CN111943602A

CN111943602A - 一种超轻质水泥基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN111943602A
Application number: CN202010843406.1A
Authority: CN
Inventors: 谢建和; 何建华; 黄俊健; 黄权猛; 李江林
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2020-11-17

Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种超轻质水泥基复合材料及其制备方法。本发明公开了一种超轻质水泥基复合材料，该水泥基复合材料空心微珠可作为轻质微集料，使得水泥基复合材料具有轻质高强的性能，微硅粉与水泥水化反应生成C‑S‑H凝胶，加速水泥的水化过程，减少水泥的使用，提水泥基复合材料的力学性能。该水泥基复合材料的各组分以适宜的比例协同配合，使制得的水泥基复合材料兼具低表观密度和力学强度。

Description

一种超轻质水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种超轻质水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

混凝土是当今用量最大的建筑材料，然而，混凝土具有自重大、脆性大、抗拉强度低、韧性差等缺点，这很大程度上也影响和限制了其使用范围。同时，20世纪以来，随着社会经济与科技的不断发展，现代工程结构正朝着更高、更长、更深的方向去发展，建筑结构形式正在逐步地向着大跨度、超高层方向发展，而土木工程也正逐步向地下、海洋中扩展，这对混凝土的性能提出了新的要求。

轻质高强材料用于装配式建筑预制构件的制备，可大大降低了材料、运输等成本，且便于施工现场的起吊与安装。

因此，为了能够达到理想的密度以及令人满意的力学和结构特性，人们谨慎选择和有效应用轻质填料材料。传统的水泥基复合材料是以各种填料作为轻集料，以获得具有较好力学性能与功能性能。据统计，近年来，除了一些常用的轻集料或工业副产品(如膨胀粘土、膨胀页岩或泡沫渣等)外，还利用其他集料如浮石、珍珠岩、空心微珠、聚氨酯泡沫、硅藻土、膨胀玻璃、气凝胶和高抗冲聚苯乙烯等开发出了具有低导热性的结构混凝土混合物。但是，这些材料的力学强度低、多孔性和吸水率高，其在水泥基复合材料中的应用存在许多问题，如力学强度较低、脆性大、微观结构中的孔隙率和空隙率更大。

发明内容

本发明提供了一种超轻质水泥基复合材料及其制备方法，该水泥基复合材料兼具低表观密度和力学强度。

其具体技术方案如下：

本发明提供了一种超轻质水泥基复合材料，按重量份计，由以下组分制成：

本发明提供的超轻质水泥基复合材料中，空心微珠可作为轻质微集料，使得水泥基复合材料具有轻质高强的性能，微硅粉与水泥水化反应生成C-S- H凝胶，加速水泥的水化过程，减少水泥的使用，提水泥基复合材料的力学性能。

本发明中，所述水泥和所述微硅粉的总质量与所述水的质量比为1： (0.35-0.40)。

本发明中，所述空心微珠是采用从燃煤火力发电厂产生的粉煤灰制成，节约资源，绿色环保；所述空心微珠的密度为900m³/kg，粒径为10μm～300 μm，压碎强度为17MPa，pH为7～8，含水率＜0.5％。

空心微珠内部中空，其壁薄且中空部分直径大，典型薄壳厚度为其内部中空部分直径的2.5-10.5％，其结构是内部中空的薄壳结构。空心微珠中存在坚硬的外壳，其压碎强度达17MPa，可为超轻质水泥基复合材料提供一定的强度保证，空心微珠中空隙尺寸的“控制”也使得超轻质水泥基复合材料有效地引入空隙并降低其密度，以及水泥基质为空心微珠提供“三维”约束使得本申请制得的超轻质水泥基复合材料具有高比强度(强度与密度比值)。

本发明中，所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级为P·II 52.5R。

本发明中，所述微硅粉是含硅合金时产生的工业尘埃经回收得到的微硅粉，来源广泛。所述微硅粉的比表面积为20×10³-25×10³m²/kg。所述微硅粉具有极强的火山灰性能，能加速水泥的水化过程，提高混凝土的力学性能。本发明使用的微硅粉符合国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》 GB/T 18736-2002的要求。

本发明中，所述减水剂为减水率为25％～30％的

-I聚羧酸高性能减水剂。所述减水剂的质量为胶凝材料(水泥和微硅粉)总质量的 0.5％～1.0％，能使超轻质水泥基复合材料水胶比保持在较低水平下时，获得良好的和易性。

本发明中，所述混凝土减缩剂为所述水泥和所述微硅粉的总质量的 1.2％～1.5％，能降低超轻质水泥基复合材料的含气量及减小其收缩应变。

本发明微硅粉和空心微珠均是经生产废料制得，使垃圾废料变废为宝、循环再利用，减少资源的浪费，降低对环境影响，对可持续发展有着积极的促进作用。

本发明还提供了上述超轻质水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将水泥、微硅粉和空心微珠进行干拌，得到干拌料；

步骤2：向减水剂中加入一半的水，均匀分散后加入所述干拌料进行搅拌，得到浆料；

步骤3：向混凝土减缩剂中加入另一半的水，均匀分散后加入所述浆料进行搅拌，得到拌合物；

步骤4：将所述拌合物分三层装模，振捣成型后，每层振动压实，放置 24～48h后拆模，得到超轻质水泥基复合材料。

本发明中，步骤1所述干拌的速率为48转/min，时间为3～5min，优选为 3min；

步骤2所述搅拌的速率为48转/min，时间为5～8min，优选为5min；

步骤3所述搅拌的速率为48转/min，时间为5～8min，优选为5min；

步骤4所述每层振动压实30～60s，优选为30s；

步骤4拌合物入模后优选摆放在阴暗潮湿的地方，并用塑料薄膜覆盖，保持温度和湿度；

步骤4拆模后，需进行自然养护，得到超轻质水泥基复合材料。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种超轻质水泥基复合材料，该水泥基复合材料空心微珠可作为轻质微集料，使得水泥基复合材料具有轻质高强的性能，微硅粉与水泥水化反应生成C-S-H凝胶，加速水泥的水化过程，减少水泥的使用，提水泥基复合材料的力学性能。该水泥基复合材料的各组分以适宜的比例协同配合，使制得的水泥基复合材料兼具低表观密度和力学强度。由实验数据可知，本发明提供的超轻质水泥基复合材料表观密度低于1500kg/m³，7天强度最高可达37.677MPa，28天强度最高可达43.056Mpa，7天比强度最高可达26.36kPa/(kg/m³)，28天比强度最高可达33.05kPa/(kg/m³)。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中，空心微珠：采用唐山宏微新材料有限公司的QK300型空心微珠，其密度为900m³/kg，粒径范围为10μm～300μm，压碎强度为 17MPa，pH为7～8，含水率＜0.5％；

水泥：采用金羊牌硅酸盐水泥，强度等级为P·II 52.5R；

微硅粉：采用成都东蓝星科有限公司生产，SiO₂含量为98.5％，烧失量为2.14％，比表面积为22.99×10³m²/kg，含水率为0.3％，氯离子含量 0.017％，总碱量为0.4％；

减水剂：采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的减水率为25％～ 30％的

-I聚羧酸高性能减水剂；

减缩剂：采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的

-SRA(I)混凝土减缩剂；

水：采用自来水。

实施例1

本实施例提供的一种超轻质水泥基复合材料，包括以下组分：空心微珠、水泥、微硅粉、通用型聚羧酸减水剂、混凝土减缩剂及水，各组分的用量如表1所示。

其中，上述超轻质水泥基复合材料的制备方法，包括如下具体步骤：

1)将水泥836kg、硅灰73kg和空心微珠348kg 3种干料倒入强制式搅拌机干拌3min，搅拌速率为48转/min；得到干拌料；

2)将通用型聚羧酸减水剂5kg加入一半添加水151kg中，均匀分散后加入干拌料中，搅拌5min，搅拌速率为48转/min，得到浆料；

3)将混凝土减缩剂11kg加入剩余一半添加水151kg中，均匀分散后加入浆料中，搅拌5min，搅拌速率为48转/min，得到超轻质水泥基复合材料拌合物；

4)将搅拌后的拌合物分3层装入100mm×100mm×100mm立方体模具中，采用振动台振捣成型，每层振动压实30s左右；

5)拌合物入模后摆放在阴暗潮湿的地方，并用塑料薄膜覆盖，保持温度和湿度；

6)在入模后的24～48h后拆模，并进行自然养护，得到超轻质水泥基复合材料。

实施例2

1)将水泥836kg、硅灰73kg和空心微珠315kg 3种干料倒入强制式搅拌机干拌3min，搅拌速率为48转/min；得到干拌料；

6)在入模后放置24～48h后拆模，并进行自然养护，得到超轻质水泥基复合材料。

实施例3

1)将水泥836kg、硅灰73kg和空心微珠348kg 3种干料倒入强制式搅拌机干拌3min，搅拌速率为48转/min，；得到干拌料；

2)将通用型聚羧酸减水剂5kg加入一半添加水174kg中，均匀分散后加入干拌料中，搅拌5min，搅拌速率为48转/min，得到浆料；

3)将混凝土减缩剂11kg加入剩余一半添加水174kg中，均匀分散后加入浆料中，搅拌5min，搅拌速率为48转/min，得到超轻质水泥基复合材料拌合物；

实施例4

2)将通用型聚羧酸减水剂9kg加入一半添加水151kg中，均匀分散后加入干拌料中，搅拌5min，搅拌速率为48转/min，得到浆料；

对比例1

1)将水泥607kg、硅灰53kg和空心微珠442kg 3种干料倒入强制式搅拌机干拌3min，搅拌速率为48转/min；得到干拌料；

2)将通用型聚羧酸减水剂6kg加入一半添加水141kg中，均匀分散后加入干拌料中，搅拌5min，搅拌速率为48转/min，得到浆料；

3)将混凝土减缩剂10kg加入剩余一半添加水141kg中，均匀分散后加入浆料中，搅拌5min，搅拌速率为48转/min，得到超轻质水泥基复合材料拌合物；

表1实施例1和对比例1各组分用量(单位：kg)

注：表1中水胶比为水的质量与胶凝材料的总质量的比值。

实施例5

本实施例对实施例1～4和对比例1制得的超轻质水泥基复合材料进行性能测试，测试方法如下：

(1)抗压强度：采用材料压缩试验机对超轻质水泥基复合材料试件进行单轴压缩加载测试，得到其轴心抗压强度。抗压强度的测试方法参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2019的相关规定。

(2)流动度：通过水泥胶砂流动度测定仪对超轻质水泥基复合材料拌合物进行流动度测试。流动度的测试方法参照《水泥胶砂流动度测定方法》GB/T 2419-2005的相关规定。

测试结果如表2所示。

表2超轻质水泥基复合材料测试结果

注：与对比例1相比，*代表P＜0.05，**代表P＜0.01。

由表2的实验结果分析可知：

(1)本发明实施例1～4和对比例1制得的超轻质水泥基复合材料表观密度均低于1500kg/m³；

(2)超轻质水泥基复合材料的7天强度最高可达30Mpa以上，28天强度最高可达37Mpa以上。

本发明实施例4的超轻质水泥基复合材料7天表观密度较实施例1仅增加了16％，28表观密度较实施例1仅增加了17％，7抗压强度较对比例1增加了45％，28天抗压强度增加了99％。

本发明实施例3的超轻质水泥基复合材料的7天比强度(强度与密度比值)最高可达26.36kPa/(kg/m³)，较对比例1增加了38％，28天比强度最高可达33.05kPa/(kg/m³)，较对比例1增加了69％。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种超轻质水泥基复合材料，其特征在于，按重量份计，由以下组分制成：

2.根据权利要求1所述的超轻质水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥和所述微硅粉的总质量与所述水的质量比为1：(0.35-0.40)。

3.根据权利要求1所述的超轻质水泥基复合材料，其特征在于，所述减水剂的质量为所述水泥和所述微硅粉的总质量的0.5％～1.0％。

4.根据权利要求1所述的超轻质水泥基复合材料，其特征在于，所述混凝土减缩剂为所述水泥和所述微硅粉的总质量的1.2％～1.5％。

5.根据权利要求1所述的超轻质水泥基复合材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

6.根据权利要求1所述的超轻质水泥基复合材料，其特征在于，所述空心微珠的密度为900m³/kg，粒径为10μm～300μm，压碎强度为17MPa，pH为7～8，含水率＜0.5％；

所述空心微珠为空心微珠QK300。

7.根据权利要求1所述的超轻质水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级为P·Ⅱ52.5R。

8.根据权利要求1所述的超轻质水泥基复合材料，其特征在于，所述微硅粉的比表面积为20-25×10³m²/kg。

9.一种权利要求1至8任意一项所述的超轻质水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将水泥、微硅粉和空心微珠进行干拌，得到干拌料；

步骤4：将所述拌合物分三层装模，振捣成型后，每层振动压实，放置24～48h后拆模，得到超轻质水泥基复合材料。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤1所述干拌的速率为48转/min，时间为3～5min；

步骤2所述搅拌的速率为48转/min，时间为5～8min。