CN110698223A - 一种自强度梯度泡沫混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自强度梯度泡沫混凝土材料及其制备方法。所述的自强度梯度泡沫混凝土材料可实现不借助机械设备而自发形成密度梯度和强度梯度。所述的自强度梯度泡沫混凝土是在自配无机胶凝材料体系的基础上与发泡剂、稳泡剂、纤维和减缩剂制备而成的，其中无机胶凝材料包括碱激发剂、工业废渣、缓凝剂、增稠剂和聚合物乳液。在制备时可通过调节浆体的稠度和流动度，使浆体硬化或发泡后硬化过程中形成密度梯度，从而实现自强度梯度。所述的自强度梯度泡沫混凝土材料的孔径从上表面至底面由大到小实现梯度变化，密度和强度从上表面至底面从低至高实现梯度变化。

Description

一种自强度梯度泡沫混凝土材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑工程中高性能碱激发泡沫混凝土材料领域，尤其涉及一种自强度梯度泡沫混凝土材料及其制备方法。

背景技术

泡沫材料通常用作建筑保温材料，当前国内流行的聚苯乙烯泡沫板，属于易燃产品，在使用过程中具备极大的安全隐患。无机泡沫混凝土是一种防火性能优异的建筑保温材料，已逐步取代有机泡沫板。目前常用的泡沫混凝土材料为匀质材料，其气孔结构和密度分布较均匀，但制备超低密度泡沫混凝土材料时，由于其密度较低导致强度不足，从而限制了其使用范围。

中国专利CN 102561532 B采用分步成型的方法和利用消泡剂，制备出一种功能梯度泡沫混凝土保温材料，但该材料制备时工艺较为复杂，且产品性能稳定性难以保证。中国发明专利申请CN 106145805 A公开了一种梯度泡沫混凝土的制备方法，该发明利用特制的离心装置，在成型过程中利用离心力作用使得泡沫混凝土在凝结硬化过程中形成密度梯度。但该方法在离心转动过程中易造成泡沫破裂，导致塌模产生，同时，该装置制备大体积泡沫混凝土试块较为困难。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的超低密度泡沫混凝土因密度较低导致强度不足的问题，利用胶凝材料和发泡浆体的特点，制备出一种可自发产生密度梯度而形成强度梯度的泡沫混凝土材料，是一种成型工艺简单、产品性能稳定、保温、隔热、防火、资源可再利用、耐久性良好的自强度梯度泡沫混凝土材料。

本发明的目的之一是提供一种自强度梯度泡沫混凝土材料，由包括以下组分的原料制备而成，以重量份计：

其中，无机胶凝材料由包括以下组分的原料制备而成，以重量份计：

所述的自强度梯度泡沫混凝土可不借助机械方式，自发形成强度梯度，材料的孔径从上表面至底面由大向小实现梯度变化，密度可实现从上表面至底面在400kg/m³～1200kg/m³之间的连续梯度变化，强度从上表面至底面从低至高实现梯度变化。

其中，所述无机胶凝材料为碱激发胶凝材料，利用固体硅酸钠、水玻璃或片状氢氧化钠激发工业废渣得到。

所述碱激发剂为水玻璃、固体硅酸钠、片状氢氧化钠中的至少一种。其中，固体硅酸钠具体可采用粉状偏硅酸钠等。

所述工业废渣为矿渣、钢渣、炉渣、粉煤灰、偏高岭土、硅灰中的至少一种。

所述无机胶凝材料中还可加入本领域常用的外加剂，如缓凝剂、增稠剂和聚合物乳液等等。

所述缓凝剂选择本领域常用的缓凝剂，缓凝剂优选硫酸镁、氯化锌、硝酸锌、柠檬酸钠中的至少一种。

所述增稠剂选择本领域常用的增稠剂，增稠剂优选为纤维素醚、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇中的至少一种。

所述聚合物乳液选择本领域常用的聚合物乳液，聚合物乳液优选为VAE乳液(醋酸乙烯-乙烯共聚乳液)、苯丙乳液、丁苯乳液、丙烯酸乳液中的至少一种。

所述发泡剂为本领域常用的发泡剂，既可以是耐高温的物理发泡剂，最高可耐80℃高温，发泡倍数为20～50倍；也可以是化学发泡剂，所述化学发泡剂为双氧水。所述物理发泡剂选择本领域常用的物理发泡剂，优选为松香树脂类、蛋白质类、蛋白质-表面活性剂中的至少一种，更优选的可采用HT-1型复合型高分子发泡剂等。

所述稳泡剂为耐高温稳泡剂，选自本领域常用的稳泡剂，优选羧甲基纤维素钠、硬脂酸盐、烷基醇酰胺、硅树脂聚醚乳液中的至少一种。

所述纤维选择本领域常用的纤维，优选为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、硅灰石纤维、海泡石纤维中的至少一种。

所述减缩剂选择本领域常用的减缩剂，优选氨基醇类、聚氧乙烯类中的至少一种，如为聚亚丙基二醇、环氧乙烷甲醇聚合物、环氧乙烷二甲胺基聚合物等。

本发明目的之二是提供一种自强度梯度泡沫混凝土材料的制备方法。

当所述自强度梯度泡沫混凝土材料采用物理发泡剂进行发泡时，制备方法包括以下步骤：

(1)制备无机胶凝材料浆体；

(2)将除发泡剂和稳泡剂以外的组分加入无机胶凝材料浆体，然后加入由发泡剂和稳泡剂制备得到的泡沫，快速搅拌均匀后浇筑成型，硬化后养护，得到所述泡沫混凝土。

其中，将发泡剂与稳泡剂在水中稀释后利用发泡剂制备均匀细密的泡沫，然后将泡沫加入搅拌均匀的浆体内，搅拌均匀后形成泡沫浆体。

当所述自强度梯度泡沫混凝土材料采用化学发泡剂进行发泡时，制备方法包括以下步骤：

(1)制备无机胶凝材料浆体；

(2)将除发泡剂和稳泡剂以外的组分加入无机胶凝材料浆体，接着将稳泡剂加入无机胶凝材料浆体中快速搅拌，然后加入发泡剂并快速搅拌，将搅拌均匀的浆体注入模具中静置发泡，待发泡完成后硬化、养护，得到所述泡沫混凝土。

优选的，所述制备方法可以包括以下步骤：

(1)制备无机胶凝材料：按照无机胶凝材料配合比称取原料，粉状原料低速搅拌30s～50s，同时将缓凝剂、增稠剂、聚合物乳液加入拌合水内搅拌均匀，加入干混料中，低速搅拌60s～80后快速搅拌120s～150s，切换低速搅拌，用于泡沫混凝土的制备；

(2)制备自强度梯度泡沫混凝土材料：将纤维、减缩剂等均匀加入无机胶凝材料浆体内，低速搅拌；

若采用物理发泡制备时，同时称取配量所需的发泡剂、稳泡剂，按比例稀释后利用发泡机制备出均匀细密的泡沫，将制备好的泡沫加入浆体内，快速搅拌30s～50s，将新拌泡沫浆体注入模具成型，待浆体硬化后拆模，将试块置于标准养护箱内养护至相应龄期。新拌泡沫浆体由于自身密度不同，使得密度大的浆体下沉，包括部分碱激发剂，下层浆体的碱度和水化热较高，泡沫破裂量较大，硬化后的试块孔隙率低、孔径小、密度大，强度高；而上层浆体由于碱度较低，泡沫稳定性良好，硬化后的试块孔隙率高、孔径大、密度低、强度低，从而形成自强度梯度泡沫混凝土材料。

若采用化学发泡方法制备时，将稳泡剂加入制备好的胶凝材料浆体中快速搅拌60s～80s，随后将发泡剂加入新拌浆体内，快速搅拌6～10s，制得新拌预发泡浆体，注入模具内，静置发泡，待浆体发泡完成并硬化后拆模，形成自强度梯度泡沫混凝土材料，将试块置于标准养护箱内养护至相应龄期。预发泡浆体在发泡过程中，由于浆体自身的非匀致性以及碱度差异，密度高的浆体下沉，且由于下层浆体的碱度较高，泡沫破灭量大，孔隙率较低；密度低的浆体上浮，且泡沫较为稳定，孔隙率高，从而形成密度、强度自上而下逐渐升高的泡沫混凝土。

以上工艺均采用本领域常用工艺方法。

本发明按照功能梯度材料的设计原理，根据轻质、高强、保温、隔热等技术要求，通过改变胶凝材料的组成和配比，利用流动浆体自身的容重差异，采用不同的发泡技术，使泡沫混凝土材料的气孔结构沿着垂直于水平方向产生连续梯度变化，使内部不同气孔孔隙率的多孔材料之间的复合界面消失，从而使得制备的泡沫混凝土产生密度梯度变化，最终实现泡沫混凝土功能的梯度变化。

本发明通过控制泡沫混凝土材料的粘度和发泡速率，提供了一种可自发产生密度梯度从而形成强度梯度的泡沫混凝土材料的制备方法。利用该方法制备的泡沫混凝土材料不仅可用于保温隔热领域，还可用作民航机场的飞机拦阻系统，具备极大的工程应用价值。

本发明的有益效果如下：

1.本发明利用浆体自身容重不同分层的特点，采用物理发泡或化学发泡制备的泡沫混凝土在密度、强度变化上具有连续梯度变化的特点，克服了传统分层浇筑界面明显的缺点。该方法区别于采用消泡剂等化学方法、离心装置分离等物理方法以及分层浇筑等机械方法制备具有不同密度梯度的泡沫混凝土的方法。

2.本发明可通过改变浆体的稠度从而控制泡沫浆体在硬化过程中的梯度分布，可用于制备满足不同需求的梯度泡沫混凝土材料。

3.本发明采用大量的矿渣、钢渣、炉渣、粉煤灰、偏高岭土、硅灰等工业废渣，因此，在降低生产成本的同时实现了工业废料的再利用，减少了对环境的污染。

4.本发明制备的泡沫混凝土材料中掺入了一定比例的纤维，有效降低了材料在成型、硬化、使用过程中开裂的可能性，提高了材料的体积稳定性。

5.本发明属于一种自强度梯度泡沫混凝土材料，成型工艺简单，可设计性强。在实际应用中，孔隙率高、密度低、强度低的一面可作为保温层；孔隙率低、密度高、强度高的一面可满足实际的强度需求。

6.本发明制备的自强度梯度泡沫混凝土材料，亦可用作民航机场的飞机拦阻系统。

附图说明

图1为本发明的自强度梯度泡沫混凝土材料气孔结构剖面示意图。

图2为实施例1材料的孔隙率与干密度关系。

图3为实施例1材料的压力与压缩厚度关系图。

图4为施例应1材料的应力与应变关系图。

具体实施方式

本发明实施例所用原料均为市售。其中，碱激发剂均为市售的任何一种，如液态水玻璃、固态硅酸钠颗粒，工业废渣为市面上能采购的任意一种或几种，如矿渣、钢渣、炉渣、粉煤灰、偏高岭土、硅灰。

实施例1

自强度梯度泡沫混凝土材料的制备方法，先是制备无机胶凝材料，按照胶凝材料配合比称取原料，粉状原料低速搅拌40s，将缓凝剂、增稠剂、聚合物乳液加入拌合水内搅拌均匀，加入干混料中，低速搅拌70s后快速搅拌140s，切换低速搅拌，得到无机胶凝材料浆体，随后将纤维增强材料、减缩剂加入浆体内搅拌均匀，同时将发泡剂、稳泡剂与水按1:0.1:40稀释，通过发泡机制得均匀细密的泡沫，将泡沫加入浆体内快速搅拌50s，浇筑成型，待浆体硬化后拆模，试块置于标准养护箱内养护至相应龄期，即制得孔隙率从60％到85％，密度为连续梯度的泡沫混凝土材料。

其中，碱激发胶凝材料的原料以质量份数计为：10份粉状偏硅酸钠、35份粉煤灰、55份矿渣、10份偏高岭土、0.15份缓凝剂、0.2份增稠剂、6份乳液；自强度梯度泡沫混凝土材料以质量份数计为：100份胶凝材料、5份发泡剂、0.7份稳泡剂、0.6份减缩剂、0.3份纤维增强材料。

其中缓凝剂为柠檬酸钠，增稠剂为聚丙烯酰胺，乳液为VAE聚合物乳液，发泡剂为HT-1型复合型高分子发泡剂，稳泡剂为羧甲基纤维素钠，减缩剂为氨基醇类减缩剂，纤维增强材料为聚丙烯纤维。

由附图1～4可以看出，材料的孔隙率从成型表面至底部逐渐降低，材料的密度从上表面至底部逐渐增加，强度由外向内逐渐提高，材料在受压过程中可被压缩，从而吸收能量。

实施例2

自强度梯度泡沫混凝土材料的制备方法，先是制备无机胶凝材料，按照胶凝材料配合比称取原料，粉状原料低速搅拌50s，将缓凝剂、增稠剂、聚合物乳液加入拌合水内搅拌均匀，加入干混料中，低速搅拌80s后快速搅拌150s，切换低速搅拌，得到无机胶凝材料浆体，随后将纤维增强材料、减缩剂加入浆体内搅拌均匀，随后加入稳泡剂继续快速搅拌80s，将双氧水加入搅拌均匀的浆体快速搅拌10s后，制得预发泡浆体，将浆体注入模具中静置发泡，发泡完成的浆体硬化后拆模，试块置于标准养护箱内养护至相应龄期，即制得孔隙率从60％到85％，密度为连续梯度的泡沫混凝土材料。

其中，碱激发胶凝材料的原料以质量份数计为：18份粉状偏硅酸钠、25份粉煤灰、70份矿渣、5份偏高岭土、0.4份缓凝剂、0.75份增稠剂、6份聚合物乳液；自强度梯度泡沫混凝土材料以质量百分比计为：100份胶凝材料、10份发泡剂、0.8份稳泡剂、0.8份减缩剂、1.6份纤维增强材料。

其中缓凝剂为硫酸镁，增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚，乳液为苯丙乳液，发泡剂为双氧水，稳泡剂为硬脂酸钙，减缩剂为环氧乙烷二甲胺基聚合物，纤维增强材料为聚乙烯醇纤维。

Claims (8)

1.一种自强度梯度泡沫混凝土材料，其特征在于所述混凝土材料由包括以下组分的原料制备而成，以重量份计：

其中，无机胶凝材料由包括以下组分的原料制备而成，以重量份计：

2.根据权利要求1所述的混凝土材料，其特征在于所述混凝土材料由包括以下组分的原料制备而成，以重量份计：

其中，无机胶凝材料由包括以下组分的原料制备而成，以重量份计：

3.根据权利要求1所述的混凝土材料，其特征在于：

所述混凝土材料的密度从上表面至底面实现在400～1200kg/m³之间连续梯度的变化。

4.根据权利要求1所述的混凝土材料，其特征在于：

所述碱激发剂为水玻璃、固体硅酸钠、片状氢氧化钠中的至少一种；

所述工业废渣为矿渣、钢渣、炉渣、粉煤灰、偏高岭土、硅灰中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的混凝土材料，其特征在于：

所述发泡剂为物理发泡剂或化学发泡剂；

所述稳泡剂为羧甲基纤维素钠、硬脂酸盐、烷基醇酰胺、硅树脂聚醚乳液中的至少一种；

所述纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、硅灰石纤维、海泡石纤维中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的混凝土材料，其特征在于：

所述物理发泡剂为松香树脂类、蛋白质类、蛋白质-表面活性剂中的至少一种，所述化学发泡剂为双氧水。

7.一种根据权利要求1～6之任一项所述的自强度梯度泡沫混凝土材料的制备方法，其特征在于采用物理发泡剂进行发泡时包括以下步骤：

(1)制备无机胶凝材料浆体；

(2)将除发泡剂和稳泡剂以外的组分加入无机胶凝材料浆体，然后加入由发泡剂和稳泡剂制备得到的泡沫，快速搅拌均匀后浇筑成型，硬化后养护，得到所述泡沫混凝土材料。

8.一种根据权利要求1～6之任一项所述的自强度梯度泡沫混凝土材料的制备方法，其特征在于采用化学发泡剂进行发泡时包括以下步骤：

(1)制备无机胶凝材料浆体；

(2)将除发泡剂和稳泡剂以外的组分加入无机胶凝材料浆体，接着将稳泡剂加入无机胶凝材料浆体中快速搅拌，然后加入发泡剂并快速搅拌，将搅拌均匀的浆体注入模具中静置发泡，待发泡完成后养护，得到所述泡沫混凝土材料。

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