CN114560667A

CN114560667A - 一种轻质节能泡沫混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN114560667A
Application number: CN202210330406.0A
Authority: CN
Inventors: 刘波; 刘玉曦
Original assignee: Wuchang University of Technology
Current assignee: Wuchang University of Technology
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2042-03-31
Also published as: CN114560667B

Abstract

本发明公开了一种轻质节能泡沫混凝土及其制备方法。本发明轻质节能泡沫混凝土由如下质量百分比的组分组成：30～50％水泥砂浆、0.5～5％熟石灰、5～15％黏土、3～12％粉煤灰、1～3％增塑剂、1～5％改性发泡剂、0.5～2％分散剂、1～3％减水剂、25～35％水，其中改性发泡剂采用三羟甲基丙烷和氯化亚砜反应，再通过氢化钛和纳米氧化铝生成的复合物改性后制备而成，轻质节能泡沫混凝土通过发泡‑浆料‑拌合‑养护的工艺加工成型。与现有技术相比，本发明制备的轻质节能泡沫混凝土具有良好的孔隙结构和力学强度、质地轻、干缩率低。

Description

一种轻质节能泡沫混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种轻质节能泡沫混凝土及其制备方法。

背景技术

泡沫混凝土是将预制泡沫引入水泥或砂浆中制成的一种轻质保温材料。泡沫混凝土因其密度低、耐火性能好、流动性大、导热系数低而在建筑中得到了广泛的应用。然而，泡沫混凝土也存在力学性能差、收缩率高、能耗高、开裂风险大等缺点，限制了其应用。为了缓解这些问题，人们通过优化孔隙形状，减小孔隙尺寸，并向水泥浆体中添加硅灰、粉煤灰、纤维和其他填料进行了许多研究。与其他方法相比，优化孔隙分布是提高泡沫混凝土力学性能最重要、最有效的途径之一。在泡沫混凝土中引入与泡沫混凝土的力学性能和孔隙结构密切相关的预制泡沫材料，产生大量空隙，制备水泥浆体中无泌水和气泡聚集的超稳定泡沫可以显著改善泡沫混凝土的性能。

专利号CN110041095A公开了一种节能轻质泡沫混凝土的制备方法。该发明的水泥砂浆原材料易购，生产工艺不复杂，简单易于生产，使用过程中方便并能均匀使用，满足生产的稳定性，并且提高了生产效率，使用不破坏环境的电厂、矿山、建筑工地等的废弃物(不大于0.5CM粉煤灰、炉灰、炉渣等可直接利用)，及0.01％发泡剂 (自主研发生产)、2％外加剂(自主研发生产、25％水泥(标号42.5) 混合制成品，每立方米800公斤左右(轻质环保节能建筑材料)、无龟裂现象产生、整体平整度好、节约能源、增强隔音、保温效果好、无龟裂现象产生、整体平整度好。但是该节能轻质泡沫混凝土采用的是茶皂素作为发泡剂，发泡效果差，能源浪费大，长期使用易龟裂。

CN113336492B公开了一种耐久型泡沫混凝土及其制备方法，混凝土包括如下原料：水泥、粉煤灰、松香型发泡剂、表面活性剂、改性碱木质素、水、减水剂、早强剂，所述改性碱木质素由含氟酰氯在碱催化的条件下改性碱木质素而得。以碱木质素、含氟酰氯为原料，通过成酯反应制备出既有三维网状结构又含有疏水侧链的改性碱木质素大分子，一方面利用三维网状结构上含有的大量酚羟基、醚键等与起泡液膜形成氢键，提高液膜粘度和抗压强度，锁住液膜中水分，降低液体流动性，防止气泡壁膜变薄破裂，另一方面疏水侧链不仅能防止气泡间发生交汇形成连通孔而降低抗压强度，还能吸附于泡沫混凝土孔表面，形成包覆膜，使水难以向孔隙中渗透，从而降低吸水率。但是该发明中起泡液膜采用的是氢键连接，存在发泡率低、气泡稳定性差的缺点。

本发明为了研究纳米改性发泡剂对泡沫混凝土性能的影响，采用化学方法制备改性发泡剂，再与水泥浆砂等原料混合制备成轻质节能泡沫混凝土。

发明内容

现有技术中的轻质节能泡沫混凝土存在起泡性能差、能耗高、力学性能低的缺点。为解决上述缺点，本发明采用改性发泡剂与水泥浆砂和助剂混合制备成一种轻质节能泡沫混凝土。

一种轻质节能泡沫混凝土，由如下质量比的各组分组成，30～50％水泥砂浆、0.5～5％熟石灰、5～15％黏土、3～12％粉煤灰、1～3％增塑剂、 1～5％改性发泡剂、0.5～2％分散剂、1～3％减水剂、25～35％水。

本发明还公开了一种轻质节能泡沫混凝土的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、发泡：在温度为20～40℃的条件下，将改性发泡剂、增塑剂溶于水形成混合溶液，然后加压，搅拌发泡，制成发泡液备用；

步骤2、浆料：将水泥砂浆、熟石灰、黏土、粉煤灰、分散剂、减水剂和水投入到混凝土搅拌机搅拌15～30min，制成混合浆料；

步骤3、拌合：将步骤2的混合浆料和步骤1发泡液混合，搅拌均匀，注入模具中，刮平表面后固化10～20h，拆模，得到坯料；

步骤4、养护：将坯料进行养护，即得轻质节能泡沫混凝土。

优选的，所述加压为加压到0.2～0.4MPa。

优选的，所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛脂、邻苯二甲酸二乙脂、葵二酸二辛脂中的一种。

优选的，所述减水剂为木质素磺酸钠、异戊烯醇聚氧乙烯醚、葡萄糖酸钠中的一种。

优选的，所述分散剂由聚乙二醇、硬脂酸镁、三硬脂酸甘油酯中的一种或一种以上组成。

优选的，所述养护条件为养护湿度70～85％，养护温度15～25℃，养护10～15天。

现有技术中纳米二氧化硅、氧化铝等颗粒可以降低泡沫的渗透性，提高界面的强度，改善泡沫混凝土的性能。在这些固体颗粒中，电荷尺寸比大的二氧化硅颗粒表面的羟基倾向于以脱质子为主，吸附在表面活性剂的正离子上，而氧化铝颗粒则倾向于吸附在羧基表面活性剂上。在弱酸性或弱碱性条件下，空气-水界面中的纳米粒子能通过静电相互作用稳定下来。

在泡沫混凝土中，水泥基体具有强碱性，这会影响泡沫的稳定性，而表面活性剂的羟基可以通过纳米颗粒与表面活性剂之间的特定结合有效地避免这一问题。然而，到目前为止，现有的技术中都局限于力学性能，使用三元化合物稳定泡沫的泡沫混凝土的干燥收缩性，尚未有报道。

本发明通过改性发泡剂的制备，提出了一种通过氯化亚砜处理后三羟甲基丙烷表面的羟基与三元化合物表面结合制备超稳定泡沫的新方法。

优选的，所述改性发泡剂的制备方法如下，所述份数均为重量份：

S1、将5～15份氢化钛在40～60份70～80wt％乙醇水溶液中超声 20～40min，搅拌制成悬浮液，向悬浮液中加入质量为1/4～1/8的 25～30wt％氢氧化铵水溶液，搅拌10～20min，以0.02～0.1mL/min的速度加入5～15份正辛基三乙氧基硅烷搅拌反应20～40min，然后加入 40～60份70～80wt％乙醇水溶液中，超声洗涤处理，最后，溶液静置 10～15h，取沉淀物在80～100℃下干燥40～70h，得到包壳剂；

S2、将1～3份三羟甲基丙烷、0.3～0.8份异十三醇乙氧基酸酯和 0.5～2份氯化亚砜加入50～200份水中，调整压力为0.3～0.6MPa，在 50～70℃下搅拌反应4～7h，制备得到改性化合物；

S3、将步骤S1制备的包壳剂和10～20份纳米氧化铝混合，在 400～600℃下加热0.5～2h，然后研磨过200～400目筛，制成粉料，将粉料和步骤S2制备的改性化合物在60～80℃下进行搅拌混合 10～20min，制备成改性发泡剂。

优选的，所述的增溶剂为异十三醇乙氧基酸酯、吐温80、壬基酚聚醚中的一种。

纳米粒子改性泡沫的稳定性机理与泡沫的性能和结构与薄膜破裂、气泡粗化和泡沫排出有关。在熔化过程中，纳米氧化铝与氢化钛粉混合生成Al-Si-Ti三元化合物纳米粒子，三元化合物纳米粒子在泡沫中的均匀分布提高了界面强度，阻碍了泡沫的排水，大大提高了泡沫的稳定性。氯化亚砜处理后三羟甲基丙烷表面的羟基与纳米粒子进行结合，促成三羟甲基丙烷均匀地粘附在空气-水界面上，显著提高泡沫混凝土中的发泡量，三羟甲基丙烷的加入可使毛细管孔隙或连接网络减少。通常情况下泡沫混凝土约50％的水分被基体吸收。三羟甲基丙烷的存在可以与氢氧化钙发生反应，水化产物可以填充基体中的孔隙，从而降低泡沫混凝土的吸水率。随着三羟甲基丙烷的加入，孔隙和裂纹的数量减少。纳米粒子具有较大的比表面积，具有较高的活性，也可以与氢氧化钙结合变成碳酸钙复合物。三羟甲基丙烷和氯化亚砜处理后气泡边缘形成大量均匀分布的碳酸钙复合物，填充气泡壁孔隙，促使孔壁结构致密，增加孔隙强度，提高泡沫混凝土的性能。

当泡沫体的气泡被纳米粒子覆盖时，水泥浆体中气泡的运动阻力变高。这可以减缓泡沫的聚结、生长和排水，从而优化泡沫混凝土的孔径分布。基质孔隙率是影响水泥基材料强度的一个关键参数。泡沫混凝土性能变化的主要原因可能是空隙结构与基体微观结构的共同作用。泡沫粘度的增加使液膜更坚固，能够提高液膜的稳定性。因此，氯化亚砜处理后三羟甲基丙烷粘度较高，具有更好的泡沫稳定性。改性化合物中添加的三元化合物纳米粒子，在泡沫中分布均匀，提高了液膜的刚性，延缓了泡沫的排出，从而缩小了气泡尺寸，提高了泡壁的密度和稳定性。而且，改性发泡剂制备的轻质节能泡沫混凝土的孔径分布更窄，孔径更小，细胞壁更强，抗压强度更高，干燥收缩率更低，吸水率更低。

由于采用了以上的技术方案，与现有技术相比，本发明的轻质节能泡沫混凝土的制备方法，其优点在于：1)三羟甲基丙烷和氯化亚砜反应，通过氢化钛和纳米氧化铝高温融合后改性生成的改性发泡剂能节约用水，改善孔隙结构。2)本发明制备的改性发泡剂通过延缓泡沫的排出，缩小气泡尺寸，增加气泡数量，提高了泡壁的密度和稳定性，赋予泡沫混凝土较好的抗压强度、低收缩率。3)通过组分的科学配比，减少了水泥的使用量，节约能耗。

具体实施方式

实施例1

一种轻质节能泡沫混凝土的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、发泡：在高压反应釜内，温度为30℃的条件下，将30kg 改性发泡剂、20kg邻苯二甲酸二辛脂溶于100kg水形成混合溶液，然后加压到0.3MPa，搅拌发泡，制成发泡液备用；

步骤2、浆料：将400kg水泥砂浆、30kg熟石灰、100kg黏土、70kg粉煤灰、10kg聚乙二醇、20kg异戊烯醇聚氧乙烯醚和200kg水投入到混凝土搅拌机搅拌20min，制成混合浆料；

步骤3、拌合：将步骤2的混合浆料和步骤1发泡液混合，搅拌均匀，注入模具中，刮平表面后固化15h，拆模，得到坯料；

步骤4、养护：将坯料进行养护，养护湿度80％，养护温度20± 2℃，养护12天，即得轻质节能泡沫混凝土。

所述改性发泡剂的制备方法如下：

S1、将10kg氢化钛在50kg 75wt％乙醇水溶液中超声30min，搅拌制成悬浮液，向悬浮液中加入质量为悬浮液1/6的28wt％氢氧化铵水溶液，搅拌15min，以0.05mL/min的速度加入10kg正辛基三乙氧基硅烷搅拌反应30min，然后加入50kg 75wt％乙醇水溶液中，超声洗涤处理，最后，溶液静置12h，取沉淀物在90℃下干燥60h，得到包壳剂；

S2、将1.5kg三羟甲基丙烷、0.5kg异十三醇乙氧基酸酯和1kg氯化亚砜加入100kg水中，调整压力为0.5MPa，在60℃下搅拌反应6h，制备得到改性化合物；

S3、将步骤S1制备的包壳剂和15kg纳米氧化铝混合，在500℃下加热1h，然后研磨过300目筛，制成粉料，将粉料和步骤S2制备的改性化合物在70℃下进行搅拌混合15min，制备成改性发泡剂。

实施例2

一种轻质节能泡沫混凝土的制备方法与实施例1基本相同，唯一区别仅仅在于：所述改性发泡剂的制备方法不同。

所述改性发泡剂的制备方法如下：

S1、向50kg 75wt％乙醇水溶液中加入质量为悬浮液1/6的28wt％氢氧化铵水溶液，搅拌15min，以0.05mL/min的速度加入10kg正辛基三乙氧基硅烷搅拌反应30min，然后加入50kg 75wt％乙醇水溶液中，超声洗涤处理，最后，溶液静置12h，取沉淀物在90℃下干燥60h，得到包壳剂；

S3、将步骤S1制备的混合剂和15kg纳米氧化铝混合，在500℃下加热1h，然后研磨过300目筛，制成粉料，将粉料和步骤S2制备的改性化合物在70℃下进行搅拌混合15min，制备成改性发泡剂。

实施例3

所述改性发泡剂的制备方法如下：

S2、将0.5kg异十三醇乙氧基酸酯和1kg氯化亚砜加入100kg水中，调整压力为0.5MPa，在60℃下搅拌反应6h，制备得到化合物；

S3、将步骤S1制备的包壳剂和15kg纳米氧化铝混合，在500℃下加热1h，然后研磨过300目筛，制成粉料，将粉料和步骤S2制备的化合物在70℃下进行搅拌混合15min，制备成改性发泡剂。

实施例4

所述改性发泡剂的制备方法如下：

S2、将1.5kg三羟甲基丙烷和0.5kg异十三醇乙氧基酸酯加入 100kg水中，调整压力为0.5MPa，在60℃下搅拌反应6h，制备得到化合物；

对比例1

所述改性发泡剂的制备方法如下：

S2、将0.5kg异十三醇乙氧基酸酯加入100kg水中，调整压力为 0.5MPa，在60℃下搅拌反应6h，制备得到化合物；

S3、将步骤S1制备的混合剂和15kg纳米氧化铝混合，在500℃下加热1h，然后研磨过300目筛，制成粉料，将粉料和步骤S2制备的化合物在70℃下进行搅拌混合15min，制备成改性发泡剂。

对比例2

一种轻质节能泡沫混凝土的制备方法与实施例1基本相同，唯一区别仅仅在于：将改性发泡剂替换为十二烷基苯磺酸钠。

测试例1

干缩测试

混凝土干缩率测试按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中要求进行。测试样品尺寸采用100mm×100 mm×515mm的棱柱体混凝土试样，每组样品测试3个混凝土试件，测试试样坯料的初始值，将试样坯料置于20℃、相对湿度为80％，养护12天。测试试样的收缩值。采用外径千分尺测试试样的自然长度，精度为0.01mm。测试结果取平均值，见表1。

表1混凝土干缩率测试结果

干缩率是指混凝土终止养护后被放置在湿度不饱和的空气中，逐渐失去内部毛细孔和胶凝孔中的吸附水而造成的不可逆收缩。所以，随着水泥浆体内部相对湿度不断降低，混凝土的干缩逐渐增大。混凝土的干缩有一个很长的发展过程。干缩比其它种类收缩变形都重要，是造成混凝土构件开裂的主要原因。

从表1中可以看出实施例1的混凝土干缩率最低，可能原因在于泡沫的性能和结构与薄膜破裂、气泡粗化和泡沫排出有关。纳米粒子在泡沫中的均匀分布提高了界面强度，阻碍了泡沫的排水，大大提高了泡沫的稳定性。氯化亚砜处理后三羟甲基丙烷表面的羟基与纳米粒子结合，促成三羟甲基丙烷均匀地粘附在空气-水界面上，显著提高泡沫混凝土中的发泡量，三羟甲基丙烷的加入可使毛细管孔隙或连接网络减少。改性化合物泡沫中含有大量的纳米氧化铝与氢化钛混合生成的Al-Si-Ti三元化合物纳米粒子，在泡沫中分布均匀，提高了液膜的刚性，延缓了泡沫的排出，从而缩小了气泡尺寸，赋予了更窄的孔径分布和更均匀的孔隙，提高了泡壁的密度和稳定性，所以制备的泡沫混凝土在养护过程中失水的不可逆收缩较低，干缩率低，制备的轻质节能泡沫混凝土不易开裂。

测试例2

绝干密度测试

轻质节能泡沫混凝土试样的绝干密度测试按照GB/T11970-1997 《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率的试验方法》中的要求进行测试，测试试样尺寸为100mm×100mm×100mm。

轻质节能泡沫混凝土绝干密度的计算公试如下：

ρ₀＝M₀/V×10⁶

式中：ρ₀——绝干体积密度(kg/m³)；

M₀——试件烘干后质量(g)；

V——试件体积(mm³)。

测试结果见表2。

表2绝干密度测试结果

实验方案	绝干密度(kg/m<sup>3</sup>)
		实施例1	761
实施例2	782
		实施例3	814
实施例4	801
		对比例1	919
对比例2	802

从轻质节能泡沫混凝土绝干密度测试结果可以看出实施例1的绝干密度最低，可能原因在于包壳剂和纳米氧化铝热处理过程中形成的Al-Si-Ti三元化合物纳米粒子能与氯化亚砜处理后三羟甲基丙烷结合，促成三羟甲基丙烷均匀地粘附在空气-水界面上，显著提高泡沫混凝土中的发泡量和泡沫粘度，泡沫粘度的增加使液膜更坚固，提高了液膜的稳定性。水泥浆体中气泡的运动阻力变大，这可以减缓泡沫的聚结、生长和排水，从而优化泡沫混凝土的孔隙分布，从而产生更好的泡沫结构。因此，绝干密度更低，混凝土更轻质。

测试例3

强度测试

根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对实施例和对比例的混凝土强度进行测试，测试抗折强度和抗压强度，测试结果如表3。

表3：强度测试结果

实验方案	抗折强度(MPa)	抗压强度(MPa)
			实施例1	9.4	21.4
实施例2	8.7	20.3
			实施例3	8.5	19.7
实施例4	8.4	19.1
			对比例2	8.5	19.6

从表3中可以看出实施例1的抗折强度和抗压强度最好，轻质节能泡沫混凝土力学性能变化的主要原因可能是空隙结构与基体微观结构的共同作用。制备的轻质节能泡沫混凝土的孔径分布更窄，孔径更小，细胞壁更强，抗折强度和抗压强度更高。

在泡沫混凝土中，水泥基体具有强碱性，这会影响泡沫的稳定性，而氯化亚砜处理后三羟甲基丙烷可以与纳米粒子进行有效结合，避免这一问题。三羟甲基丙烷的存在可以与氢氧化钙发生反应，水化产物可以填充基体中的孔隙，从而降低泡沫混凝土的吸水率，减少因为失水导致的混凝土开裂。随着三羟甲基丙烷的加入，孔隙和裂纹的数量减少。氢化钛制备的包壳剂和纳米氧化铝热处理过程中形成的Al-Si- Ti三元化合物纳米粒子，具有较大的比表面积，具有较高的活性，也可以与氢氧化钙结合变成碳酸钙复合物，在气泡边缘形成大量均匀分布的碳酸钙复合物，可以均匀填充气泡壁孔隙，促使孔壁结构致密，增加孔隙强度，提高泡沫混凝土的力学性能。

Claims

1.一种轻质节能泡沫混凝土，其特征在于，由如下组分组成：水泥砂浆、熟石灰、黏土、粉煤灰、增塑剂、改性发泡剂、分散剂、减水剂、水。

2.一种轻质节能泡沫混凝土，其特征在于，由如下质量百分比的组分组成：30～50％水泥砂浆、0.5～5％熟石灰、5～15％黏土、3～12％粉煤灰、1～3％增塑剂、1～5％改性发泡剂、0.5～2％分散剂、1～3％减水剂、25～35％水。

3.根据权利要求1或2所述的轻质节能泡沫混凝土，其特征在于，所述改性发泡剂的制备方法如下，所述份数均为重量份：

S1、将5～15份氢化钛在40～60份70～80wt％乙醇水溶液中超声搅拌制成悬浮液，向悬浮液中加入质量为1/4～1/8的25～30wt％氢氧化铵水溶液搅拌，加入5～15份正辛基三乙氧基硅烷反应20～40min，然后加入40～60份70～80wt％乙醇水溶液超声，最后静置10～15h，取沉淀物在80～100℃下干燥40～70h，得到包壳剂；

S2、将1～3份三羟甲基丙烷、0.3～0.8份增溶剂和0.5～2份氯化亚砜加入50～200份水中，调整压力为0.3～0.6MPa，在50～70℃下搅拌反应4～7h，制备得到改性化合物；

S3、将步骤S1制备的包壳剂和10～20份纳米氧化铝混合，在400～600℃下加热0.5～2h，然后研磨过200～400目筛，制成粉料，将粉料和步骤S2制备的改性化合物在60～80℃下进行搅拌混合10～20min，制备成改性发泡剂。

4.根据权利要求1或2所述的轻质节能泡沫混凝土，其特征在于：所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛脂、邻苯二甲酸二乙脂、葵二酸二辛脂中的一种。

5.根据权利要求1或2所述的轻质节能泡沫混凝土，其特征在于：所述减水剂为木质素磺酸钠、异戊烯醇聚氧乙烯醚、葡萄糖酸钠中的一种。

6.根据权利要求1或2所述的轻质节能泡沫混凝土，其特征在于：所述分散剂由聚乙二醇、硬脂酸镁、三硬脂酸甘油酯中的一种或一种以上组成。

7.根据权利要求3所述的轻质节能泡沫混凝土，其特征在于：所述加压为加压到0.2～0.4MPa。

8.根据权利要求1～7任一项所述的轻质节能泡沫混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤4、养护：将坯料进行养护，即得轻质节能泡沫混凝土。

9.根据权利要求8所述的轻质节能泡沫混凝土的制备方法，其特征在于：所述养护条件为养护湿度70～85％，养护温度15～25℃，养护10～15天。