CN110668841B - 一种耐久型泡沫混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐久型泡沫混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。在制备产品时，先称量原料，并将原料中的水等分为三份；将水泥、炭化稻壳纤维、微晶纤维素、芒硝和2/3的水混合后，高粘捏合45～60min，得捏合料；将捏合料加热到55～75℃，再加入发泡剂、稳泡剂和剩余1/3的水，搅拌混合后，注模，静停发泡，养护，脱模，得坯体；将坯体和硅酸酯加入反应釜中，密闭后，加压至0.3～0.5MPa，随后升温至85～95℃，保温反应后，出料，即得耐久型泡沫混凝土。本申请所得产品具有良好的力学性能，且产品泡沫强度对水分和温度的抵抗能力也具有良好的耐受性能。

Description

一种耐久型泡沫混凝土及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种耐久型泡沫混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术

泡沫混凝土主要由钙质材料（水泥、石灰）和硅质材料（石英砂、粒化高炉矿渣、粉煤灰、页岩等），并掺加适量的加气剂等，经过配料、搅拌、浇筑、发气、切割而成的多孔超轻材料。

水泥是泡沫混凝土中的主要胶凝材料，也是泡沫混凝土的主要强度来源，在泡沫混凝土中起着胶结作用。一般来说，所用水泥的强度等级越高，制备出的泡沫混凝土的抗压强度也会越高。制备泡沫混凝土的水泥种类很多，普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等都可以用来制作泡沫混凝土。

发泡剂是制作泡沫混凝土不可或缺的组分，泡沫混凝土质量的优劣很大程度上决定于所用发泡剂性能的优劣。发泡剂既有固态发泡剂又有液态发泡剂。目前惯用的发泡剂种类主要有：铝粉类、表面活性剂类、蛋白质类。

目前，泡沫混凝土的制作方法主要包括以下两种：一种方法是先制备出泡沫，再将制备出的泡沫与砂浆拌合，这种方法又被称为预制泡混合法。预制泡混合法制作泡沫混凝土的主要工艺步骤包括三步：首先是水泥砂浆的制备；然后是泡沫的制备；最后是砂浆与泡沫混合、混凝土的浇筑。

另外一种方法是混凝土的拌合与发泡是同时进行的，称为混合搅拌法。这种制备方法的主要生产工艺包括三个步骤：首先是发泡剂水泥砂浆的制备、然后将制备好的砂浆进行预制浇筑、最后是将浇筑后的坯体进行静停发泡。

然而，上述原料和制备工艺所制备的产品，其耐久性不佳，在产品长期使用过程中，泡沫容易塌陷，从而造成混凝土逐渐瓦解失效，影响了产品的使用寿命。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：针对传统泡沫混凝土在制备和使用过程中，泡沫结构不稳定，容易发生塌陷，且随着外部环境的水分和二氧化碳的不断侵袭，导致产品性能进一步恶化，使产品使用寿命得到严重影响的弊端，提供了一种耐久型泡沫混凝土及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种耐久型泡沫混凝土，包括以下重量份数的原料：

水泥 50～60份

炭化稻壳纤维 10～20份

发泡剂 3～5份

稳泡剂 1～2份

微晶纤维素 4～6份

芒硝 5～10份

水 50～60份

硅酸酯 10～15份

所述耐久型泡沫混凝土的制备过程为：

（1）按原料组成称量各组分；并将水等分为三份；

（2）将水泥、炭化稻壳纤维、微晶纤维素、芒硝和2/3的水混合后，高粘捏合45～60min，得捏合料；

（3）将捏合料加热到55～75℃，再加入发泡剂、稳泡剂和剩余1/3的水，搅拌混合后，注模，静停发泡，养护，脱模，得坯体；

（4）将坯体和硅酸酯加入反应釜中，密闭后，加压至0.3～0.5MPa，随后升温至85～95℃，保温反应后，出料，即得耐久型泡沫混凝土。

本发明技术方案在产品制备过程中，严格限定了水分的加入顺序，其目的是为了在步骤2的高粘捏合过程中，利用各组分之间在高粘状态下的相互摩擦，实现各组分之间的相互作用，从而使水泥、稻壳纤维和微晶纤维素等表面结构发生变化，有利于各组分表面的比表面积增大，从而提高相互之间的吸附作用，有利于后续胶凝过程中，快速形成胶凝体，避免了产品在制备过程中的泡沫塌陷，提高了产品内部孔隙率；

另外，本发明技术方案通过在产品养护后，在一定压力作用下，使硅酸酯逐渐渗透进入混凝土毛细孔内部，且在该温度下，芒硝或混凝土中的结合水逐渐转变为游离水，一旦有游离水在毛细孔中和硅酸酯相遇，即可使硅酸酯水解并形成二氧化硅晶体，并将毛细孔堵塞，从而有效避免产品在使用过程中，水分以及空气中的二氧化碳等因素对混凝土的侵蚀，提升了产品使用寿命；再者，部分硅酸酯渗透进入到泡沫混凝土内部后，水解产物可实现对泡沫结构的加固，有效避免了泡沫结构在使用过程中的塌陷失效，使产品的使用寿命得到进一步延长。

所述耐久型泡沫混凝土包括水泥质量5～10%的海泡石。

所述海泡石为酸处理海泡石；所述酸处理海泡石的处理过程为：将海泡石和质量分数为1～10%的盐酸按质量比为1：20～1：50混合后，水热反应，再经过滤，洗涤，干燥和焙烧，得酸处理海泡石。

本发明技术方案通过引入海泡石，海泡石遇水后可迅速溶胀并解散，形成无规则的片状结构，使体系迅速发泡，并形成具有一定粘度和稳定的液体，从而在发泡过程中，不仅强化发泡效果，还可以起到良好的稳定泡沫的作用；

通过进一步的对海泡石进行酸化处理，酸化处理后利用盐酸中氢离子取代海泡石骨架结构中的镁离子，使Si-O骨架生成Si-OH，结晶水也随之失去，使海泡石内部孔道连通，微孔发展为中孔，有利于发泡过程中，海泡石的进一步发泡，且新生成的Si-OH和水泥胶凝体系可进一步反应，形成硅酸盐凝胶，使泡沫壁上分布的片状解离的海泡石和胶凝体系构成完整整体，实现对泡沫结构的加固，且新生成的Si-OH活性更高，有利于胶凝反应的快速发生，在发泡过程中即可实现对泡沫的加固。

所述炭化稻壳纤维的制备过程为：将稻壳用水浸泡后，冷冻压榨，得压榨料，再将压榨料加热升温至600℃，保温炭化后，继续升温至1500℃，高温反应，出料，即得炭化稻壳纤维。

本发明技术方案首先将稻壳用水浸泡，使稻壳细胞内部充分吸水，再利用冷冻压榨，在冷冻过程中，水分凝结形成冰晶，在压榨压力作用下，冰晶碎裂的同时，使稻壳纤维解离成尺寸可达纳米级的微小稻壳纤维；且由于稻壳纤维中天然的含有二氧化硅组分，在1500℃高温环境下，二氧化硅可与碳形成碳化硅晶须，添加到混凝土中，可实现对泡沫混凝土良好的强化作用，且残留二氧化硅可参与水泥的胶凝反应，实现混凝土的快速固化。

所述发泡剂为乳化剂OP-10、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、吐温-6或斯潘-80中的任意一种。

所述稳泡剂为明胶、牛血清蛋白、环糊精、羧甲基纤维素、聚乙二醇、壳聚糖、聚乙烯醇中的任意一种。

所述硅酸酯为硅酸甲酯、硅酸乙酯或硅酸丙酯中的任意一种。

所述耐久型泡沫混凝土中包括水泥质量1～3%的丁二腈；所述丁二腈与发泡剂和稳泡剂同时间加入。

本发明技术方案通过引入丁二腈，并限定了丁二腈的加入时机，有效利用丁二腈加入后，提高发泡过程中，泡沫液膜的弹性，使液膜能够更好的经受外力而不破裂；另外，还可使气泡不溶于水，延续液膜的排液速率，使液膜具有一定的自我修复能力，有效避免了制备过程中的泡沫塌陷，提升了内部孔隙率的同时，使产品力学性能得到有效提升。

具体实施方式

酸处理海泡石：

将海泡石和质量分数为1～10%的盐酸按质量比为1：20～1：50加入水热釜中，于温度为160～180℃，压力为1.8～2.6MPa条件下，水热反应3～5h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，再将干燥后的滤饼转入马弗炉中，于温度为180～200℃条件下，保温焙烧1～2h，得酸处理海泡石；

炭化稻壳纤维：

将稻壳和水按质量比为1：10～1：20混合浸泡3～6h后，将稻壳取出，于温度为-20～-50℃条件下冷冻1～2h后，于压力为10～20MPa条件下压榨，得压榨料，再将压榨料转入管式炉中，于氩气保护状态下，于温度为600℃条件下炭化3～5h后，继续升温至1500℃，高温反应3～5h后，随炉冷却至室温，出料，即得炭化稻壳纤维；

产品：

按重量份数计，依次取50～60份42.5#普通硅酸盐水泥，10～20份炭化稻壳纤维，3～5份发泡剂，1～2份稳泡剂，4～6份微晶纤维素，5～10份芒硝，50～60份水（并将水等分为三份），10～15份硅酸酯，水泥质量5～10%的酸处理海泡石，以及水泥质量1～3%的丁二腈；所述发泡剂为乳化剂OP-10、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、吐温-60或斯潘-80中的任意一种；所述稳泡剂为明胶、牛血清蛋白、环糊精、羧甲基纤维素、聚乙二醇、壳聚糖、聚乙烯醇中的任意一种；所述硅酸酯为硅酸甲酯、硅酸乙酯或硅酸丙酯中的任意一种；

将水泥、炭化稻壳纤维、微晶纤维素、芒硝、酸处理海泡石和2/3的水混合后，加入捏合机中，捏合45～60min，得捏合料；随后将捏合料移入混料机中，将捏合料加热到55～75℃，再加入发泡剂、稳泡剂、丁二腈和剩余1/3的水，于转速为800～1500r/min条件下，搅拌混合45～60min后，注模，静停发泡，养护，脱模，得坯体；将坯体和硅酸酯加入反应釜中，密闭后，加压至0.3～0.5MPa，随后升温至85～95℃，保温反应3～5h后，出料，即得耐久型泡沫混凝土。

实例1

酸处理海泡石：

将海泡石和质量分数为1%的盐酸按质量比为1：20加入水热釜中，于温度为160℃，压力为1.8MPa条件下，水热反应3h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为105℃条件下干燥至恒重，再将干燥后的滤饼转入马弗炉中，于温度为180℃条件下，保温焙烧1h，得酸处理海泡石；

炭化稻壳纤维：

将稻壳和水按质量比为1：10混合浸泡3h后，将稻壳取出，于温度为-20℃条件下冷冻1h后，于压力为10MPa条件下压榨，得压榨料，再将压榨料转入管式炉中，于氩气保护状态下，于温度为600℃条件下炭化3h后，继续升温至1500℃，高温反应3h后，随炉冷却至室温，出料，即得炭化稻壳纤维；

产品：

按重量份数计，依次取50份42.5#普通硅酸盐水泥，10份炭化稻壳纤维，3份发泡剂，1份稳泡剂，4份微晶纤维素，5份芒硝，51份水（并将水等分为三份），10份硅酸酯，水泥质量5%的酸处理海泡石，以及水泥质量1%的丁二腈；所述发泡剂为乳化剂OP-10；所述稳泡剂为明胶；所述硅酸酯为硅酸甲酯；

将水泥、炭化稻壳纤维、微晶纤维素、芒硝、酸处理海泡石和2/3的水混合后，加入捏合机中，捏合45min，得捏合料；随后将捏合料移入混料机中，将捏合料加热到55℃，再加入发泡剂、稳泡剂、丁二腈和剩余1/3的水，于转速为800r/min条件下，搅拌混合45min后，注模，静停发泡，养护，脱模，得坯体；将坯体和硅酸酯加入反应釜中，密闭后，加压至0.3MPa，随后升温至85℃，保温反应3h后，出料，即得耐久型泡沫混凝土。

实例2

酸处理海泡石：

将海泡石和质量分数为5%的盐酸按质量比为1：30加入水热釜中，于温度为170℃，压力为2.2MPa条件下，水热反应4h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为108℃条件下干燥至恒重，再将干燥后的滤饼转入马弗炉中，于温度为190℃条件下，保温焙烧1.5h，得酸处理海泡石；

炭化稻壳纤维：

将稻壳和水按质量比为1：15混合浸泡4h后，将稻壳取出，于温度为-30℃条件下冷冻1.5h后，于压力为15MPa条件下压榨，得压榨料，再将压榨料转入管式炉中，于氩气保护状态下，于温度为600℃条件下炭化4h后，继续升温至1500℃，高温反应4h后，随炉冷却至室温，出料，即得炭化稻壳纤维；

产品：

按重量份数计，依次取55份42.5#普通硅酸盐水泥，15份炭化稻壳纤维，4份发泡剂，1.5份稳泡剂，5份微晶纤维素，8份芒硝，57份水（并将水等分为三份），12份硅酸酯，水泥质量6%的酸处理海泡石，以及水泥质量2%的丁二腈；所述发泡剂为十二烷基苯磺酸钠；所述稳泡剂为环糊精；所述硅酸酯为硅酸乙酯；

将水泥、炭化稻壳纤维、微晶纤维素、芒硝、酸处理海泡石和2/3的水混合后，加入捏合机中，捏合50min，得捏合料；随后将捏合料移入混料机中，将捏合料加热到65℃，再加入发泡剂、稳泡剂、丁二腈和剩余1/3的水，于转速为1200r/min条件下，搅拌混合55min后，注模，静停发泡，养护，脱模，得坯体；将坯体和硅酸酯加入反应釜中，密闭后，加压至0.4MPa，随后升温至90℃，保温反应4h后，出料，即得耐久型泡沫混凝土。

实例3

酸处理海泡石：

将海泡石和质量分数为10%的盐酸按质量比为1：50加入水热釜中，于温度为180℃，压力为2.6MPa条件下，水热反应5h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为110℃条件下干燥至恒重，再将干燥后的滤饼转入马弗炉中，于温度为200℃条件下，保温焙烧2h，得酸处理海泡石；

炭化稻壳纤维：

将稻壳和水按质量比为1：20混合浸泡6h后，将稻壳取出，于温度为-50℃条件下冷冻2h后，于压力为20MPa条件下压榨，得压榨料，再将压榨料转入管式炉中，于氩气保护状态下，于温度为600℃条件下炭化5h后，继续升温至1500℃，高温反应5h后，随炉冷却至室温，出料，即得炭化稻壳纤维；

产品：

按重量份数计，依次取60份42.5#普通硅酸盐水泥，20份炭化稻壳纤维，5份发泡剂，2份稳泡剂，6份微晶纤维素，10份芒硝，60份水（并将水等分为三份），15份硅酸酯，水泥质量10%的酸处理海泡石，以及水泥质量3%的丁二腈；所述发泡剂为吐温-60；所述稳泡剂为羧甲基纤维素；所述硅酸酯为硅酸丙酯；

将水泥、炭化稻壳纤维、微晶纤维素、芒硝、酸处理海泡石和2/3的水混合后，加入捏合机中，捏合60min，得捏合料；随后将捏合料移入混料机中，将捏合料加热到75℃，再加入发泡剂、稳泡剂、丁二腈和剩余1/3的水，于转速为1500r/min条件下，搅拌混合60min后，注模，静停发泡，养护，脱模，得坯体；将坯体和硅酸酯加入反应釜中，密闭后，加压至0.5MPa，随后升温至95℃，保温反应5h后，出料，即得耐久型泡沫混凝土。

对比例1

本对比例和实施例1相比，区别在于：海泡石未经过酸处理，而是采用如下处理方式：

将海泡石和水按质量比为1：20加入水热釜中，于温度为160℃，压力为1.8MPa条件下，水热反应3h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中，于温度为105℃条件下干燥至恒重，再将干燥后的滤饼转入马弗炉中，于温度为180℃条件下，保温焙烧1h，得预处理海泡石。

对比例2

本对比例和实施例1相比，区别在于：炭化稻壳纤维的炭化工艺不同，具体如下：

将稻壳和水按质量比为1：10混合浸泡3h后，将稻壳取出，于温度为-20℃条件下冷冻1h后，于压力为10MPa条件下压榨，得压榨料，再将压榨料转入管式炉中，于氩气保护状态下，于温度为600℃条件下炭化3h，随炉冷却至室温，出料，即得炭化稻壳纤维。

对比例3：

本对比例和实施例1相比，区别在于：用等质量的无水乙醇取代硅酸酯，其它保持一致。

对比例4：

本对比例和实施例1相比，区别在于：未加入丁二腈，其它保持一致。

将实施例1-3及对比例1-4所得产品进行性能检测，具体测试方式和测试结果如下所示：

将产品切割成尺寸为100mm×100mm×25mm的长方体，利用加荷速度为0.3MPa/s的速度加荷，直至破坏，测得产品抗压强度如表1所示：

	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4
								抗压强度/MPa	65.2	68.9	72.6	56.2	52.1	45.3	50.6

将产品在相对湿度为85%，温度为45℃条件下，恒温恒湿静置3d后，于室温条件下静置3d，如此循环50次后，再次用上述方式对产品的抗压强度测试，测试结果如表2所示：

	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4
								抗压强度/MPa	62.1	67.6	71.3	50.1	42.2	41.2	36.5

由表1和表2检测结果可知，本申请所得产品具有良好的力学性能，且经过恒温恒湿处理后，仍然可保持良好的力学性能，说明产品泡沫强度对水分和温度的抵抗能力也具有良好的耐受性能；

相比于实施例1而言对比例1由于海泡石未经过酸化处理，不仅影响了胶凝反应的速率，还影响了海泡石内部的孔隙率，到吃了最终所得产品的抗压强度下降；对比例2相比于实施例1而言，由于稻壳纤维未经过1500℃的高温反应，导致未产生碳化硅成分，从而影响了补强效果；而对比例3则未添加硅酸酯，使得产品加工过程中，未能对泡沫结构实现有效的加固，因此产品的机械性能未得到显著提升；而对比例4由于未采用丁二腈，丁二腈的缺少，使得泡沫弹性下降，制备过程中泡沫容易塌陷，使得产品经过恒温恒湿处理后，性能下降明显。

Claims (4)

1.一种耐久型泡沫混凝土，其特征在于，包括以下重量份数的原料：水泥 50～60份，炭化稻壳纤维 10～20份，发泡剂 3～5份，稳泡剂 1～2份，微晶纤维素 4～6份，芒硝 5～10份，水 50～60份，硅酸酯 10～15份，所述耐久型泡沫混凝土还包括水泥质量5～10%的海泡石和水泥质量1～3%的丁二腈，所述海泡石为酸处理海泡石，

制备步骤如下：

（1）称量组分：按原料组成称量各组分，并将水均分为三份；

（2）高粘捏合：

A．海泡石的酸处理：将海泡石和质量分数为1～10%的盐酸按质量比为1：20～1：50混合后，水热反应，再经过滤，洗涤，干燥和焙烧，得酸处理海泡石；

B.炭化稻壳纤维的制备：将稻壳用水浸泡后，冷冻压榨，得压榨料，再将压榨料加热升温至600℃，保温炭化后，继续升温至1500℃，高温反应，出料，即得炭化稻壳纤维；

C.捏合料的制备：将水泥、炭化稻壳纤维、微晶纤维素、芒硝、酸处理海泡石和2/3的水混合后，高粘捏合45～60min，得捏合料；

（3）加热发泡：将捏合料加热到55～75℃，再加入发泡剂、稳泡剂、丁二腈和剩余1/3的水，搅拌混合后，注模，静停发泡，养护，脱模，得坯体；

（4）加压反应：将坯体和硅酸酯加入反应釜中，密闭后，加压至0.3～0.5MPa，随后升温至85～95℃，保温反应后，出料，即得耐久型泡沫混凝土。

2.根据权利要求1所述的一种耐久型泡沫混凝土，其特征在于，所述发泡剂为乳化剂OP-10、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、吐温-60或斯潘-80中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种耐久型泡沫混凝土，其特征在于，所述稳泡剂为明胶、牛血清蛋白、环糊精、羧甲基纤维素、聚乙二醇、壳聚糖、聚乙烯醇中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种耐久型泡沫混凝土，其特征在于，所述硅酸酯为硅酸甲酯、硅酸乙酯或硅酸丙酯中的任意一种。