CN114853398A - 一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品及制备方法，包含微生物矿化增强的结构层和内掺有机物具有疏水性的面层。通过在结构层中加入具有固碳矿化功能的微生物，分布在水泥基体中能够矿化沉积碳酸盐有效阻止水泥基材料孔隙中泛碱物质析出表面，再在面层中加入水性有机物使制品表面具有疏水功能，通过微生物矿化与疏水耦合作用增强水泥基材料表面装饰性能，具有抗泛碱、自清洁功能。

Description

一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品及制备方法
技术领域
本发明涉及一种水泥基制品及制备方法，尤其涉及一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品及制备方法。
背景技术
结构-装饰功能一体化水泥基材料已成为我国建筑构件中的重要构造形式，相比于传统的水泥基材料构件，一体化水泥基材料可将承载、装饰、保温等性能集于一身。一体化水泥基材料有众多优势，但服役过程中经常出现泛碱和沾污等问题，严重影响了构件表面的观感。泛碱，即在水泥基材料表面析出白色薄霜状物质的现象，其主要为水泥基材料中的可溶性盐类或碱类随水分迁移至表面水分蒸发后形成的沉淀物，是水泥基材料中常见的问题之一。泛碱现象不仅严重影响构件整体的美观度，还可能降低受力构件的承载能力。而暴露在城市大气环境之中，水泥基外墙板不可避免地粘附上污染物，包括油烟等有机污物和粉尘等无机污物。常年累月的污物粘附堆积严重破坏建筑外墙的美观度，后续的人工清洁成本高昂，针对高楼外墙的高空作业更是存在风险。
因此，研究如何防止水泥基材料泛碱，如何减小水泥基制品材料表面沾污，确保水泥基材料制品在服役过程中，保持长久美观尤其重要。而表层微生物矿化技术可利用大气CO2使得表层水泥基材料微观孔结构、氢氧化钙含量、C-S-H凝胶呈梯度分布，通过消耗泛碱源头Ca(OH)2的同时，密实孔隙，阻碍离子的迁移，有效实现泛碱问题的控制。而当水泥基此类制品表面疏水或超疏水时，可通过被动下雨或主动人工冲刷的方式将粉尘去除，从而起到表面自清洁抗沾污效果。
为了实现水泥基材料制品的疏水、抗泛碱特性，通过微生物矿化改性水泥基材料结构层特性抑制内部泛碱物质析出，同时表层有机物改性处理可实现水泥基材料表面疏水性。矿化作用与疏水特性耦合作用进一步确保水泥基制品抗泛碱特性，同时增强了制品表层实现自清洁功能，提升水泥基制品长期美观性能。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种能实现抗泛碱、抗污染自清洁装饰水泥基制品；本发明的另一目的在于提供一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品，由微生物矿化增强的结构层和内掺有机物具有疏水性的面层组成；所述结构层是预先在水泥中掺入质量比0.2％～1.5％的微生物菌粉并混合均匀作为混合胶凝材料使用，再与水、砂，或加入纤维混合制备而成；所述面层是预先将水泥质量比1％～5％的水性有机物与水搅拌后作为混合液体组份，再与水、细砂混合制备而成。为提升装饰水泥基制品材料长期服役过程中表面美观特性，本发明采用微生物矿化与疏水耦合技术制备抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品。
优选地，所述水泥基制品类型为水泥净浆制品、水泥砂浆制品或纤维增强水泥砂浆制品。
优选地，所述的面层厚度为2-6mm，所使用的细砂最大粒径小于1mm。
优选地，所述微生物菌粉是由可产生碳酸酐酶的芽孢杆菌通过在碱性环境中进行驯化培养获得良好耐碱性后制备得到的。
优选地，所述的水性有机物为聚甲基氢硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、硬脂酸或硬脂酸乳液、聚乙烯蜡疏水剂、聚甲基硅氧烷疏水剂中的至少一种。
所述抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品的制备方法，包括如下步骤：
(1)将微生物菌粉按水泥质量比0.2％～1.5％与水泥混合，再加入水、砂搅拌均匀或加入水、砂、纤维搅拌均匀，保持液固比为0.35～0.5，之后将拌合物浇筑于模板中成型结构层，再放置于恒温恒湿养护室中养护待结构层初凝；
(2)将水性有机物按水泥质量比1％～5％与水混合均匀，再加入水泥、细砂搅拌均匀，保持液固比0.35～0.5，之后将拌合物浇筑于结构层表面上，并抹面至表层厚度为2～6mm；
(3)放置于恒温恒湿养护室养护脱模，之后继续养护，即得到抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品。
优选地，步骤(1)和(3)中所述恒温恒湿养护室的温度为20±1℃，湿度为95±1％RH。
优选地，步骤(1)中所述养护时间为1～3小时。
优选地，步骤(3)中所述脱模后养护完毕采用砂纸对制品进行表面打磨处理，脱模后继续养护时间为21～28天。
优选地，在所述结构层成型时加入的纤维为耐碱玻璃纤维。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明所述的水泥基制品抗泛碱、抗污染性能优异，通过结构层矿化、表层憎水改性的耦合作用提高了水泥基制品抗泛碱性能，泛碱率大幅度降低。与结构层未添加微生物、面层未添加有机物的水泥基制品相比，其泛碱面积率可从49.40％降低至3.41％。本发明通过微生物矿化与疏水作用耦合，使水泥基制品结构层产生梯度结构抑制泛碱物质外析，表层疏水抑制水分传输进一步提升抗泛碱功能，同时实现表面抗污染自清洁，表面接触角最大为140.1±1.3°。水泥基制品具有抗泛碱、抗沾污特性，技术方法可确保制品服役中长期外观美学特性，工序简易、绿色环保，且通过矿化可有效捕获利用二氧化碳，减缓温室效应。
附图说明
图1为本发明水泥基制品结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
为测试抗泛碱性能，本发明以公开号CN113192032A(专利申请名称：一种基于微生物抗泛碱玻璃纤维增强水泥制品的泛碱均匀度预测评估方法)对实施例的产品进行测试泛碱面积率。泛碱面积率可以表征试样泛碱程度，数值越小，表示制品表面泛碱面积越小，抗泛碱性能越高。
为了测试抗沾污性能，通过视频光学接触角测量仪(OCA 15plus，德国Dataphysics)进行表面接触角测试。接触角可以表征试样憎水性，数值越大，表示制品表面憎水性越大，抗沾污性能越强。本发明水泥基制品结构示意图如图1所示。
实施例1
一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品，由微生物矿化增强的结构层和内掺有机物具有疏水性的面层组成；所述结构层是预先在水泥中掺入质量比0.2％的微生物菌粉并混合均匀作为混合胶凝材料使用，再与水、砂，或加入纤维混合制备而成；所述面层是预先将水泥质量比3％的水性有机物(聚甲基硅氧烷疏水剂)与水搅拌后作为混合液体组份，再与水、细砂混合制备而成。
所述的面层厚度为2-6mm，所使用的细砂最大粒径小于1mm；所述微生物菌粉是由可产生碳酸酐酶的芽孢杆菌通过在碱性环境中进行驯化培养获得良好耐碱性后制备得到的。
所述水泥基制品的制备方法如下：
将微生物菌粉按水泥质量比0.2％与水泥混合，再加入水和砂搅拌均匀，保持液固比为0.35：1、胶砂比为1：1，成型水泥基制品结构层，放置于恒温恒湿养护室20±1℃和95±1％RH)中养护2小时待结构层初凝；
将聚甲基硅氧烷疏水剂按水泥质量比3％与水混合均匀，再加入水泥、细砂搅拌均匀，保持液固比0.35，之后将拌合物浇筑于结构层表面上，并抹面至表层厚度为3mm；
放置于恒温恒湿养护室(20±1℃和95±1％RH)养护24小时脱模，之后继续养护7天，即得到抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品。
实施例2
一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品，由微生物矿化增强的结构层和内掺有机物具有疏水性的面层组成；所述结构层是预先在水泥中掺入质量比1.5％的微生物菌粉并混合均匀作为混合胶凝材料使用，再与水、砂，或加入纤维混合制备而成；所述面层是预先将水泥质量比3％的水性有机物(硬脂酸)与水搅拌后作为混合液体组份，再与水、细砂混合制备而成。
所述的面层厚度为2-6mm，所使用的细砂最大粒径小于1mm；所述微生物菌粉是由可产生碳酸酐酶的芽孢杆菌通过在碱性环境中进行驯化培养获得良好耐碱性后制备得到的。
所述水泥基制品的制备方法如下：
将微生物菌粉按水泥质量比1.5％与水泥混合，再加入水和砂搅拌均匀，保持液固比为0.35：1、胶砂比为1：1，成型水泥基制品结构层，放置于恒温恒湿养护室20±1℃和95±1％RH)中养护2小时待结构层初凝；
将硬脂酸按水泥质量比3％与水混合均匀，再加入水泥、细砂搅拌均匀，保持液固比0.35，之后将拌合物浇筑于结构层表面上，并抹面至表层厚度为3mm；
放置于恒温恒湿养护室(20±1℃和95±1％RH)养护24小时脱模，之后继续养护7天，即得到抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品。
实施例3
一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品，由微生物矿化增强的结构层和内掺有机物具有疏水性的面层组成；所述结构层是预先在水泥中掺入质量比0.8％的微生物菌粉并混合均匀作为混合胶凝材料使用，再与水、砂，或加入纤维混合制备而成；所述面层是预先将水泥质量比1％的水性有机物(硬脂酸乳液)与水搅拌后作为混合液体组份，再与水、细砂混合制备而成。
所述的面层厚度为2-6mm，所使用的细砂最大粒径小于1mm；所述微生物菌粉是由可产生碳酸酐酶的芽孢杆菌通过在碱性环境中进行驯化培养获得良好耐碱性后制备得到的。
所述水泥基的制品制备方法如下：
将微生物菌粉按水泥质量比0.8％与水泥混合，再加入水和砂搅拌均匀，保持液固比为0.35：1、胶砂比为1：1，成型水泥基制品结构层，放置于恒温恒湿养护室20±1℃和95±1％RH)中养护2小时待结构层初凝；
将硬脂酸乳液按水泥质量比1％与水混合均匀，再加入水泥、细砂搅拌均匀，保持液固比0.4，之后将拌合物浇筑于结构层表面上，并抹面至表层厚度为3mm；
放置于恒温恒湿养护室(20±1℃和95±1％RH)养护24小时脱模，之后继续养护7天，即得到抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品。
实施例4
一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品，由微生物矿化增强的结构层和内掺有机物具有疏水性的面层组成；所述结构层是预先在水泥中掺入质量比0.8％的微生物菌粉并混合均匀作为混合胶凝材料使用，再与水、砂，或加入纤维混合制备而成；所述面层是预先将水泥质量比5％的水性有机物(硬脂酸乳液)与水搅拌后作为混合液体组份，再与水、细砂混合制备而成。
所述的面层厚度为2-6mm，所使用的细砂最大粒径小于1mm；所述微生物菌粉是由可产生碳酸酐酶的芽孢杆菌通过在碱性环境中进行驯化培养获得良好耐碱性后制备得到的。
所述水泥基制品的制备方法如下：
将微生物菌粉按水泥质量比0.8％与水泥混合，再加入水和砂搅拌均匀，保持液固比为0.35：1、胶砂比为1：1，成型水泥基制品结构层，放置于恒温恒湿养护室20±1℃和95±1％RH)中养护2小时待结构层初凝；
将硬脂酸乳液按水泥质量比5％与水混合均匀，再加入水泥、细砂搅拌均匀，保持液固比0.3，之后将拌合物浇筑于结构层表面上，并抹面至表层厚度为3mm；
放置于恒温恒湿养护室(20±1℃和95±1％RH)养护24小时脱模，之后继续养护7天，即得到抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品。
实施例5
一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品，由微生物矿化增强的结构层和内掺有机物具有疏水性的面层组成；所述结构层是预先在水泥中掺入质量比0.8％的微生物菌粉并混合均匀作为混合胶凝材料使用，再与水、砂，或加入纤维混合制备而成；所述面层是预先将水泥质量比3％的水性有机物(硬脂酸)与水搅拌后作为混合液体组份，再与水、细砂混合制备而成。
所述的面层厚度为2-6mm，所使用的细砂最大粒径小于1mm；所述微生物菌粉是由可产生碳酸酐酶的芽孢杆菌通过在碱性环境中进行驯化培养获得良好耐碱性后制备得到的。
所述水泥基制品的制备方法如下：
将微生物菌粉按水泥质量比0.8％与水泥混合，再加入水和砂搅拌均匀，保持液固比为0.35：1、胶砂比为1：1，成型水泥基制品结构层，放置于恒温恒湿养护室20±1℃和95±1％RH)中养护2小时待结构层初凝；
将硬脂酸按水泥质量比3％与水混合均匀，再加入水泥、细砂搅拌均匀，保持液固比0.3，之后将拌合物浇筑于结构层表面上，并抹面至表层厚度为3mm；
放置于恒温恒湿养护室(20±1℃和95±1％RH)养护24小时脱模，之后继续养护7天，即得到抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品。
对比例1
该水泥基制品的结构层按不同掺量菌粉加入，面层不加有机物。所述水泥基制品的制备方法如下：
将微生物菌粉按水泥质量比0(对照组)、0.2％、0.8％和1.5％与水泥混合，再加入水和砂搅拌均匀，保持液固比为0.35：1、胶砂比为1：1，成型水泥基制品结构层，放置于恒温恒湿养护室20±1℃和95±1％RH)中养护2小时待结构层初凝；
将水泥、细砂搅拌均匀，保持液固比0.4，胶砂比1：1，之后将拌合物浇筑于结构层表面上，并抹面至表层厚度为3mm；
放置于恒温恒湿养护室(20±1℃和95±1％RH)养护24小时脱模，之后继续养护至少7天，即得到抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品。
结果如表1所示，显然，掺入微生物后的制品表面泛碱率大幅降低，水泥基制品表面抗泛碱性提升。
表1结构层中不同微生物菌粉掺量的水泥基制品表面泛碱面积率
Figure BDA0003683840630000061
对比例2
该水泥基制品的结构层不加入菌粉，面层加不同掺量有机物。所述水泥基制品的制备方法如下：
在水泥中加入水和砂搅拌均匀，保持液固比为0.35：1、胶砂比为1：1，成型水泥基制品结构层，放置于恒温恒湿养护室(20±1℃和95±1％RH)中养护2小时待结构层初凝；
将水性有机物按水泥质量比0％(对照组)、1％、3％、5％与水混合均匀，再加入水泥、细砂搅拌均匀，保持液固比0.40，之后将拌合物浇筑于结构层表面上，并抹面至表层厚度为3mm；
放置于恒温恒湿养护室(20±1℃和95±1％RH)养护24小时脱模，之后继续养护至少7天，即得到抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品。
结果如表2所示，显然有机物改性后的面层使得水泥制品表面表现出强的憎水效果。
表2面层中不同掺量有机物的水泥基制品表面接触角
Figure BDA0003683840630000062
由对比例1、2可以看出，微生物掺入可以提升结构层抗泛碱性，有机物可以改性面层接触角提高憎水性。
表3抗泛碱抗沾污水泥基制品表面泛碱率与表面积接触角
Figure BDA0003683840630000071
抗泛碱抗沾污水泥基制品表面泛碱率与表面积接触角测试结果如表3所示，表层中掺入有机物改性后水泥基制品抗泛碱性大幅提高。在结构层中掺入微生物，表层中掺入有机物，通过结构层矿化、表层憎水改性的耦合作用提高了水泥基制品抗泛碱性能，泛碱率大幅度降低。与结构层未添加微生物、面层未添加有机物的对照组相比，实施例5中的泛碱面积率从49.40％降低至3.41％。

Claims (10)

1.一种抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品，其特征在于，由微生物矿化增强的结构层和内掺有机物具有疏水性的面层组成；所述结构层是预先在水泥中掺入质量比0.2%~1.5%的微生物菌粉并混合均匀作为混合胶凝材料使用，再与水、砂，或加入纤维混合制备而成；所述面层是预先将水泥质量比1%~5%的水性有机物与水搅拌后作为混合液体组份，再与水、细砂混合制备而成。
2.根据权利要求1所述的抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品，其特征在于，所述水泥基制品类型为水泥净浆制品、水泥砂浆制品或纤维增强水泥砂浆制品。
3.根据权利要求1所述的抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品，其特征在于，所述的面层厚度为2-6mm，所使用的细砂最大粒径小于1mm。
4.根据权利要求1所述的抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品，其特征在于，所述微生物菌粉是由可产生碳酸酐酶的芽孢杆菌通过在碱性环境中进行驯化培养获得良好耐碱性后制备得到的。
5.根据权利要求1所述的抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品，其特征在于，所述的水性有机物为聚甲基氢硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、硬脂酸或硬脂酸乳液、聚乙烯蜡疏水剂、聚甲基硅氧烷疏水剂中的至少一种。
6.一种权利要求1-5任一所述的抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将微生物菌粉按水泥质量比0.2%~1.5%与水泥混合，再加入水、砂搅拌均匀或加入水、砂、纤维搅拌均匀，保持液固比为0.35~0.5，之后将拌合物浇筑于模板中成型结构层，再放置于恒温恒湿养护室中养护待结构层初凝；
（2）将水性有机物按水泥质量比1%~5%与水混合均匀，再加入水泥、细砂搅拌均匀，保持液固比0.35~0.5，之后将拌合物浇筑于结构层表面上，并抹面至表层厚度为2~6mm；
（3）放置于恒温恒湿养护室养护脱模，之后继续养护，即得到抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品。
7.根据权利要求6所述的抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品的制备方法，其特征在于，步骤（1）和（3）中所述恒温恒湿养护室的温度为20±1℃，湿度为95±1%RH。
8.根据权利要求6所述的抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述养护时间为1~3小时。
9.根据权利要求6所述的抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述脱模后养护完毕采用砂纸对制品进行表面打磨处理，脱模后继续养护时间为21~28天。
10.根据权利要求6所述的抗泛碱抗沾污自清洁装饰水泥基制品的制备方法，其特征在于，在所述结构层成型时加入的纤维为耐碱玻璃纤维。
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