CN113880509A - 一种掺合矿粉的泡沫混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种掺合矿粉的泡沫混凝土，属于泡沫混凝土技术领域。一种掺合矿粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：18~32%，CaO：25~45%，MgO：3~7%，Fe₂O₃：0.1~6%，Al₂O₃：6~14%。基于本发明以改善泡沫混凝土的质轻而强度不足的问题。

Description

一种掺合矿粉的泡沫混凝土

技术领域

本发明属于泡沫混凝土技术领域，具体涉及一种掺合矿粉的泡沫混凝土。

背景技术

我国是钢铁大国，矿渣资源丰富。根据矿渣粉的国家标准要求及产品性能特点，我国的磨细高炉矿渣粉主要应用于水泥厂作为混合材料以及混凝土搅拌站作为掺合料。此外，还有部分矿渣粉实现了出口。

最早在1933年，德国就出现了矿渣的雏形应用技术-湿碾矿渣及湿碾矿渣混凝土。上世纪50年代时，此技术曾经出现在部分预制混凝土的应用中，由于湿碾矿渣浆储存和运输的困难无法解决，让矿渣粉的推广无法实施。进入60年代，随着预拌混凝土行业的兴起和蓬勃发展，矿渣粉技术也趋于成熟，终于成为混凝土的活性掺合材料并得到了广泛应用。美国、日本也相应推出一系列混凝土用矿渣粉的应用标准，使矿渣粉有了科学应用的依据，矿渣粉混凝土的技术才在世界范围内逐步推广开来，取得引人瞩目的发展。

我国在商品混凝土应用方面晚于国外，20世纪90年代以前，我国的商品混凝土掺合料以粉煤灰为主，矿渣主要作为矿渣水泥的混合材料进行应用（张永娟，张雄.矿渣水泥活性研究[J].同济大学学报（自然科学版），2005，33（2）：208－211.），大多数水泥厂将矿渣和水泥熟料混合粉磨，粉磨后的矿渣比表面积为300m²/kg左右。矿渣水泥产品一般都是早期强度较低，凝结时间长，普遍作为低水化热水泥应用。进入20世纪90年代后，商品混凝土在全国推广开来，混凝土厂家进行成本控制，逐步将矿渣粉应用技术引入。国家标准化管理委员会于2000年制定GB18046-2000《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉》。自此，矿渣粉在各个行业领域的应用推广开来，与粉煤灰、硅灰等材料一样，成为取代混凝土中水泥成份的一种活性材料，广泛应用于混凝土生产。由于它的掺量大，能够大规模节约水泥，并且能够和其他掺合料、外加剂共同使用，达到混凝土设计要求，节约成本，陆续出现在建筑、水工、工业、电力等多种行业的基础建设中。

矿渣粉可以改善混凝土耐久性，国内外有大量研究成果。其作用机理包括微集料效应，改善混凝土的孔结构，降低孔隙率并减小孔径的尺寸，使混凝土形成密实充填结构和细观层次的自紧密堆积体系；其次矿渣混凝土水化时能产生较多的C-S-H凝胶，而C-S-H凝胶会吸附一部分氯离子，这种物理吸附能减弱氯离子向混凝土内部的渗透，因而矿渣微粉可提高混凝土抗氯离子渗透的性能：矿渣微粉掺入混凝土中能吸收部分氢氧化钙，发生二次水化反应，从而改善界面区氢氧化钙的取向度，降低氢氧化钙的含量，还可减小氢氧化钙晶体的尺寸，改善混凝土中水泥浆体与集料间的界面结构；在水泥水化初期，矿渣微粉分布并包裹在水泥颗粒的表面可延缓和减少水泥初期水化产物的相互搭接，起到隔离的作用，因而具有一定的减水作用，矿渣微粉还具有一定的保水性，能改善混凝土的粘聚性和泌水性，使混凝土具有良好的和易性。

目前，矿粉在混凝土方面的研究已取得显著成效，但是在泡沫混凝土方面的系统性研究则相对滞后。泡沫混凝土具有质轻、保温隔热、隔音耐火、抗震等优异的性能，在建筑工程方面有广泛应用。由于所制备出的材料质轻，在实际应用中出现了强度不足的缺点。目前对于我国的混凝土来说，整体的发展趋势是向高性能方向快速发展，因此对于制备出质轻且高强度的泡沫混凝土变得至关重要。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种高性能掺合矿粉的泡沫混凝土，改善泡沫混凝土在干密度不大于400kg/m³时抗压强度过低的不足。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种掺合矿粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：18~32%，CaO：25~45%，MgO：3~7%，Fe₂O₃：0.1~6%，Al₂O₃：6~14%。

其中，所述CaO的质量百分比与SiO₂的质量百分比的比值为1.05~2.0。

优选地，所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：20~30%，CaO：32~40%，MgO：3.5~6.5%，Fe₂O₃：0.5~5%，Al₂O₃：7~13%。

优选地，所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：24~27%，CaO：34~36%，MgO：3.5~5.5%，Fe₂O₃：4~5%，Al₂O₃：7~8.5%。

优选地，所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：22~28%，CaO：33~38%，MgO：3.5~6.5%，Fe₂O₃：1~5%，Al₂O₃：6.5~12%。

优选地，所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：24~27%，CaO：34~36%，MgO：4~6%，Fe₂O₃：2~4%，Al₂O₃：6~10%。

优选地，所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：25.20%，CaO：34.29%，MgO：3.86%，Fe₂O₃：4.79%，Al₂O₃：7.87%。

优选地，所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土，还包括如下质量百分比的成分组成：MnO：0.01~1.5%。

进一步地，一种掺合矿粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）精确称量水、胶凝材料、矿粉和泡沫混凝土废料细粉，混合，制得浆料；

2）将发泡剂制成泡沫；

3）分别将步骤1）制备的浆料和步骤2）制备的泡沫均匀混合，制得混合浆料；

4）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

进一步地，一种掺合矿粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）精确称量水、胶凝材料、矿粉和泡沫混凝土废料细粉，混合，制得浆料；

2）将发泡剂与步骤1）制备的浆料混合，制得混合浆料；

3）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

已有研究表明，矿渣粉主要从两个方面对水泥和混凝土的强度产生影响：一是物理效应，主要表现为物理填充效应，利用微粉的颗粒增强填充作用，可以提高水泥的强度；二是化学效应，主要表现为改变水泥水化产物的组成和影响水泥水化的过程。对水泥常用混合材（矿渣等）进行合理粉磨，寻求最佳颗粒级配，在发挥混合材堆积效应的同时，可以更好的发挥混合材的化学效应，增加水泥浆体中C-S-H数量，降低C-S-H的C/S比、钙矾石和氢氧化钙含量。在大量掺加矿渣粉的同时，水泥强度不但不降低，反而可能提高。

另外，由于矿渣中除含有大量玻璃体以外，还有少量的硅酸一钙或硅酸二钙等结晶态组分，所以矿渣粉具有一定的水硬性。当矿渣粉的粒径＞45µm时，其颗粒很难参与水化反应，因此要求矿渣粉的细度要磨到比表面积最好大于400m²/kg以上。当矿渣磨细到一定程度以后，才会充分参加水化反应，发生活性。理论上来讲，矿渣粉越细，活性越高，对混凝土的性能越有益处，但是当矿渣粉越细，掺量越大，则低水灰比高强混凝土拌合物越稠，而且过细的矿渣粉会造成粉磨困难，加工成本也会随之提高。

目前，对泡沫混凝土的大部分研究都局限于对其性能的评估，而没有关注成分组成对其性能的影响。申请人基于对不同掺合矿粉泡沫混凝土的研究发现，由于不同来源的矿粉、胶凝材料等的组成及其性能存在较大差异，致使泡沫混凝土制品的性能研究非常繁琐，而若关注泡沫混凝土制品的化学组成则能够避免进入原料复杂难以取舍的误区。基于此，申请人通过大量实验研究、统计与总结，得出掺合矿粉的泡沫混凝土组成，从而由化学组分的变化即可预期泡沫混凝土产品的性能，从而可以克服改变某一原料或制备参数时无从预测泡沫混凝土性能变化的缺陷，获得预期效果的泡沫混凝土。

在本发明中，SiO₂和CaO为泡沫混凝土水热反应的形成物，是基础且主要成分；MgO、Fe₂O₃、Al₂O₃和MnO均是泡沫混凝土强度的增强成分，适量的存在对维持泡沫混凝土的强度或泡孔结构的稳定性、均匀性等具有重要作用；同时铁及铝成分的存在还能够维持泡孔的稳定性，使泡壁坚韧，形状更均一，不容易在重力挤压过程中破灭或过度变形；在泡沫混凝土的形成过程中，铁及铝成分的存在，能够使液膜在浆体内长时间不易破裂，实现更远的输送距离；支持泡沫混凝土浆料终凝前保持气孔原态。

本发明泡沫混凝土中CaO/SiO₂的比值为1.05~2.0，同时MgO、Fe₂O₃、Al₂O₃和MnO的含量适宜，更易于形成稳定的C-S-H胶体及钙矾石晶体结构，使泡沫混凝土的早期及长期强度更高更稳定，在密度不大于400kg/m³时，28天抗压强度在2.0MPa以上，实现质轻且强度更高的目的。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

一种掺合矿粉的泡沫混凝土，由如下质量百分比的成分组成：SiO₂：18~32%，CaO：25~45%，MgO：3~7%，Fe₂O₃：0.1~6%，Al₂O₃：6~14%，MnO：0~1.5%，余量为不可避免的杂质及烧失量。

其中，所述CaO的质量百分比与SiO₂的质量百分比的比值为1.05~2.0。

实施例1~实施例8泡沫混凝土的化学组分的质量百分比（wt%），如下表所示：

组别	SiO<sub>2</sub>	CaO	MgO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MnO	烧失量
								实施例1	27.08	37.31	5.56	0.96	12.10	0	余量
实施例2	25.84	36.64	6.04	1.44	11.50	0	余量
								实施例3	22.00	38.66	6.28	0.96	12.10	0	余量
实施例4	25.20	34.29	3.86	4.79	7.87	0	余量
								实施例5	26.96	35.9	3.82	4.26	8.24	0.85	余量
实施例6	20.76	41.51	4.14	1.72	9.63	0.03	余量
								实施例7	23.36	37.88	4.30	2.18	10.36	0.02	余量
实施例8	30.52	32.35	5.83	1.10	8.04	0.12	余量

泡沫混凝土的干密度和抗压强度的测试：参照JG/T266-2011。

实施例1~实施例8泡沫混凝土的性能如下表所示：

组别	干密度/kg·m<sup>3</sup>	28天抗压强度/MPa
			实施例1	382	2.3
实施例2	390	2.0
			实施例3	384	2.1
实施例4	387	2.1
			实施例5	395	2.4
实施例6	393	2.0
			实施例7	375	2.2
实施例8	381	2.1

由上述数据可知，本发明泡沫混凝土的干密度不大于400kg/m³，28天抗压强度在2.0MPa以上。

在本发明的一种具体实施方案中，泡沫混凝土的原料组成，以重量份计为：水120~300份、胶凝材料50~300份、泡沫混凝土废料细粉50~180份、矿粉10~120份、发泡剂0.5~10份。

在本发明的一种具体实施方案中，胶凝材料为水泥、石膏和石灰中的一种或两种以上。其中的水泥、石膏和石灰可选用市售产品，不局限于特定型号。

在本发明的一种具体实施方案中，泡沫混凝土废料细粉是将泡沫混凝土废料经破碎、研磨、筛分后获得，粒径控制在50μm以下。

在本发明的一种具体实施方案中，发泡剂为复合型发泡剂，由如下重量份的原料制成：表面活性剂20~50份、稳泡剂10~30份、水30~60份、稀释剂1~10份、增强剂1~3份、保水剂0.5~2份；所述表面活性剂为α-烯基磺酸钠、脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚的组合物，三者的重量比为（1~4）：（0.75~3）：1；所述稳泡剂为改性硅树脂聚醚乳液；所述稀释剂为乙醇、正丙醇和正丁醇的一种或两种以上；所述增强剂为氯化钠或氯化镁；所述保水剂为羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基纤维素的一种或两种以上。

泡沫混凝土中的泡沫稳定性是确保整个硬化过程中气孔均匀质地的重要方面之一；并且在气孔孔径减小的情况下，保持气泡的均匀稳定，对其强度的提高可能有一定的影响。本发明发泡剂高压或水平泵送1500米以上不消泡、不塌落；易溶于水，泡沫丰富，泡径均匀；耐碱、抗硬水，可用池塘水或是湖泊水或者是井水等，就地取水方便实用；粘弹性适中，可以提高泡沫混凝土的性能，使产品结构致密，有效改善抗压强度。

以下给出本发明掺合矿粉的泡沫混凝土的具体制备案例。

实施例9

一种掺合矿粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）提供如下原料：水、水泥、泡沫混凝土废料细粉和矿粉；

利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制，搅拌状态下分别加入水270重量份、水泥300重量份、泡沫混凝土废料细粉180重量份、矿粉20重量份，同时控制加水、注料及搅拌速度，确保无水泥团，制得浆料；

2）利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制将复合发泡剂5重量份制成泡沫；

3）在自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制下，分别将步骤1）制备的浆料和步骤2）制备的泡沫均匀混合，制得混合浆料；

4）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

其中，复合发泡剂由如下重量份的原料制成：表面活性剂25份、稳泡剂15份、水57份、稀释剂1份、增强剂1份、保水剂0.5份；所述表面活性剂为α-烯基磺酸钠、脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚的组合，三者的重量比为2.5：1.5：1；所述稳泡剂为改性硅树脂聚醚乳液，所述稀释剂为乙醇；所述增强剂为氯化钠，所述保水剂为羟丙基甲基纤维素。

实施例10

一种掺合矿粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）提供如下原料：水、水泥、泡沫混凝土废料细粉、矿粉；

利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制，搅拌状态下分别加入水170重量份、水泥100重量份、泡沫混凝土废料细粉100重量份、矿粉50重量份，同时控制加水、注料及搅拌速度，确保无水泥团，制得浆料；

2）利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制将复合发泡剂1重量份制成泡沫；

3）在自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制下，分别将步骤1）制备的浆料和步骤2）制备的泡沫均匀混合，制得混合浆料；

4）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

其中，复合发泡剂由如下重量份的原料制成：表面活性剂30份、稳泡剂10份、水55份、稀释剂3份、增强剂1.5份、保水剂0.8份；所述表面活性剂为α-烯基磺酸钠、脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚的组合，三者的重量比为4：3：1；所述稳泡剂为改性硅树脂聚醚乳液，所述稀释剂为乙醇；所述增强剂为氯化钠，所述保水剂为羟丙基甲基纤维素。

实施例11

一种掺合矿粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）提供如下原料：水、水泥、泡沫混凝土废料细粉、矿粉；

利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制，搅拌状态下分别加入水200重量份、水泥180重量份、泡沫混凝土废料细粉100重量份、矿粉60重量份，同时控制加水、注料及搅拌速度，确保无水泥团，制得浆料；

2）利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制将复合发泡剂3重量份与步骤1）制备的浆料混合，制得混合浆料；

3）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

其中，复合发泡剂由如下重量份的原料制成：表面活性剂32份、稳泡剂22份、水38份、稀释剂5份、增强剂2份、保水剂1份；所述表面活性剂为α-烯基磺酸钠、脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚的组合，三者的重量比为1：0.75：1；所述稳泡剂为改性硅树脂聚醚乳液，所述稀释剂为正丁醇；所述增强剂为氯化钠，所述保水剂为羟丙基甲基纤维素与羟乙基纤维素的组合物，所述羟丙基甲基纤维素与羟乙基纤维素的重量比为1：2。

实施例12

一种掺合矿粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）提供如下原料：水、水泥、泡沫混凝土废料细粉、矿粉；

利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制，搅拌状态下分别加入水180重量份、水泥250重量份、泡沫混凝土废料细粉150重量份、矿粉80重量份，同时控制加水、注料及搅拌速度，确保无水泥团，制得浆料；

2）利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制将复合发泡剂10重量份与步骤1）制备的浆料混合，制得混合浆料；

3）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

其中，复合发泡剂由如下重量份的原料制成：表面活性剂38份、稳泡剂25份、水26份、稀释剂7份、增强剂2.5份、保水剂1.5份；所述表面活性剂为α-烯基磺酸钠、脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚的组合，三者的重量比为1.5：1：1；所述稳泡剂为改性硅树脂聚醚乳液，所述稀释剂为乙醇；所述增强剂为氯化钠，所述保水剂为羟丙基纤维素。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种掺合矿粉的泡沫混凝土，其特征在于：包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：18~32%，CaO：25~45%，MgO：3~7%，Fe₂O₃：0.1~6%，Al₂O₃：6~14%。

2.如权利要求1所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土，其特征在于：包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：20~30%，CaO：32~40%，MgO：3.5~6.5%，Fe₂O₃：0.5~5.5%，Al₂O₃：7~13%。

3.如权利要求1所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土，其特征在于：包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：22~28%，CaO：33~38%，MgO：3.5~6.5%，Fe₂O₃：1~5%，Al₂O₃：6.5~12%。

4.如权利要求1所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土，其特征在于：包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：24~27%，CaO：34~36%，MgO：4~6%，Fe₂O₃：2~4%，Al₂O₃：6~11%。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土，其特征在于：还包括如下质量百分比的成分组成：MnO：0.01~1.5%。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）精确称量水、胶凝材料、矿粉和泡沫混凝土废料细粉，混合，制得浆料；

2）将发泡剂制成泡沫；

3）分别将步骤1）制备的浆料和步骤2）制备的泡沫均匀混合，制得混合浆料；

4）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

7.如权利要求1-5任一项所述的一种掺合矿粉的泡沫混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）精确称量水、胶凝材料、矿粉和泡沫混凝土废料细粉，混合，制得浆料；

2）将发泡剂与步骤1）制备的浆料混合，制得混合浆料；

3）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。