浆混合，搅拌均匀，浆体静置发泡，入模，终凝成型后脱模，养护后得凝灰岩基发泡水泥保温试块。
抗压强度测试与导热系数测试同实施例1。检测结果见表2。
表2脱硫石膏投加份数对凝灰岩基发泡水泥保温试块矿抗压强度和导热系数的影响
Figure GDA0002101219940000051
Figure GDA0002101219940000061
由表2可看出，当脱硫石膏投加份数低于2份时(如表2中，脱硫石膏投加份数＝1.9份、1.7份、1.5份以及表2中未列举的更低比值)，脱硫石膏添加量较少，对应钙源补充较少，早期水化反应及地质聚合反应诱发不足，导致凝灰岩基发泡水泥保温试块抗压强度均低于10MPa，对应导热系数高于0.040W·m-1·K-1；当脱硫石膏投加份数为2～5份时，脱硫石膏添加适量，其可以通过酸碱中和方式一定程度上缓解凝灰岩固化试件在固化过程中的泛碱现象，也可以补充钙源，充分诱发早期水化反应及地质聚合反应。因此对应凝灰岩基发泡水泥保温试块抗压强度在10～12MPa之间，对应导热系数在0.031～0.034W·m-1·K-1之间；当脱硫石膏投加份数高于5份时(如表2中，脱硫石膏投加份数＝5.1份、5.3份、5.5份以及表2中未列举的更高比值)，脱硫石膏添加过量，浆体酸碱失衡，碱激发作用受到抑制，导致凝灰岩基发泡水泥保温试块的性能随着脱硫石膏的进一步增加而下降。因此，综合而言，结合效益与成本，脱硫石膏与碱活化凝灰岩质量百分比为2％～5％时，最有利于获得高性能凝灰岩基发泡水泥保温试块。
实施例3
粉煤灰、硅灰、白泥纤维投加份数对凝灰岩基发泡水泥保温试块矿抗压强度和导热系数的影响
凝灰岩基发泡水泥保温试块制备：所述高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块按重量份数包括凝灰岩粉末100份、氢氧化钠7.5份、脱硫石膏5份、粉煤灰4.6份、4.8份、5份、7.5份、10份、10.2份、10.4份、硅灰4.6份、4.8份、5份、7.5份、10份、10.2份、10.4份、白泥纤维7.6份、7.8份、8份、9份、10份、10.2份、10.4份、发泡剂5份组分制成。其中，所述发泡剂为茶皂素发泡剂。高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块的制备方法，包括以下步骤：1)称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，加水搅拌使其充分溶解，烘干得碱活化凝灰岩；2)称取碱活化凝灰岩与脱硫石膏，混合，充分研磨，得活性凝灰岩粉末；3)称取活性凝灰岩粉末、粉煤灰、硅灰、白泥纤维，混合，加适量水搅拌，得凝灰浆；步骤3)的固液比为1∶0.65；4)将发泡剂溶于水中，发泡剂与水的重量比为1∶1，将发泡剂溶液与凝灰浆混合，搅拌均匀，浆体静置发泡，入模，终凝成型后脱模，养护后得凝灰岩基发泡水泥保温试块。
抗压强度测试与导热系数测试同实施例1。检测结果见表3。
表3粉煤灰、硅灰、白泥纤维投加份数对凝灰岩基发泡水泥保温试块矿抗压强度和导热系数的影响
Figure GDA0002101219940000071
Figure GDA0002101219940000081
由表3可看出，当粉煤灰投加份数低于5份或硅灰投加份数低于5份或白泥纤维投加份数比低于8份时(如表3中，粉煤灰投加份数等＝4.6份、4.8份，硅灰灰投加份数等＝4.6份、4.8份，白泥纤维投加份数＝7.6份、7.8份，以及表3中未列举的更低比值)，由于粉煤灰、硅灰、白泥纤维添加量偏少，硅、铝、钙分布不平衡，水化反应和地质聚合反应诱导强化不足，凝灰岩材料固化过程中形成的三维空间结构较为松散，纤维体与凝灰岩胶凝材料的融合不充分，导致凝灰岩基发泡水泥保温试块抗压强度均低于11MPa，对应导热系数高于0.037W·m-1·K-1；当粉煤灰投加份数为5～10份且硅灰投加份数为5～10份且白泥纤维投加份数为8～10份时，硅、铝、钙分布平衡，水化反应和地质聚合反应进一步强化，凝灰岩材料固化过程中形成更紧密的三维空间结构，纤维体向三维空间结构有效沿伸，因此对应凝灰岩基发泡水泥保温试块抗压强度在11-14MPa之间，对应导热系数在0.024～0.032W·m-1·K-1之间；当粉煤灰投加份数高于10份或硅灰投加份数高于10份或白泥纤维投加份数比高于10份时(如表3中，粉煤灰投加份数等＝10.2份、10.4份，硅灰灰投加份数等＝10.2份、10.4份，白泥纤维投加份数＝10.2份、10.4份，以及表3中未列举的更高比值)，凝灰岩材料固化过程中形成紧密的三维空间结构，纤维体向三维空间结构充分沿伸，但是凝灰岩基发泡水泥保温试块矿抗压强度和导热系数随着活性凝灰岩粉末、粉煤灰、硅灰、白泥纤维质量比的进一步增加变化不显著。因此，综合而言，结合效益与成本，当粉煤灰投加份数为5～10份且硅灰投加份数为5～10份且白泥纤维投加份数为8～10份时，最有利于获得高性能凝灰岩基发泡水泥保温试块。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块，其特征在于，所述高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块按重量份数包括以下组分制成：凝灰岩粉末100份、氢氧化钠2～8份、脱硫石膏1.5～5.5份、粉煤灰4.6～10.4份、硅灰4.6～10.4份、白泥纤维4.6～10.4份、茶皂素发泡剂2～5份；所述高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块的制备方法，包括以下步骤：
a）称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，加水搅拌使其充分溶解，烘干得碱活化凝灰岩；
b）称取碱活化凝灰岩与脱硫石膏，混合，充分研磨，得活性凝灰岩粉末；
c）称取活性凝灰岩粉末、粉煤灰、硅灰、白泥纤维，混合，加适量水搅拌，得凝灰浆；
d）将发泡剂溶于水中，搅拌至完全溶解，得发泡剂溶液，将发泡剂溶液与凝灰浆混合，搅拌均匀，浆体静置发泡，入模，终凝成型后脱模，养护后得凝灰岩基发泡水泥保温试块。
2.根据权利要求1所述的高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块，其特征在于，所述高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块按重量份数包括以下组分制成：凝灰岩粉末100份、氢氧化钠2.5～7.5份、脱硫石膏2～5份、粉煤灰5～10份、硅灰5～10份、白泥纤维8～10份、茶皂素发泡剂2～5份。
3.权利要求1~2任一项所述的高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，加水搅拌使其充分溶解，烘干得碱活化凝灰岩；
b）称取碱活化凝灰岩与脱硫石膏，混合，充分研磨，得活性凝灰岩粉末；
c）称取活性凝灰岩粉末、粉煤灰、硅灰、白泥纤维，混合，加适量水搅拌，得凝灰浆；
d）将发泡剂溶于水中，搅拌至完全溶解，得发泡剂溶液，将发泡剂溶液与凝灰浆混合，搅拌均匀，浆体静置发泡，入模，终凝成型后脱模，养护后得凝灰岩基发泡水泥保温试块。
4.根据权利要求3所述的高强度凝灰岩基发泡水泥保温试块的制备方法，其特征在于，所述步骤c）的固液比为1:0.45~0.65。
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