CN115894068A - 地聚物混凝土涂层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝土技术领域，具体公开了一种地聚物混凝土涂层材料。其由如下重量百分比的原料制成：水17.13％～19.65％、水玻璃11.20％～13.02％、粉煤灰31.73％～51.59％、偏高岭土12.41％～32.27％、发泡剂3.71％～4.90％、二氧化锰0.20％～0.41％、硬脂酸钙0.01％～0.03％。本发明还公开了地聚物混凝土涂层材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按照重量比称取各原料；(2)将粉煤灰、偏高岭土、二氧化锰和硬脂酸钙混合均匀；(3)加入水玻璃，搅拌均匀；(4)然后继续慢速搅拌，边搅拌边加水，搅拌一定时间后，加入发泡剂，快速搅拌20秒，得地聚物混凝土涂层材料。本发明在使用性能上具备轻质、保温、隔热等特点，且能减缓因碳化造成的混凝土内钢筋锈蚀等问题，进一步提高混凝土结构的耐久性。

Description

地聚物混凝土涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种地聚物混凝土涂层材料及其制备方法。

背景技术

我国的建筑能耗约占总能耗的35％以上且呈现逐年增长的趋势，建筑能耗也是制约我国经济发展的一个重大因素，因此建筑节能十分必要。

在建筑材料的生产、使用、废弃和再生循环过程中，如何设计生产与生态环境相协调，满足最少资源和能源消耗、最小或无环境污染、最佳使用性能、最高循环再利用率要求并节能的建筑材料是大势所趋。

此外，钢筋混凝土结构应用范围极其广泛，且大多数建筑使用时间较长，随之而来的混凝土结构耐久性问题也越来越明显。

国内外频繁出现在役钢筋混凝土结构未达设计服役寿命就提前失效的现象，由此带来的修缮或重建问题造成了巨大经济损失，甚至威胁到人们的生命安全。国内外大量的研究及现场调查发现，碳化及氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性失效的主要原因，且锈蚀在房屋建筑、公路、桥梁、大坝等混凝土结构中普遍存在。

轻质混凝土是一种多孔材料，现有市面上的轻质混凝土仍然是以水泥为主要胶凝材料，而水泥的生产过程本身就是一个高能耗的过程，另外在生产过程中还会产生大量的CO₂，增加碳排放。因此，找到一种能替代水泥的节约能源型的胶凝材料来制备轻质混凝土意义很重大。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种地聚物混凝土涂层材料，致力于既满足节能减排的要求，又能有效解决现有钢筋混凝土结构耐久性不足的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种地聚物混凝土涂层材料，由如下重量百分比的原料制成：水17.13％～19.65％、水玻璃11.20％～13.02％、粉煤灰31.73％～51.59％、偏高岭土12.41％～32.27％、发泡剂3.71％～4.90％、二氧化锰0.20％～0.41％、硬脂酸钙0.01％～0.03％。

进一步地，各原料优选的重量百分比为：水18.00％、水玻璃12.86％、粉煤灰51.44％、偏高岭土12.86％、发泡剂4.50％、二氧化锰0.32％和硬脂酸钙0.02％。

进一步地，所述水是自来水，所述粉煤灰是I级粉煤灰，所述发泡剂是化学性质活泼的双氧水，所述二氧化锰是市售级，所述硬脂酸钙是化学发泡的稳泡剂。

进一步地，所述水玻璃的模数是1.4。

进一步地，所述水玻璃是由氢氧化钠和市售工业钠水玻璃调配而成。

进一步地，所述偏高岭土为市售级，所述偏高岭土为结构致密且纯度较高的优质火山灰性材料。

本发明的另一个目的在于提供一种地聚物混凝土涂层材料的制备方法，致力于既满足节能减排的要求，又能有效解决现有钢筋混凝土结构耐久性不足的问题。

一种如上实施例所述的地聚物混凝土涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照重量百分比称量水、水玻璃、粉煤灰、偏高岭土、发泡剂、二氧化锰和硬脂酸钙，备用；

(2)将所述粉煤灰、偏高岭土、二氧化锰和硬脂酸钙混合搅拌充分，得固体混合料；

(3)将所述水玻璃加入到所述固体混合料中，搅拌均匀，得混合料I；

(4)将所述混合料I慢速搅拌，边搅拌边加入所述水，搅拌一定时间后，得混合料II；

(5)在所述混合料II中加入所述发泡剂，快速搅拌20秒后，得地聚物混凝土涂层材料。

进一步地，步骤(4)中，所述搅拌时长为3分钟。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明的地聚物混凝土涂层材料不仅呈强碱性，而且表面及混凝土内部空隙间隙有一定量碱性晶体析出，能与透过空隙进入混凝土内部的二氧化碳反应，进一步阻断二氧化碳气体到达混凝土内部，且反应生成的物质能填充混凝土空隙，使混凝土更加密实，这将有效防止因碳化造成的混凝土内钢筋锈蚀问题，从而提高混凝土结构耐久性。

(2)本发明通过对配合比的优化，利用地聚物代替水泥作为胶凝材料所制成的轻质混凝土，其生产过程能耗低且对环境基本无污染，并兼具保温、隔热等特点，使复合而成的新材料表现出更好的性能，实现了轻质混凝土使用领域的拓宽目标。

(3)本发明以工业废料粉煤灰为原料，绿色环保，成本低廉，保温性和隔热性获得显著提高，并且兼具节能、保温和隔声等多重效果，施工工序简单，缩短了工期。

(3)本发明的生产工艺简单，工序少，养护时间短，原材料取材便利，可以实现工业化生产，具有稳定性、可靠性，市场前景广阔，适合规模化生产。

附图说明

下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1是本发明的各组分示意图；

图2是本发明的地聚物混凝土涂层示意图；

图3是本发明的应用效果示意图。

标号说明：1粉煤灰；2偏高岭土；3封闭微孔；4其他固体集料；A建筑结构；B地聚物混凝土涂层。

具体实施方式

一种地聚物混凝土涂层材料，如图1所示，由如下重量百分比的原料制成：水17.13％～19.65％、水玻璃11.20％～13.02％、粉煤灰31.73％～51.59％、偏高岭土12.41％～32.27％、发泡剂3.71％～4.90％、二氧化锰0.20％～0.41％、硬脂酸钙0.01％～0.03％。

本发明中，所述水是自来水，所述自来水取材方便，成本低廉。自来水能调节拌合物黏聚性及稳定性，防止因自来水含量过低，拌合物黏稠导致泡沫破裂。

所述粉煤灰1是I级粉煤灰，它是煤炭燃烧时，从烟道气体中收集到的细灰。粉煤灰1的主要成分是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等，是一种火山灰质材料。粉煤灰1能增加拌合物流动性和黏聚性，降低水化热以及提高混凝土后期强度。

所述偏高岭土2为市售级，它是结构致密且纯度较高的优质火山灰性材料。所述偏高岭土2是硅铝酸盐矿物的一种，主要由片状、层状高岭石簇构成，是高岭土经过高温煅烧脱掉结构水形成的具有极高火山灰活性的无定形物质，其中含有大量呈无定形态的Al₂O₃与SiO₂，原子排列不规则，处于热力学介稳状态，且结构致密，具有良好的可塑性及耐火性，是一种用途极广的无机非金属矿物。所述偏高岭土2能改善混凝土孔结构，提升混凝土的早期强度，优化地聚物材料性能。

所述水玻璃是由氢氧化钠和市售工业钠水玻璃调配而成的模数为1.40的水玻璃，水玻璃是一种二氧化硅和碱金属氧化物的水溶性硅酸盐，其化学式为Na₂O·nSiO₂或K₂O·nSiO₂，其中n称为水玻璃模数，代表二氧化硅与碱金属氧化物的摩尔比。所述水玻璃的模数对混凝土的干密度及强度都有重要影响。本发明中，所述市售工业钠水玻璃的模数为3.21，SiO₂含量为27.84％。通过添加NaOH调节市售工业钠水玻璃模数，获得模数为1.40的水玻璃，并进行一段时间的陈化来提高水玻璃的活性，以提高聚合反应后混凝土的强度。

所述发泡剂是由表面活性剂或者表面活性物质构成，因其较高的表面活性，能有效降低液体的表面张力，在液膜表面呈双电子层排列，包裹空气形成气泡。本发明选用的发泡剂是化学性质活泼的双氧水，在二氧化锰的催化作用下可迅速分解产生氧气，且产生的气体具有良好的稳定性，气孔孔径大小均匀。

所述二氧化锰是市售级，易于获取。在本发明中，所述二氧化锰是一种催化剂，能够加快聚合反应的产生。

所述硬脂酸钙是化学发泡的稳泡剂。硬脂酸钙的化学式为C₃₆H₇₀CaO₄，相对分子质量为607.02，呈白色粉末状。它可以减少气泡液膜的表面张力，使得气泡液膜向憎水性发展，从而减少了消泡或气泡合并现象的发生。

以下通过实施例对本发明进行详细说明。

实施例

实施例1-4中地聚物混凝土涂层材料各组分的重量百分比如表1所示。

表1地聚物混凝土涂层材料各组分的重量百分比

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					自来水	18.00％	18.00％	18.00％	18.00％
水玻璃	12.86％	12.86％	12.86％	12.86％
					粉煤灰	51.44％	45.01％	38.58％	32.15％
偏高岭土	12.86％	19.29％	25.72％	32.15％
					双氧水	4.50％	4.50％	4.50％	4.50％
二氧化锰	0.32％	0.32％	0.32％	0.32％
					硬脂酸钙	0.02％	0.02％	0.02％	0.02％

实施例1-4所述的地聚物混凝土涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照上述各组分的重量百分比称量自来水、水玻璃、粉煤灰1、偏高岭土2、双氧水、二氧化锰和硬脂酸钙，备用；

(2)将所述粉煤灰1、偏高岭土2、二氧化锰和硬脂酸钙混合，再将此混合料一同放入搅拌场地内进行干拌，时间为3分钟，搅拌方式可以为机器搅拌加以人工辅助，确保搅拌充分，得固体混合料；

(3)将模数为1.40的所述水玻璃加入到所述固体混合料中，人工拌和均匀，得混合料I；

(4)将所述混合料I进行机器慢速搅拌，边搅拌边加入所述自来水，搅拌3分钟后，得混合料II；

(5)在所述混合料II中加入所述双氧水，快速搅拌20秒后，得地聚物混凝土涂层材料。

将实施例1-4制备得到的所述地聚物混凝土涂层材料涂抹覆盖于建筑结构A表面，覆盖保鲜膜，浇水养护，得地聚物混凝土涂层B。如图2和图3所示，所述地聚物混凝土涂层B的内部结构为多孔型，大小不等且分布均匀的封闭微孔3互不连通。测量所述地聚物混凝土涂层B的干密度如表2所示。

表2地聚物混凝土涂层的干密度(kg/m³)

项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					<![CDATA[干密度(kg/m<sup>3</sup>)]]>	772.7	856.1	905.9	917.5

自然环境下，由于水的密度约为1000kg/m³，可见，实施例1-4中制备得到的地聚物混凝土涂层B的干密度比水更低，通过物理实验发现，将成品材料置于水中能浮于水面，十分轻质。

本发明在使用性能上主要具备以下几个特点：(1)提高混凝土结构耐久性。地聚物混凝土涂层材料不仅呈强碱性，而且表面及混凝土内部空隙间隙有一定量碱性晶体析出，能与透过空隙进入混凝土内部的二氧化碳反应，进一步阻断二氧化碳气体到达混凝土内部，且反应生成的物质能填充混凝土空隙，使混凝土更加密实，这将有效防止因碳化造成的混凝土内钢筋锈蚀问题，从而提高混凝土结构耐久性。(2)轻质、保温、隔音、减震。地聚物混凝土涂层材料密度较低，可减轻建筑物自重，提高构件的承载能力，并节省结构基础费用。同时，其内部含有大量均匀分布的封闭微孔3，保温隔热性能相对较好；其波阻抗低，易进入塑性阶段，可有效的反射和吸收冲击能量，具有很好的隔音性能以及减震效果。(3)无毒害。有机建筑保温材料在其生产过程和使用过程中均会产生有毒气体，污染空气，危害身体健康；而地聚物混凝土涂层材料的原材料清洁环保，生产和使用过程中不会产生有毒气体。(4)经济效果好。地聚物混凝土涂层材料的原材料廉价易得，制作方法简单，养护费用低。

本发明相比传统的轻质材料，通过对配合比的优化，利用地聚物代替水泥作为胶凝材料所制成的轻质混凝土，其生产过程能耗低且对环境基本无污染，且兼具保温、隔热等特点，使复合而成的新材料表现出更好的性能，实现了轻质混凝土使用领域的拓宽目标。

本发明相比传统的混凝土材料，通过以工业废料粉煤灰为原料，绿色环保，成本低廉，保温性和隔热性获得显著提高，并且兼具节能、保温和隔声等多重效果，施工工序也更加简单，缩短了工期。

本发明的制备方法简单，市场前景广阔，适合规模化生产。本发明既能用于新建钢筋混凝土结构，从而提高结构耐久性；同时还能作为修复材料，用于既有钢筋混凝土结构中混凝土表面脱落处，能有效防止碳化造成混凝土结构的进一步损伤，延长建筑物使用寿命。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种地聚物混凝土涂层材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料制成：水17.13％～19.65％、水玻璃11.20％～13.02％、粉煤灰31.73％～51.59％、偏高岭土12.41％～32.27％、发泡剂3.71％～4.90％、二氧化锰0.20％～0.41％、硬脂酸钙0.01％～0.03％。

2.根据权利要求1所述的地聚物混凝土涂层材料，其特征在于，各原料优选的重量百分比为：水18.00％、水玻璃12.86％、粉煤灰51.44％、偏高岭土12.86％、发泡剂4.50％、二氧化锰0.32％和硬脂酸钙0.02％。

3.根据权利要求1或2所述的地聚物混凝土涂层材料，其特征在于，所述水是自来水，所述粉煤灰是I级粉煤灰，所述发泡剂是化学性质活泼的双氧水，所述二氧化锰是市售级，所述硬脂酸钙是化学发泡的稳泡剂。

4.根据权利要求3所述的地聚物混凝土涂层材料，其特征在于，所述水玻璃的模数是1.4。

5.根据权利要求4所述的地聚物混凝土涂层材料，其特征在于，所述水玻璃是由氢氧化钠和市售工业钠水玻璃调配而成。

6.根据权利要求5所述的地聚物混凝土涂层材料，其特征在于，所述偏高岭土为市售级，所述偏高岭土为结构致密且纯度较高的优质火山灰性材料。

7.一种权利要求1-6中任一项所述的地聚物混凝土涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照重量百分比称量水、水玻璃、粉煤灰、偏高岭土、发泡剂、二氧化锰和硬脂酸钙，备用；

(2)将所述粉煤灰、偏高岭土、二氧化锰和硬脂酸钙混合搅拌充分，得固体混合料；

(3)将所述水玻璃加入到所述固体混合料中，搅拌均匀，得混合料I；

(4)将所述混合料I慢速搅拌，边搅拌边加入所述水，搅拌一定时间后，得混合料II；

(5)在所述混合料II中加入所述发泡剂，快速搅拌20秒后，得地聚物混凝土涂层材料。

8.根据权利要求7所述的地聚物混凝土涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述搅拌时长为3分钟。

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