CN114368947B - 一种可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于混凝土技术领域，公开了一种可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土及其制备方法。该纳米泡沫玻璃微珠混凝土，包括以下组分：外掺料、纳米泡沫、胶凝材料、水；外掺料包括聚乙烯醇纤维和玻璃微珠。该纳米泡沫玻璃微珠混凝土的密度可显著低于现有技术中泡沫混凝土的1000kg/m3，甚至低至700kg/m3，且本发明所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土的密度低至700kg/m3时，7天抗压强度仍可达到4.0MPa的高强度，远高于市场其他泡沫混凝土的抗压强度。另外，该纳米泡沫玻璃微珠混凝土还具有良好的防火、隔热、隔音效果。

Description

一种可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，特别涉及一种可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土及其制备方法。
背景技术
泡沫混凝土是将发泡剂通过机械方式进行发泡，得到泡沫，再将泡沫加入水泥基胶凝材料中，混合均匀后浇筑成型，最后经养护，形成微孔轻质材料。泡沫混凝土突出的优点是在混凝土内形成的泡沫孔，将高密度的水泥混凝土轻质化、功能化，从而赋予了混凝土轻质、保温、隔热、隔声、防火、耐腐蚀等各种功能，因此为混凝土开辟除了一个特殊应用的领域。
泡沫混凝土作为新型的无机防火保温材料，普遍存在密度大，强度低以及保温性不及有机材料等缺陷。目前，泡沫混凝土在各个领域的应用并没有被广泛推广使用，主要是有由于密度和抗压强度问题。通常，泡沫混凝土的密度和抗压强度指标是相互对立的。现有技术中的泡沫混凝土在密度较低时，虽然可以达到轻质的效果，但是强度会下降，这大大限制了泡沫混凝土的应用。因此，对泡沫混凝土研究的重点往往在于解决在降低泡沫混凝土密度的前提条件下，如何提高其抗压强度，以及平衡泡沫混凝土的其他性能，例如防火、隔热以及隔音性能。特别是将泡沫混凝土应用在门板中，泡沫混凝土需要满足轻质、强度大的性能，进一步还需要满足防火、隔热、隔音性能。
因此，亟需提供一种新型的混凝土，不仅具有低的密度，而且具有高的强度，进一步的，还具有良好的防火、隔热以及隔音性能。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土及其制备方法，所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土的密度可显著低于现有技术中泡沫混凝土的1000kg/m3，甚至低至700kg/m3，且本发明所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土的密度低至700kg/m3时，7天抗压强度仍可达到4.0MPa的强度。另外，本发明所述的纳米泡沫玻璃微珠混凝土还具有良好的防火、隔热、隔音效果。
本发明的发明构思：本发明所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土包括外掺料(外掺料包括聚乙烯醇(PVA)纤维、玻璃微珠)、纳米泡沫以及胶凝材料，聚乙烯醇(PVA)纤维的分子结构含-CHOH-基团，可与胶凝材料中的水泥水化物中的-OH基团形成牢固的氢桥，从而显著提高纳米泡沫玻璃微珠混凝土的力学强度。纳米泡沫使得所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土的孔径≤100微米，玻璃微珠均匀分散在所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土的孔隙结构中，起到稳泡和减少破泡的作用，保证所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土的轻质效果，同时也保证所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土尺寸的稳定性，能够减少收缩和翘曲，也具有提高纳米泡沫玻璃微珠混凝土力学强度的作用。聚乙烯醇纤维、纳米泡沫、玻璃微珠三种组分的存在，可保证纳米泡沫玻璃微珠混凝土既具有轻质效果，同时还具有良好的力学强度效果。
本发明的第一方面提供一种可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土。
具体的，一种可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土，包括以下组分：外掺料、纳米泡沫、胶凝材料、水；所述外掺料包括聚乙烯醇纤维和玻璃微珠。
优选的，所述玻璃微珠的密度为0.19-0.25g/cm3；进一步优选的，所述玻璃微珠的密度为0.20-0.24g/cm3。
优选的，所述玻璃微珠的粒径≤80μm；进一步优选的，所述玻璃微珠的粒径≤75μm。
优选的，所述玻璃微珠为碱石灰硼硅酸盐玻璃微珠；进一步优选的，所述玻璃微珠为H46型高性能玻璃微珠。
优选的，所述胶凝材料为水泥；进一步优选的，所述水泥为硅酸盐水泥。
优选的，所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土还包含减水剂，例如聚羧酸减水剂。
优选的，所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土，按质量计，包括以下组分：外掺料45-220g、胶凝材料850-1000g、水350-750g，所述纳米泡沫的体积为胶凝材料体积的0.4-22倍。
进一步优选的，所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土，按质量计，包括以下组分：外掺料50-200g、胶凝材料850-950g、水350-750g，所述纳米泡沫的体积为胶凝材料体积的0.5-20倍。
优选的，所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土包括聚乙烯醇纤维0.1-25g、玻璃微珠45-160g；进一步优选的，所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土包括聚乙烯醇纤维0.1-20g、玻璃微珠50-150g。
优选的，所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土，所述水与所述胶凝材料的质量比为0.30-0.68；进一步优选的，所述水与所述胶凝材料的质量比为0.55-0.65。例如在所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土中，水的含量为350-750g。
优选的，所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土，按质量计，包括减水剂0-20g，进一步优选包括减水剂0-15g。
优选的，所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土，按质量计，包括以下组分：聚乙烯醇纤维0.1-20g、玻璃微珠50-150g、胶凝材料850-1000g、水350-750g、减水剂0-15g，所述纳米泡沫的体积为胶凝材料体积的0.4-22倍。
本发明的第二方面提供上述可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土的制备方法。
具体的，一种可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将胶凝材料与水搅拌混合，然后加入外掺料，搅拌，制得混合物；
(2)将纳米泡沫加入到步骤(1)制得的混合物中，搅拌，注浆成型，养护，拆模，制得所述可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土。
优选的，步骤(1)中，胶凝材料与水搅拌混合的过程分两个阶段，第一个阶段是在50-100转/分钟的速度下搅拌20-40s，第二个阶段是在80-150转/分钟的速度下搅拌0.8-2分钟。
优选的，步骤(1)中，加入外掺料的过程是先加入聚乙烯醇纤维，然后加入玻璃微珠，且玻璃微珠分多次加入，每次加入的玻璃微珠质量为剩余的玻璃微珠的1/2至1/3，可通过3-10次将玻璃微珠加入。玻璃微珠分多次加入的效果在与能很好的避免玻璃微珠漂浮到空气中，可使玻璃微珠分散更均匀。
优选的，步骤(2)中，所述纳米泡沫通过发泡机和发泡液产生，所述发泡液包括纳米发泡剂和水。
进一步优选的，所述发泡液中，纳米发泡剂和水的质量体积比为(28-35)g：(8-12)L；更有选的，纳米发泡剂和水的质量体积比为(32-33)g：(9.5-10)L。
优选的，所述纳米发泡剂，按重量份数计，包括聚丙烯酰胺0.5-5份、聚乙烯亚胺3-20份、聚乙烯吡咯烷酮10-20份、羟丙基甲基纤维素35-50份、三乙醇胺1-5份，表面亲水改性的纳米氧化钛20-35份、表面活性剂15-30份；进一步优选的，所述纳米发泡剂，按重量份数计，包括聚丙烯酰胺1-4份、聚乙烯亚胺5-14份、聚乙烯吡咯烷酮12-18份、羟丙基甲基纤维素38-45份、三乙醇胺2-4份、表面亲水改性的纳米氧化钛20-30份、表面活性剂15-30份。
优选的，所述表面亲水改性的纳米氧化钛是使用烷氧基化烷基二醇、烷氧基化烷基炔属二醇、硅氧烷共聚醇中的至少一种物质对纳米二氧化碳进行表面亲水改性(具体的改性操作过程为本领域常规过程)。
优选的，所述表面活性剂选自烷氧基化烷基二醇、烷氧基化烷基炔属二醇或硅氧烷共聚醇中的至少一种。
优选的，所述纳米发泡剂是直接将各组分混合制得。
优选的，所述发泡机的发泡管长度为70-95cm；进一步优选发泡机的发泡管长度为70-90cm。
优选的，步骤(2)中，所述搅拌是采用螺带式搅拌机进行搅拌，可使纳米泡沫和胶凝材料混合均匀，以及使纳米泡沫在搅拌过程中破损率降至5％以内。
优选的，步骤(2)中，所述养护是在湿养条件下养护24-48小时。例如在喷水的条件下进行养护。
本发明的第三方面提供上述可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土的应用。
上述纳米泡沫玻璃微珠混凝土在建筑领域、3D打印领域、垃圾掩埋领域、防爆领域或地面阻拦系统领域中的应用。
一种门板，包括上述纳米泡沫玻璃微珠混凝土。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土包括外掺料(外掺料包括聚乙烯醇(PVA)纤维、玻璃微珠)、纳米泡沫以及胶凝材料，聚乙烯醇纤维的分子结构含-CHOH-基团，可与胶凝材料中的水泥水化物中的-OH基团形成牢固的氢桥，从而显著提高纳米泡沫玻璃微珠混凝土的力学强度。纳米泡沫使得所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土的孔径≤100微米，玻璃微珠均匀分散在所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土的孔隙结构中，起到稳泡和减少破泡的作用，保证所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土的轻质效果，同时也保证所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土尺寸的稳定性，能够减少收缩和翘曲，也具有提高纳米泡沫玻璃微珠混凝土力学强度的作用。聚乙烯醇纤维、纳米泡沫、玻璃微珠三种组分的存在，可保证纳米泡沫玻璃微珠混凝土既具有轻质效果，同时还具有良好的力学强度效果。
(2)由于玻璃微珠的憎水性，使泡沫混凝土内部的气泡均匀分散，能形成良好的孔隙结构，玻璃微珠具有极高的闭孔率，不同型号的玻璃微珠的导热系数也不尽相同，完全能满足不同领域的应用。并且玻璃微珠各向同性和高填充量的特性，使得纳米泡沫玻璃微珠混凝土制品尺寸的稳定性非常高，能够减少收缩和翘曲。
(3)所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土的密度可显著低于现有技术中泡沫混凝土的1000kg/m3，甚至低至700kg/m3，且本发明所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土的密度低至700kg/m3时，7天抗压强度仍可达到4.0MPa的强度。另外，本发明所述的纳米泡沫玻璃微珠混凝土还具有良好的防火、隔热、隔音效果。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
以下实施例所用硅酸盐水泥可为唐山冀东水泥股份有限公司生产的52.5R硅酸盐水泥，玻璃微珠可为碱石灰硼硅酸盐玻璃微珠型号为H46。聚乙烯醇(PVA)纤维可为日本Kuraray公司生产的可乐力纤维。
以下实施例所用发泡机为邢台奥森机械长提供的水泥泡沫发泡机，型号为AS-937。
实施例1-8：纳米泡沫玻璃微珠混凝土的制备
用于制备实施例1-8纳米泡沫玻璃微珠混凝土的原料组分及其用量如表1所示。
表1
实施例1-8纳米泡沫玻璃微珠混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅酸盐水泥倒入搅拌锅略微搅拌后(搅拌速度为50转/分钟)，加入水搅拌混合(搅拌混合的过程分两个阶段，第一个阶段是在50转/分钟的速度下搅拌30s，第二个阶段是在140转/分钟的速度下搅拌1分钟)，然后加入聚乙烯醇纤维，再加入玻璃微珠(玻璃微珠的粒径为60-65μm)，且玻璃微珠分10次加入，前面9次加入的玻璃微珠质量为剩余的玻璃微珠的1/2，搅拌(搅拌速度为50转/分钟)1分钟，制得混合物；
(2)用发泡机(将发泡液置于发泡机中产生纳米泡沫，发泡液由33g纳米发泡剂和10L组成，纳米发泡剂中，按重量份数计，包括聚丙烯酰胺3份、聚乙烯亚胺10份、聚乙烯吡咯烷酮15份、羟丙基甲基纤维素45份、三乙醇胺2份，用烷氧基化烷基二醇表面亲水改性的纳米氧化钛25份、烷氧基化烷基二醇20份，直接将各组分混合，制得纳米发泡剂)产生纳米泡沫，在50转/分钟的搅拌速度下，将纳米泡沫加入到步骤(1)制得的混合物中，搅拌是采用螺带式搅拌机进行搅拌，加完纳米泡沫后继续搅拌(搅拌速度为50转/分钟)40秒，注浆成型，湿养条件下养护36小时，拆模，制得可用于门板的纳米泡沫玻璃微珠混凝土。
对比例1
与实施例1相比，对比例1的区别仅在于，对比例1用聚乙烯纤维的代替实施例1中的聚乙烯醇纤维，其余组分和制备方法与实施例1相同。
对比例2
与实施例1相比，对比例2用市售的W.R.Grace发泡剂产品代替实施例1中的纳米发泡剂，加入的泡沫体积与实施例1相同，其余组分和制备方法与实施例1相同。
对比例3
与实施例1相比，对比例3中不加入碱石灰硼硅酸盐玻璃微珠，其余组分和制备方法与实施例1相同。
应用例
一种门板，包括实施例1制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土。
产品效果测试
1.纳米泡沫玻璃微珠混凝土的密度和强度
本发明实施例1制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土密度为900kg/m3，对比例1制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土密度约为900kg/m3，实施例1制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土的7天抗压强度为4.5MPa(在测试7天抗压强度之前，纳米泡沫玻璃微珠混凝土的标准养护条件为每天喷水养护4次)，对比例1制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土的7天抗压强度为4.2MPa(在测试7天抗压强度之前，纳米泡沫玻璃微珠混凝土的标准养护条件为每天喷水养护4次)。由此可见，在混凝土密度相同的情况下，本发明实施例1使用聚乙烯醇纤维相对使用聚乙烯纤维制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土，可显著提高纳米泡沫玻璃微珠混凝土的抗压强度。
本发明实施例5制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土中含大量的纳米泡沫和碱石灰硼硅酸盐玻璃微珠，因此，本发明实施例5制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土的密度可低至700kg/m3，实施例5制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土的7天抗压强度为4.0MPa，显著低于现有技术中一般的泡沫混凝土的密度1000kg/m3，且实施例5制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土在密度低至700kg/m3的情况下，7天抗压强度仍可达到4.0MPa的强度(现有技术中的泡沫混凝土的密度为700kg/m3时，对应的7天抗压强度低于3.2MPa)。
本发明实施例1制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土的密度相对对比例3制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土的密度下降25％。由此可见，本发明在纳米泡沫玻璃微珠混凝土中加入碱石灰硼硅酸盐玻璃微珠可显著降低纳米泡沫玻璃微珠混凝土的密度。
2.纳米泡沫玻璃微珠混凝土的孔隙对应的孔径
本发明实施例1-8制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土中孔隙对应的孔径≤100μm，对比例2制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土中孔隙对应的孔径大于400μm，小于500μm。由此可见，本发明在纳米泡沫玻璃微珠混凝土中加入纳米泡沫相对于现有技术加入发泡剂，本发明纳米泡沫玻璃微珠混凝土含更小的密闭孔。
3.纳米泡沫玻璃微珠混凝土的防火等级、导热系数、吸音能力
本发明实施例1-8制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土对应的防火等级达到A1级。
本发明实施例1-8制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土对应的导热系数为0.13-0.25W/(m·K)，不锈钢的导热系数为17W/(m·K)，硬木的导热系数为0.18W/(m·K)。
本发明实施例1-8制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土对应的吸音能力为0.09-0.23％，具有良好的隔音性能。
综上所述，本发明实施例1-8制得的纳米泡沫玻璃微珠混凝土可具有低密度、高强度的性能，而且还具有良好的防火等级、导热系数、吸音能力。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，例如改变组分的含量，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纳米泡沫玻璃微珠混凝土，其特征在于，由以下组分构成：按质量计，外掺料45-220g、纳米泡沫、胶凝材料850-1000g、水350-750g；所述外掺料包括聚乙烯醇纤维和玻璃微珠；
所述纳米泡沫的体积为胶凝材料体积的0.4-22倍；
所述纳米泡沫通过发泡机和发泡液产生，所述发泡液包括纳米发泡剂和水；
所述纳米发泡剂，按重量份数计，包括聚丙烯酰胺0.5-5份、聚乙烯亚胺3-20份、聚乙烯吡咯烷酮10-20份、羟丙基甲基纤维素35-50份、三乙醇胺1-5份，表面亲水改性的纳米氧化钛20-35份、表面活性剂15-30份；
所述表面亲水改性的纳米氧化钛是使用烷氧基化烷基二醇、烷氧基化烷基炔属二醇、硅氧烷共聚醇中的至少一种物质对纳米氧化钛进行表面亲水改性；
所述表面活性剂选自烷氧基化烷基二醇、烷氧基化烷基炔属二醇或硅氧烷共聚醇中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的纳米泡沫玻璃微珠混凝土，其特征在于，所述玻璃微珠的密度为0.19-0.25g/cm3；所述玻璃微珠的粒径≤80μm。
3.根据权利要求1所述的纳米泡沫玻璃微珠混凝土，其特征在于，所述玻璃微珠为碱石灰硼硅酸盐玻璃微珠。
4.根据权利要求1所述的纳米泡沫玻璃微珠混凝土，其特征在于，所述胶凝材料为水泥；所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土还包含减水剂。
5.根据权利要求1所述的纳米泡沫玻璃微珠混凝土，其特征在于，按质量计，包括以下组分：聚乙烯醇纤维0.1-20g、玻璃微珠50-150g、胶凝材料850-1000g、水350-750g、减水剂0-15g，所述纳米泡沫的体积为胶凝材料体积的0.4-22倍。
6.权利要求1-5任一项所述的纳米泡沫玻璃微珠混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述胶凝材料与水搅拌混合，然后加入外掺料，搅拌，制得混合物；
(2)将所述纳米泡沫加入步骤(1)制得的混合物中，搅拌，注浆成型，养护，拆模，制得所述纳米泡沫玻璃微珠混凝土。
7.权利要求1-5任一项所述的纳米泡沫玻璃微珠混凝土在建筑领域、3D打印领域、垃圾掩埋领域、防爆领域或地面阻拦系统领域中的应用。
8.一种门板，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的纳米泡沫玻璃微珠混凝土。
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