CN110510974A - 一种高效气凝胶固废混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效气凝胶固废混凝土及其制备方法，属于建筑领域，包括如下重量份的原料：钢渣微粉100～200份、矿渣微粉60～180份、脱硫石膏50～150份、气凝胶20～40份、发泡剂10～30份、纤维2～12份、减水剂2～8份、早强剂2～8份和抗裂剂1～5份。本发明的高效气凝胶固废混凝土具有导热系数低、表观密度小、抗压强度高、A级不燃、抗裂性强、施工简便、造价低、环保无毒等综合优点，尤其适用于装配式建筑外围护结构保温系统中。

Description

一种高效气凝胶固废混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑领域，特别是涉及一种高效气凝胶固废混凝土及其制备方法。
背景技术
当前，建筑能耗成为我国能源消耗中重要组成部分，约占全社会总能耗的1/3。实现建筑节能、降低能耗已成为我国亟需解决的任务。在建筑系统中，外围护结构是影响建筑节能的关键之一，而使用新型建筑材料来降低能耗是实现节能降耗的重要途径。
目前我国建筑体系的窗户系统和墙体保温系统存在诸多问题：窗户玻璃存在传热系数高的问题，是主要的耗能构件，目前我国典型的建筑围护结构中有四到五成(40％～50％)能量是通过门窗玻璃消耗的；常用墙体保温材料则存在导热系数高、强度较低、耐火耐候性差和吸水率高等问题。
固废无害化处理和资源化应用的研究从建国开始就已经开展了，经过几十年的摸索和发展，出路最终转向建材工业，尤其是水泥和混凝土行业，成为其彻底的资源化循环利用的节点产业。所谓固废混凝土就是采用钢渣、矿渣、尾矿、粉煤灰、脱硫石膏等工业固废为原料代替传统的硅酸盐水泥，再加入其它外加剂，经水拌和、养护后形成的混凝土。固废混凝土一来使我国每年产生的大量工业固废得以充分利用，变废为宝，且绿色环保，不产生有害气体；二来由于固废来源广，价格低廉，因此可以降低造价，经济性得以提高。但单纯的固废混凝土仍存在导热系数较高、强度较低、耐久性较差、防水性能较差等缺点，因此开发出一种具有导热系数低、强度高、防水防火性能好、耐候性强的高效、高性价比的混凝土材料成为当下建筑行业迫切的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有导热系数低、强度高、防水防火性能好、耐候性强的高效、高性价比的混凝土材料高效气凝胶固废混凝土及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种高效气凝胶固废混凝土，包括如下重量份的原料：钢渣微粉100～200份、矿渣微粉60～180份、脱硫石膏50～150份、气凝胶20～40份、发泡剂10～30份、纤维2～12份、减水剂2～8份、早强剂 2～8份和抗裂剂1～5份。还包括水500～1500份，通过加入水进行浆料制备并获得所述高效气凝胶固废混凝土。优选地，所述钢渣微粉比表面不低于 400kg/m2，粒级分布10～30μm。优选地，所述矿渣微粉的颗粒粒度分布为 3～30μm。优选地，所述脱硫石膏为一级脱硫石膏，二水硫酸钙含量>95％。优选地，所述气凝胶为疏水型SiO2气凝胶，颗粒状，粒径0.1～2.0mm。
本发明以钢渣微粉、矿渣微粉和脱硫石膏等固废材料作为胶凝材料使用，通过辅以气凝胶这一材料，使得到的气凝胶固废混凝土具有保温隔热性能优异、力学性能好、A级不燃、耐候性好、造价低、吸湿率低等优点，在外围护结构的节能减耗方面有着巨大的应用前景。
本发明的发明人还发现，各物质加料顺序也有一定的讲究，尤其是气凝胶的加入顺序也有一定的要求，一方面气凝胶其密度太低，若在第一步就先预混很容易飞溅漂出，造成原料的浪费，再者由于其力学强度低，容易破碎，搅拌速度也不宜过大，而且加入的时机不合适，会导致过程不易控制，产品均一性欠佳。
气凝胶(AG)是一种具有纳米多孔结构的新型材料，由90％以上的空气和不足10％的固体组成，孔隙率高达80％～99.8％，具有极大的比表面和极低的导热系数(室温导热系数可达0.013W/(m·K))。AG按成分不同可分为二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶、碳气凝胶等。本发明中如不特别说明，所述气凝胶均指二氧化硅气凝胶(SiO2气凝胶)。本发明通过偶联剂对气凝胶进行改性，使用少量的气凝胶就可以使获得的聚苯保温板具有优异的性能。气凝胶材料是一种新型的建筑节能材料，具有导热系数低、防火性能好、耐候性强、吸湿率低等优点，可以作为玻璃填充材料和墙体保温材料应用到建筑中，从而达到建筑节能降耗的目的，因此具有广阔的应用前景。
进一步地，钢渣微粉150～200份、矿渣微粉60～100份、脱硫石膏100～150 份、气凝胶30～40份、发泡剂10～30份、纤维5～12份、减水剂3～6份、早强剂2～8份和抗裂剂1～5份。
进一步地，所述发泡剂为阴离子表面活性剂、动物蛋白类发泡剂或植物蛋白类发泡剂的至少一种。
进一步地，所述纤维为聚丙烯纤维，长度为3～12mm。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂。
进一步地，所述早强剂为三乙醇胺。
进一步地，所述抗裂剂为羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
另一方面，提供一种所述的高效气凝胶固废混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)按配比将钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏、早强剂、减水剂、抗裂剂在搅拌釜内预混合搅拌均匀；
2)按配比取发泡剂后，按稀释比1:40～60加水稀释形成发泡液，预制泡沫备用；
3)按水灰比0.3～0.6往步骤1)混合好的干料中加水并不断搅拌，控制时间，然后加入预制泡沫，再缓缓加入气凝胶，降低搅拌速度(主要是为了防止颗粒飞溅和破裂)，最后充分混合搅拌。
4)将上步得到的浆料注模，采用常温养护，脱模，得到最终固废混凝土产品。
进一步地，所述步骤3)中加水搅拌的时间为30～60s；充分混合搅拌的时间为30～60s。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明的高效气凝胶固废混凝土，制作流程简单可靠，尺寸可控，容重小，保温效果突出，且强度高，耐火、耐候性好，防水性能优异，尤其是采用来源广泛、价格低廉的工业固废为原料，使得固废得以资源化利用，变废为宝，绿色环保，且加入少许SiO2气凝胶，和传统的泡沫混凝土(导热系数在0.080W/(m·K)以上)相比，导热系数可降至0.050W/(m·K)甚至以下。本发明的高效气凝胶固废混凝土具有导热系数低、表观密度小、抗压强度高、A级不燃、抗裂性强、施工简便、造价低、环保无毒等综合优点，尤其适用于装配式建筑外围护结构保温系统中。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于下述实施例，任何在本发明的启示下得出的与本发明相同或相近似的产品，均在保护范围之内(注：实施例中各原料的配比均为重量份数)。
实施例1
通过以下配方制备高效气凝胶固废混凝土产品1：
钢渣微粉100份、矿渣微粉180份、脱硫石膏50份、气凝胶20份、发泡剂10份、纤维2份、减水剂8份、早强剂2份、抗裂剂1份和水500 份。
实施例2
通过以下配方制备高效气凝胶固废混凝土产品2：
钢渣微粉100份、矿渣微粉60份、脱硫石膏150份、气凝胶40份、发泡剂30份、纤维12份、减水剂2份、早强剂8份、抗裂剂5份和水1500 份。
实施例3
通过以下配方制备高效气凝胶固废混凝土产品3：
钢渣微粉150份、矿渣微粉100份、脱硫石膏100份、气凝胶30份、发泡剂11份、纤维5份、减水剂6份、早强剂6份、抗裂剂1份和水1000 份。
实施例4
通过以下配方制备高效气凝胶固废混凝土产品4：
钢渣微粉180份、矿渣微粉90份、脱硫石膏110份、气凝胶35份、发泡剂15份、纤维12份、减水剂3份、早强剂2份、抗裂剂2份和水1000 份。
实施例5
通过以下配方制备高效气凝胶固废混凝土产品5：
钢渣微粉170份、矿渣微粉80份、脱硫石膏130份、气凝胶38份、发泡剂20份、纤维10份、减水剂5份、早强剂6份、抗裂剂2份和水1000 份。
将上述实施例1～5中的原料配方按照如下方法进行混合制备高效气凝胶固废混凝土1～5，具体为：
1)按配比将钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏、早强剂、减水剂、抗裂剂在搅拌釜内预混合搅拌均匀；
2)按配比取发泡剂后，按稀释比1:40～60加水稀释形成发泡液，预制泡沫备用；
3)按水灰比0.3～0.6往步骤1)混合好的干料中加水并不断搅拌，控制时间30～60s，然后加入预制泡沫，再缓缓加入气凝胶，降低搅拌速度(主要是为了防止颗粒飞溅和破裂)，最后充分混合搅拌30～60s。
4)将上步得到的浆料注模，采用常温养护，脱模，得到最终固废混凝土产品。
上述实施例中，钢渣微粉比表面不低于400kg/m2，粒级分布10～30μm。
上述实施例中，矿渣微粉的颗粒粒度分布为3～30μm。
上述实施例中，脱硫石膏为一级脱硫石膏，二水硫酸钙含量>95％。
上述实施例中，所述气凝胶为疏水型SiO2气凝胶，颗粒状，粒径 0.1～2.0mm。
上述实施例中，使用的发泡剂为动物蛋白类发泡剂，在满足一定要求的情况下，也可以部分替换或全部替换为阴离子表面活性剂或植物蛋白类发泡剂。
上述实施例中，所述纤维为聚丙烯纤维，长度为3～12mm。
上述实施例中，所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂。
上述实施例中，所述早强剂为三乙醇胺。
上述实施例中，所述抗裂剂为羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
对比例1
通过以下配方制备固废混凝土产品6(在实施例5的基础上减少气凝胶)：
钢渣微粉170份、矿渣微粉80份、脱硫石膏130份、发泡剂20份、纤维10份、减水剂5份、早强剂6份、抗裂剂2份和水1000份。
通过以下方法制备固废混凝土产品6：
1)按配比将钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏、早强剂、减水剂、抗裂剂在搅拌釜内预混合搅拌均匀；
2)按配比取发泡剂后，按稀释比1:40～60加水稀释形成发泡液，预制泡沫备用；
3)按水灰比0.3～0.6往步骤1)混合好的干料中加水并不断搅拌，控制时间30～60s，然后加入预制泡沫，降低搅拌速度(主要是为了防止颗粒飞溅和破裂)，最后充分混合搅拌30～60s。
4)将上步得到的浆料注模，采用常温养护，脱模，得到最终固废混凝土产品。
对比例2
以实施例5的配方以下述方法制备固废混凝土产品7：
1)按配比将钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏、早强剂、减水剂、抗裂剂在搅拌釜内预混合搅拌均匀；
2)按配比取发泡剂后，按稀释比1:40～60加水稀释形成发泡液，预制泡沫备用；
3)按水灰比0.3～0.6往步骤1)混合好的干料中加水并不断搅拌，控制时间30～60s，然后加入气凝胶混合搅拌10～20s，再加入预制泡沫，最后充分混合搅拌30～60s。
4)将上步得到的浆料注模，采用常温养护，脱模，得到最终固废混凝土产品。
上述实施例和对比例(包括胶凝材料及制备方法)中的用量份数为重量份数优选以Kg(千克)计，也可以以g(克)或t(吨)计，只要保证混合均匀就能达到本发明的目的。
本发明的高效气凝胶固废混凝土的工作性能测试(参照JC/T 2357-2016标准)，对上述实施例1-5和对比例1、2所制的混凝土产品进行性能测试，结果如下表：
表1实施例1-5和对比例1、2所制的混凝土产品的性能测试结果
由表1可知，本发明的实施例1～5制备的高效气凝胶固废混凝土产品 1～5在保证一定强度的情况下，具有较低的导热系数和密度，燃烧等级达到 A级，具有较好的耐冻融性；而对比例1制备的产品6的特点为导热系数增大，容重和7d吸湿率有所增加，抗压强度和耐冻融性下降；对比例2制备的混凝土产品7的特点为导热系数有所增加，这主要是由于气凝胶搅拌时飞溅和破碎造成的。
本发明的高效气凝胶固废混凝土具有导热系数低、表观密度小、、抗压强度高、A级不燃、抗裂性强、施工简便、造价低、环保无毒等综合优点，尤其适用于装配式建筑外围护结构保温系统中。
综上所述，本发明的高效气凝胶固废混凝土，制作流程简单可靠，尺寸可控，容重小，保温效果突出，且强度高，耐火、耐候性好，防水性能优异，尤其是采用来源广泛、价格低廉的工业固废为原料，使得固废得以资源化利用，变废为宝，绿色环保，且加入少许SiO2气凝胶，和传统的泡沫混凝土(导热系数在0.080W/(m·K)以上)相比，导热系数可降至0.050W/(m·K)甚至以下，甚至低至0.038W/(m·K)。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高效气凝胶固废混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料：钢渣微粉100～200份、矿渣微粉60～180份、脱硫石膏50～150份、气凝胶20～40份、发泡剂10～30份、纤维2～12份、减水剂2～8份、早强剂2～8份和抗裂剂1～5份。
2.根据权利要求1所述的高效气凝胶固废混凝土，其特征在于，钢渣微粉150～200份、矿渣微粉60～100份、脱硫石膏100～150份、气凝胶30～40份、发泡剂10～30份、纤维5～12份、减水剂3～6份、早强剂2～8份和抗裂剂1～5份。
3.根据权利要求1或2所述的高效气凝胶固废混凝土，其特征在于，所述钢渣微粉比表面不低于400kg/m2，粒级分布10～30μm。
4.根据权利要求1至3任一所述的高效气凝胶固废混凝土，其特征在于，所述矿渣微粉的颗粒粒度分布为3～30μm。
5.根据权利要求1至4任一所述的高效气凝胶固废混凝土，其特征在于，所述脱硫石膏为一级脱硫石膏，二水硫酸钙含量>95％。
6.根据权利要求1至5任一所述的高效气凝胶固废混凝土，其特征在于，所述气凝胶为疏水型SiO2气凝胶，颗粒状，粒径0.1～2.0mm。
7.根据权利要求1至6任一所述的高效气凝胶固废混凝土，其特征在于，所述发泡剂为阴离子表面活性剂、动物蛋白类发泡剂或植物蛋白类发泡剂的至少一种；
和/或，所述纤维为聚丙烯纤维，长度为3～12mm；
和/或，所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂；
和/或，所述早强剂为三乙醇胺；
和/或，所述抗裂剂为羟丙基甲基纤维素。
8.根据权利要求1至7任一所述的高效气凝胶固废混凝土，其特征在于，还包括水500～1500份，通过加入水进行浆料制备并获得所述高效气凝胶固废混凝土。
9.一种权利要求1至8任一所述的高效气凝胶固废混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按配比将钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏、早强剂、减水剂、抗裂剂在搅拌釜内预混合搅拌均匀；
2)按配比取发泡剂后，按稀释比1:40～60加水稀释形成发泡液，预制泡沫备用；
3)按水灰比0.3～0.6往步骤1)混合好的干料中加水并不断搅拌，控制时间，然后加入预制泡沫，再缓缓加入气凝胶，降低搅拌速度，最后充分混合搅拌；
4)将上步得到的浆料注模，采用常温养护，脱模，得到最终固废混凝土产品。
10.根据权利要求9所述的高效气凝胶固废混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中加水搅拌的时间为30～60s；充分混合搅拌的时间为30～60s。
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