CN114671656B - 一种多孔轻质自保温材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，具体公开了一种多孔轻质自保温材料及其制备方法。所述多孔轻质自保温材料包括如下组分：煤矸石粉、粉煤灰、减水剂、泡花碱、聚丙烯纤维、硅酸盐水泥、含铝固化剂、复合发泡剂、微硅粉和水。本发明制备的多孔轻质自保温材料干密度≤650kg/m3，抗压强度高达10MPa，厚度仅为在100mm‑300mm，传热系数可低至0.13W/(m2·K)，大大提高了同等容重的传统泡沫混凝土的抗压强度，不添加其他保温材料就能达到被动房保温标准，节能效果显著，并且成本比传统保温材料降低了50％‑70％，为泡沫混凝土在建筑材料领域的应用开辟了一条全新路径，具有大面积应用和推广的价值。

Description

一种多孔轻质自保温材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种多孔轻质自保温材料及其制备方法。
背景技术
我国是煤炭生产大国，每年生产约6-7亿吨煤矸石，大量的煤矸石基本都堆积在山沟和耕地上，一旦雨季到来溢出来的废水会给土壤、地下水造成严重污染，因此对煤矸石的二次利用成为研究热点。现阶段对煤矸石的利用率仅为30％左右，主要用于发电、提取各种铝制化合物和建筑用砖等方面，虽然这些应用实现了煤矸石的部分资源化利用，但是现有技术中煤矸石的利用率很低，甚至会造成二次污染。
现有技术中大多数工艺中仅将煤矸石作为普通砂石料用于建筑材料中，虽然也有一些利用煤矸石制作保温建筑材料的报道，但是其制备的材料传热系数高，保温性能远远达不到被动房的建筑标准(德国被动房研究所PHI的传热系数标准为低于0.15W/(m2·K))。此外，现有的煤矸石保温建筑材料还普遍存在成本高、材料厚重、抗压强度低以及节能标准无法满足被动房标准等问题。因此，本领域亟需开发一种成本低、保温性能和力学性能均满足被动房建筑标准的保温材料。
发明内容
针对现有技术中煤矸石保温建筑材料普遍存在传热系数高、成本高、材料厚重、抗压强度低以及节能标准无法满足被动房标准的问题，本发明提供一种多孔轻质自保温材料。
以及，本发明还提供上述多孔轻质自保温材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种多孔轻质自保温材料，包括如下重量份数的原料组分：煤矸石粉：55份-70份，粉煤灰：8份-12份，减水剂：0.3份-0.5份，泡花碱：0.2份-0.4份，聚丙烯纤维：0.5份-0.7份，硅酸盐水泥：15份-25份，含铝固化剂：0.02份-0.04份，复合发泡剂：0.4份-0.6份，微硅粉：7份-11份和水：35份-45份。
其中，所述复合发泡剂为质量比为3-5:0.8-1.1的动物蛋白发泡剂与氟碳发泡剂的混合物。
相对于现有技术，本发明提供的多孔轻质自保温材料使用煤矸石作为主体材料，大大降低了现有泡沫混凝土的成本；采用具有持续发泡能力的复合发泡剂，可以充分发挥出煤矸石自身的微膨胀性能，两者充分反应可以持续产生稳定的多孔结构，显著提升其保温性能，在此基础上加入优选的含铝固化剂可以进一步促进煤矸石和硅酸盐水泥与发泡剂、减水剂和聚丙烯纤维之间的交联作用，可使多孔轻质材料的强度提高60-70％。
本发明选择复合发泡剂与煤矸石、含铝固化剂等原料，各组分之间经充分反应形成多孔轻质泡沫混凝土材料，充分发挥了动物蛋白发泡剂和氟碳发泡剂持续发泡的能力以及煤矸石微膨胀和热值高的特点，使得制备的保温材料的保温性能和力学性能均满足被动房的建筑标准，在自保温材料中凸显出明显的优势和优异的效果。
本申请制备的多孔轻质自保温材料的干密度≤650kg/m3，抗压强度高达10MPa，厚度为100mm-300mm，传热系数可低至0.13W/(m2·K)不用其他保温材料就能达到被动房保温标准，节能效果显著，且相对于现有煤矸石保温材料成本降低了50％～70％，有利于工业推广和应用。
可选的，所述氟碳发泡剂为美国杜邦公司的Zonyl FS-500。
本发明选择的Zonyl FS-500发泡剂是一种两性氟碳表面活性剂，具有良好的持续发泡能力，能有效降低水性体系的表面张力，与动物蛋白发泡剂混合使用，可以更好的提高泡沫张力，与煤矸石、硅酸盐水泥等协同使用，可使极大的泡沫混凝土的抗压强度，而且复合发泡剂与煤矸石协同作用，可以充分发挥出煤矸石自身的微膨胀性能，两者充分反应可以持续产生稳定的多孔结构，在制作多孔轻质材料中起到了关键性的作用。
可选的，所述含铝固化剂为磷酸二氢铝。
本申请选择的磷酸二氢铝固化剂可以使泡沫混凝土的凝结时间缩减至3-4h，大大提高了产品的脱模效率，可有效节省模具占有量。而且在配比中加入含铝固化剂能使泡沫混凝土的成交点、密实度增大并且能增强气体的气密性，使内部氮气不易流失。同时含铝固化剂还具有很好的激发性和交联性，并促进煤矸石、硅酸盐水泥与其他原料的交联反应，与复合发泡剂搭配使用既可以提高煤矸石的添加量，还可将泡沫混凝土的强度提高2-3倍，对提高泡沫混凝土的强度起到了非常重要的作用。
可选的，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。
聚羧酸高性能减水剂与硅酸盐水泥体系的相容性好，能防止泡沫混凝土坍落度损失而不引起明显缓凝，低掺量下就可以发挥较高的塑化效果，减水率高，收缩小，与本发明选用的高效复合发泡剂配合使用能大幅度提高泡沫混凝土的早期和后期强度，降低泡沫混凝土收缩，赋予了泡沫混凝土出色的施工和易性、良好的强度发展和优良的耐久性，且具有良好的综合技术性能优势及环保特点，符合现代化建筑材料的需要。
可选的，所述聚丙烯纤维包括如下质量百分比的各组分：25％-35％的长度为10mm-12mm的聚丙烯纤维和75％-65％的长度为15-25mm的聚丙烯纤维。
两种不同长度的聚丙烯纤维混合使用能有效地控制泡沫混凝土塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂纹，防止及抑制混凝土泡沫混凝土原生裂缝的形成和发展，可以大大改善泡沫混凝土的防裂抗渗性能、抗冲磨性能和韧性，从而提高泡沫混凝土的使用寿命。聚丙烯纤维的表面积大，表面粗糙多孔，大大提高了聚丙烯纤维与煤矸石、二级粉煤灰等原料的结合力，且聚丙烯纤维与减水剂、发泡剂、固化剂等组分之间不存在任何冲突的化学反应，有良好的适应性。
可选的，所述煤矸石粉的细度为80目-120目。
可选的，所述粉煤灰为二级粉煤灰。
可选的，所述硅酸盐水泥为PO42.5或PO52.5。
本发明还提供了上述任一项所述的多孔轻质自保温材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤a，按照设计配比称取各组分，将称取的复合发泡剂与适量水混合均匀得复合发泡剂水溶液；
步骤b，氮气气氛下，将氮气充入到所述复合发泡剂水溶液中，充分搅拌，得到氮气泡沫；
步骤c，将称取的减水剂、泡花碱、聚丙烯纤维、微硅粉、粉煤灰、硅酸盐水泥、煤矸石粉、含铝固化剂和剩余的水进行混料处理，得到预混浆料；
步骤d，搅拌条件下，向所述预混浆料中通入所述氮气泡沫，直至浆料的容重为600kg/m3-800kg/m3，养护成型，得到所述多孔轻质自保温材料。
可选的，步骤a中，复合发泡剂和水的质量比为1：35-40。
可选的，步骤c中，混料处理的条件为：搅拌速率为350rmp-500rmp，温度为20℃-40℃。
搅拌速率和温度是控制泡沫混凝土形成的重要参数，优选的搅拌速率和温度即可以保证泡沫的稳定，又可以避免浆料失去流动性。
可选的，步骤d中，每立方米多孔轻质自保温材料的氮气用量为0.7m3-0.9m3。
可选的，步骤d中，所述养护成型的时间为3.5h-4h。
可选的，步骤d中，将所述浆料倒入模具或现场浇筑进行氧护成型，其中所述模具规格为：长度为2800mm-3200mm，宽度为600mm-1200mm，厚度为100mm-300mm。
本发明提供的多孔轻质自保温材料可以通过倒入模具或者现场建筑模具进行自然固化养护成型，在工厂进行成批生产时，优选的模具规格更便于自保温材料的运输和后续拼装。
相对于现有技术，本发明提供的制备方法操作简单，无复杂工序，成本低，适合工业化大规模生产。本发明制备的多孔轻质自保温材料的干密度≤650kg/m3，抗压强度高达10MPa，传热系数可低至0.13W/(m2·K)，不用保温材料就能达到被动房保温标准，并且成本比传统煤矸石保温材料降低50％-70％，具有大面积应用和推广的价值。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明实施例提供一种多孔轻质自保温材料，所述多孔轻质自保温材料包括如下重量份数的原料组分：
80-120目煤矸石粉：60份，二级粉煤灰：10份，减水剂：0.4份，泡花碱：0.3份，聚丙烯纤维：0.6份，硅酸盐水泥：20份，含铝固化剂：0.03份，复合发泡剂：0.5份，微硅粉：9份和水40份。
其中，复合发泡剂为质量比为4:1的动物蛋白发泡剂与氟碳发泡剂的混合物，聚丙烯纤维包括如下质量百分比的各组分：30％的长度为10mm-12mm的聚丙烯纤维和70％的长度为15-25mm的聚丙烯纤维。
本发明实施例中所采用的原料均为市售产品，其中，减水剂为瑞士西卡的530P，所述硅酸盐水泥为为PO42.5水泥，所述氟碳发泡剂为杜邦公司的Zonyl FS-500，所述含铝固化剂为磷酸二氢铝。
上述多孔轻质自保温材料的制备步骤如下：
步骤a，按照设计配比称取各组分，按质量比为1：35将称取的复合发泡剂与水混合均匀得复合发泡剂水溶液；
步骤b，氮气气氛下，将氮气充入到所述复合发泡剂水溶液中，充分搅拌，得到氮气泡沫；
步骤c，将称取的减水剂、泡花碱、聚丙烯纤维、微硅粉、粉煤灰、硅酸盐水泥、煤矸石粉、含铝固化剂和剩余的水在30℃，500rmp条件下进行混料处理，得到预混浆料；
步骤d，搅拌条件下，向所述预混浆料中通入所述氮气泡沫，直至浆料的容重为800kg/m3，将浆料倒入3000*600*200mm的模具中养护成型4h，得到所述多孔轻质自保温材料。
其中，步骤b中，每立方米氮气泡沫的氮气用量为0.8m3。
实施例2
本发明实施例提供一种多孔轻质自保温材料，所述多孔轻质自保温材料包括如下重量份数的原料组分：
80-120目煤矸石粉：70份，二级粉煤灰：8份，减水剂：0.3份，泡花碱：0.4份，聚丙烯纤维：0.5份，硅酸盐水泥：25份，含铝固化剂：0.04份，复合发泡剂：0.6份，微硅粉：7份和水35份。
其中，复合发泡剂为质量比为5:1.1的动物蛋白发泡剂与氟碳发泡剂的混合物，聚丙烯纤维包括如下质量百分比的各组分：25％的长度为10mm-12mm的聚丙烯纤维和75％的长度为15-25mm的聚丙烯纤维。
其中，所述硅酸盐水泥为为PO52.5水泥，其余各组分型号与实施例1相同，此处不再赘述。
上述多孔轻质自保温材料的制备步骤如下：
步骤a，按照设计配比称取各组分，按质量比为1：40将称取的复合发泡剂与水混合均匀得复合发泡剂水溶液；
步骤b，氮气气氛下，将氮气充入到所述复合发泡剂水溶液中，充分搅拌，得到氮气泡沫；
步骤c，将称取的减水剂、泡花碱、聚丙烯纤维、微硅粉、粉煤灰、硅酸盐水泥、煤矸石粉、含铝固化剂和剩余的水在20℃，350rmp条件下进行混料处理，得到预混浆料；
步骤d，搅拌条件下，向所述预混浆料中通入所述氮气泡沫，直至浆料的容重为600kg/m3，将浆料倒入2800*1200*100mm的模具中养护成型3.5h，得到所述多孔轻质自保温材料。
其中，步骤b中，每立方米氮气泡沫的氮气用量为0.7m3。
实施例3
本发明实施例提供一种多孔轻质自保温材料，所述多孔轻质自保温材料包括如下重量份数的原料组分：
80-120目煤矸石粉：55份，二级粉煤灰：12份，减水剂：0.5份，泡花碱：0.2份，聚丙烯纤维：0.7份，硅酸盐水泥：15份，含铝固化剂：0.04份，复合发泡剂：0.4份，微硅粉：11份和水45份。
其中，复合发泡剂为质量比为3:0.8的动物蛋白发泡剂与氟碳发泡剂的混合物，聚丙烯纤维包括如下质量百分比的各组分：35％的长度为10mm-12mm的聚丙烯纤维和65％的长度为15-25mm的聚丙烯纤维。
上述各组分型号与实施例1相同，此处不再赘述。
上述多孔轻质自保温材料的制备步骤如下：
步骤a，按照设计配比称取各组分，按质量比为1：40将称取的复合发泡剂与水混合均匀得复合发泡剂水溶液；
步骤b，氮气气氛下，将氮气充入到所述复合发泡剂水溶液中，充分搅拌，得到氮气泡沫；
步骤c，将称取的减水剂、泡花碱、聚丙烯纤维、微硅粉、粉煤灰、硅酸盐水泥、煤矸石粉、含铝固化剂和剩余的水在40℃，450rmp条件下进行混料处理，得到预混浆料；
步骤d，搅拌条件下，向所述预混浆料中通入所述氮气泡沫，直至浆料的容重为700kg/m3，将浆料倒入3200*1000*300mm的模具中养护成型4h，得到所述多孔轻质自保温材料。
其中，步骤b中，每立方米氮气泡沫的氮气用量为0.9m3。
对比例1
本发明对比例1提供一种泡沫混凝土材料，将实施例1中的复合发泡剂替换为质量比为4:1的动物蛋白发泡剂与植物蛋白发泡剂的混合物，其余组分以及制备方法均与实施例1相同，不再赘述。
对比例2
本发明对比例2提供一种泡沫混凝土材料，在对比例1的基础上，添加玻化微珠30份，其制备过程如下：
步骤a，按照设计配比称取各组分，按质量比为1：35将称取的复合发泡剂与水混合均匀得复合发泡剂水溶液；
步骤b，氮气气氛下，将氮气充入到所述复合发泡剂水溶液中，充分搅拌，得到氮气泡沫；
步骤c，将称取的玻璃微珠、减水剂、泡花碱、聚丙烯纤维、微硅粉、粉煤灰、硅酸盐水泥、煤矸石粉、含铝固化剂和剩余的水在30℃，500rmp条件下进行混料处理，得到预混浆料；
步骤d，搅拌条件下，向所述预混浆料中通入所述氮气泡沫，直至浆料的容重为800kg/m3，将浆料倒入3000*600*200mm的模具中养护成型4h，得到所述多孔轻质自保温材料。
其中，步骤b中，每立方米氮气泡沫的氮气用量为0.8m3。
对比例3
本发明对比例3提供一种泡沫混凝土材料，将实施例1中的磷酸二氢铝固化剂替换为巴斯夫的CC 700，其余组分以及制备方法均与实施例1相同，不再赘述。
对比例4
本对比例4提供一种泡沫混凝土材料，在对比例3的基础上，添加玻化微珠30份，其制备过程如下：
步骤a，按照设计配比称取各组分，按质量比为1：35将称取的复合发泡剂与水混合均匀得复合发泡剂水溶液；
步骤b，氮气气氛下，将氮气充入到所述复合发泡剂水溶液中，充分搅拌，得到氮气泡沫；
步骤c，将称取的玻璃微珠、减水剂、泡花碱、聚丙烯纤维、微硅粉、粉煤灰、硅酸盐水泥、煤矸石粉、CC 700和剩余的水在30℃，500rmp条件下进行混料处理，得到预混浆料；
步骤d，搅拌条件下，向所述预混浆料中通入所述氮气泡沫，直至浆料的容重为800kg/m3，将浆料倒入3000*600*200mm的模具中养护成型4h，得到所述多孔轻质自保温材料。
其中，步骤b中，每立方米氮气泡沫的氮气用量为0.8m3。
为了更好的体现本发明实施例制备的多孔轻质自保温材料的特性，将实施例1-3和对比例1-4制备得到的材料送至河北省建筑机械材料设备产品质量监督检验站，进行性能测试，检测结果如表1所示。其中，干密度和抗压强度的检验标准为GB/T11969-2008，传热系数的检测标准为GB/T13475-2008。
表1实施例1-3和对比例1-4制备材料的性能检测结果
项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
干密度(kg/m<sup>3</sup>) 550 600 650 767 788 811 832
传热系数(W/(m<sup>2</sup>·K)) 0.13 0.135 0.14 0.49 0.38 0.51 0.43
抗压强度(MPa) 9 9.5 10 6.5 7 5 6
由上表可以看出，本发明提供的多孔轻质自保温材料传热系数≤0.14W/(m2·K)，干密度最低可以达到550kg/m3，抗压强度高达10MPa。替换了发泡剂或固化剂后，对比例制备的材料传热系数较高，即便在加入保温材料玻璃微珠的条件下，对比例制备材料的传热系数也仅达到0.38W/(m2·K)。德国被动房研究所PHI要求的传热系数标准为≤0.15W/(m2·K)，而本申请制备的材料可使传热系数低至0.13W/(m2·K)，说明本申请制备的材料传热系数小，热阻大，具有优越的保温性能，不添加其他保温材料就能达到被动房保温标准，节能效果显著，且本申请制备的材料还具有多孔轻质、高抗压强度等优良性能。与现有泡沫混凝土墙体材料相比，在保温性能、抗压强度等性能上具有明显优势，是一种新型的低成本自保温材料，可以进一步推进我国被动房的建设和发展，具有极大的推广和应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多孔轻质自保温材料，其特征在于，包括如下重量份数的原料组分：
煤矸石粉：55份-70份，粉煤灰：8份-12份，减水剂：0.3份-0.5份，泡花碱：0.2份-0.4份，聚丙烯纤维：0.5份-0.7份，硅酸盐水泥：15份-25份，含铝固化剂：0.02份-0.04份，复合发泡剂：0.4份-0.6份，微硅粉：7份-11份和水：35份-45份；
其中，所述复合发泡剂为质量比为3-5:0.8-1.1的动物蛋白发泡剂与氟碳发泡剂的混合物；
所述含铝固化剂为磷酸二氢铝；
所述聚丙烯纤维包括如下质量百分比的各组分：25％-35％的长度为10mm-12mm的聚丙烯纤维和75％-65％的长度为15-25mm的聚丙烯纤维。
2.如权利要求1所述的多孔轻质自保温材料，其特征在于，所述氟碳发泡剂为美国杜邦公司的ZonylFS-500。
3.如权利要求1所述的多孔轻质自保温材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。
4.如权利要求1所述的多孔轻质自保温材料，其特征在于，所述煤矸石粉的细度为80目-120目；和/或
所述粉煤灰为二级粉煤灰。
5.如权利要求1所述的多孔轻质自保温材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥为PO42.5或PO52.5。
6.一种权利要求1-5任一项所述的多孔轻质自保温材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a，按照设计配比称取各组分，将称取的复合发泡剂与适量水混合均匀得复合发泡剂水溶液；
步骤b，氮气气氛下，将氮气充入到所述复合发泡剂水溶液中，充分搅拌，得到氮气泡沫；
步骤c，将称取的减水剂、泡花碱、聚丙烯纤维、微硅粉、粉煤灰、硅酸盐水泥、煤矸石粉、含铝固化剂和剩余的水进行混料处理，得到预混浆料；
步骤d，搅拌条件下，向所述预混浆料中通入所述氮气泡沫，直至浆料的容重为600kg/m3-800kg/m3，养护成型，得到所述多孔轻质自保温材料。
7.如权利要求6所述的多孔轻质自保温材料的制备方法，其特征在于，步骤a中，复合发泡剂和水的质量比为1：35-40；和/或
步骤c中，混料处理的条件为：搅拌速率为350rmp-500rmp，温度为20℃-40℃。
8.如权利要求6所述的多孔轻质自保温材料的制备方法，其特征在于，步骤d中，每立方米多孔轻质自保温材料的氮气用量为0.7m3-0.9m3；和/或
步骤d中，所述养护成型的时间为3.5h-4h。
9.如权利要求6所述的多孔轻质自保温材料的制备方法，其特征在于，步骤d中，将所述浆料倒入模具或现场浇筑进行氧护成型，其中所述模具规格为：长度为2800mm-3200mm，宽度为600mm-1200mm，厚度为100mm-300mm。
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