CN113185220A - 一种轻质混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻质混凝土。这种轻质混凝土包括以下的组分：胶凝材料、珍珠岩、泡沫和水；其中，胶凝材料包括水泥；泡沫由发泡剂溶液发泡制备得到；发泡剂溶液包括表面亲水改性的纳米颗粒、表面活性剂、纤维素、聚合物和助剂。本发明采用了经过改性处理的发泡剂经发泡制得的泡沫，并与珍珠岩用于制备轻质混凝土，所制得的轻质混凝土性能良好，抗压强度有明显提高，且制备成本降低，还具有环保的优点，适用于大规模推广应用。

Description

一种轻质混凝土
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，特别涉及一种轻质混凝土。
背景技术
轻质混凝土又是通过发泡机将发泡剂充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。它属于气泡状绝热材料，突出特点是在混凝土内部形成封闭的泡沫孔，使混凝土轻质化和保温隔热化。
目前应用于轻质混凝土的发泡剂普遍存在用量大、性能不稳定以及价格昂贵等问题。现有的发泡剂在制备时气泡容易团聚，导致尺寸增大，因而得到的泡沫不稳定。发泡剂的活性组分占比较大，提高了发泡剂的制备成本。而一些性能良好的发泡剂多数需要进口，这不但提升了轻质混凝土的成本，也不利于大规模的生产应用。
现有的轻质混凝土还存在抗压强度不足的问题，这也影响了这种材料在许多领域的推广应用。
因此，如何提供一种成本低廉、性能优良且环保的轻质混凝土，成为了行内研究者亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种轻质混凝土；本发明的目的之二在于提供这种轻质混凝土的制备方法；本发明的目的之三在于提供这种轻质混凝土的应用。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一方面提供了一种轻质混凝土，包括以下的组分：胶凝材料、珍珠岩、泡沫和水；
所述胶凝材料包括水泥；
所述泡沫由发泡剂溶液发泡制备得到；所述发泡剂溶液包括表面亲水改性的纳米颗粒、表面活性剂、纤维素、聚合物和助剂。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述珍珠岩的质量为胶凝材料质量的0.5％～6％。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述珍珠岩的质量为胶凝材料质量的1％～5％。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述珍珠岩的粒径为3毫米～10毫米。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述珍珠岩的粒径为5毫米～8毫米。
根据本发明所述胶凝材料的一些实施方式，所述水泥包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥中的至少一种。
根据本发明所述胶凝材料的一些实施方式，所述水泥的强度包括32.5、42.5、52.5级中的至少一种。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述胶凝材料的组分还包括粉煤灰。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述胶凝材料由水泥和粉煤灰组成。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述胶凝材料中，粉煤灰的质量百分比为30％～45％。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述胶凝材料是由质量百分比为30％～40％的粉煤灰和余量的水泥组成。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述胶凝材料中，粉煤灰的质量百分比为35％～40％。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述发泡剂溶液包括如下质量百分比的组分：0.04％～0.06％表面亲水改性的纳米颗粒，0.05％～0.12％表面活性剂，0.05％～0.4％纤维素，0.05％～0.1％聚合物，0.005％～0.015％助剂。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述发泡剂溶液中，表面活性剂的质量百分比为0.06％～0.1％。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述发泡剂溶液中，表面活性剂的质量百分比为0.07％～0.09％。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述发泡剂溶液中，纤维素的质量百分比为0.1％～0.3％。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述发泡剂溶液中，纤维素的质量百分比为0.15％～0.2％。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述发泡剂溶液中，聚合物的质量百分比为0.06％～0.09％。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述发泡剂溶液中，聚合物的质量百分比为0.07％～0.08％。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述发泡剂溶液中，助剂的质量百分比为0.006％～0.01％。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述发泡剂溶液中，助剂的质量百分比为0.007％～0.009％。
根据本发明所述发泡剂溶液的一些实施方式，所述表面亲水改性的纳米颗粒中，纳米颗粒包括纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化铝、纳米氧化锌、纳米氧化锆、纳米氧化铈、纳米氧化铁、纳米凹凸棒土、纳米高岭土、纳米蒙脱土、纳米膨润土中的至少一种。
根据本发明所述发泡剂溶液的一些实施例，所述表面亲水改性的纳米颗粒中，纳米颗粒包括纳米凹凸棒土、纳米高岭土、纳米蒙脱土、纳米膨润土中的至少一种。选用这些种类的纳米颗粒，其来源广泛且成本低廉。使用经表面亲水改性后的纳米颗粒可以稳定泡沫，保证生产的混凝土具有孔径小、分散均匀的气孔，从而提高轻质混凝土的性能。
在本发明中，纳米颗粒表面亲水改性的方法为本领域的常规方法，如采用表面活性剂对纳米颗粒进行浸泡或包覆处理。亲水改性采用的表面活性剂可以选自硅烷偶联剂和/或聚醚。
根据本发明所述发泡剂溶液的一些实施方式，所述表面活性剂包括硫酸盐类表面活性剂、磺酸盐类表面活性剂、脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一种。选用这些种类的表面活性剂具有起泡效率高，效果好的优点。
根据本发明所述发泡剂溶液的一些实施例，所述表面活性剂包括十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、AEO-7、AEO-9中的至少一种。
根据本发明所述发泡剂溶液的一些实施方式，所述纤维素包括甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素中的至少一种。选用这些纤维素作为稳泡剂，其水溶液的粘度大，可以使发泡剂溶液保持足够的粘度，提高泡沫的稳定性。
根据本发明所述发泡剂溶液的一些实施例，所述纤维素包括甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的至少一种。
根据本发明所述发泡剂溶液的一些实施方式，所述聚合物包括聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚氧化乙烯、聚氧化乙烯醚、聚氧化丙烯、聚丙三醇缩水甘油醚、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。
根据本发明所述发泡剂溶液的一些实施例，所述聚合物包括聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。其中，聚丙烯酰胺可以与水泥发生活性反应，由于聚丙烯酰胺与水泥界面具有化学结合，使界面的承载能力提高，从而提高了界面的韧性和抗断裂性，形成良好的物理力学性能，还有利于微型、封闭式泡孔体的形成；聚乙烯亚胺分子链上的N原子接枝有一定量的相应疏水链，屏蔽了分子链上的部分胺基，因而聚乙烯亚胺能够内部亲水，外部疏水，可以增强泡沫与水泥料浆的相容性，增强轻质混凝土的机械性能；聚乙烯吡咯烷酮作为一种水溶性高分子化合物，具有良好的增溶和凝聚性，有利于稳定泡沫。
根据本发明所述发泡剂溶液的一些实施方式，所述助剂包括三乙醇胺、二乙醇单异丙醇胺、氯化钠、氯化钾、氯化镁、硅酸钠、硫酸钠中的至少一种。采用这些种类的助剂可以增加泡沫的稳定性，进一步提高轻质混凝土内部结构的致密性，提高力学性能。
根据本发明所述发泡剂溶液的一些实施例，所述助剂包括三乙醇胺、氯化钠、氯化镁中的至少一种。
根据本发明所述发泡剂溶液的一些实施方式，所述发泡剂溶液的组分还包括水。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述轻质混凝土的湿密度为880g/cm3～1000g/cm3。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述轻质混凝土的湿密度为920g/cm3～980g/cm3。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述轻质混凝土的干密度为690g/cm3～750g/cm3。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述轻质混凝土的干密度为720g/cm3～745g/cm3。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述胶凝材料与所述泡沫的比例为1g：(0.8～1)mL。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述胶凝材料与所述泡沫的比例为1g：(0.85～0.95)mL。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施方式，所述胶凝材料与所述水的质量比为1：(0.3～0.6)。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述胶凝材料与所述水的质量比为1：(0.4～0.5)。
根据本发明所述轻质混凝土的一些实施例，所述轻质混凝土的导热系数为0.07W/m·K～0.13W/m·K。
本发明的第二方面提供了根据本发明第一方面所述轻质混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将胶凝材料、珍珠岩与水混合，得到浆料；
将发泡剂溶液发泡制得泡沫，再将所述泡沫与所述浆料搅拌混合，得到所述的轻质混凝土。
根据本发明所述轻质混凝土制备方法的一些实施方式，所述发泡剂溶液的制备方法包括如下步骤：将表面亲水改性的纳米颗粒、表面活性剂、纤维素、聚合物和助剂混合，得到发泡剂，再与水混合，得到发泡剂溶液。
根据本发明所述发泡剂溶液制备方法的一些实施方式，所述发泡剂与水的质量比为1：(250～600)。
根据本发明所述发泡剂溶液制备方法的一些实施例，所述发泡剂与水的质量比为1：(300～400)。
本发明的第三方面提供了根据本发明第一方面所述的轻质混凝土在制备建筑材料、3D打印材料、垃圾掩埋材料、防爆材料或地面阻拦***材料中的应用。
本发明的有益效果是：
本发明采用了经过改性处理的发泡剂经发泡制得的泡沫，并与珍珠岩用于制备轻质混凝土，所制得的轻质混凝土性能良好，抗压强度有明显提高，且制备成本降低，还具有环保的优点，适用于大规模推广应用。
进一步来说，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明轻质混凝土采用的泡沫是经过改性预处理的发泡剂制成。这种泡沫从纳米颗粒的稳泡原理出发，进行了表面处理，能让纳米颗粒能够在气泡表面单层聚集，这就极大地减少了纳米颗粒的用量。泡沫进入水泥拌合物的碱性环境后，纳米颗粒能迅速胶结在一起形成保护膜，确保气泡不会破裂，因此制成的泡沫更稳定，可以提高轻质混凝土的性能。
2)本发明的发泡剂溶液中纳米颗粒的含量少，这样有利于减少原料用量，降低生产成本，适合大规模推广应用。
3)本发明采用珍珠岩可以降低混凝土容重，有利于微孔泡沫的稳定形成和均匀分布，在降低导热系数的同时又能使得混凝土基体更加均匀。
4)本发明采用简单的共混即可制备轻质混凝土，操作方法既简单又方便，且无污染物产生，是一种环保的工艺方法。
附图说明
图1为本发明实施例2轻质混凝土的宏观图；
图2为本发明实施例2轻质混凝土的一种偏振光显微镜图；
图3为本发明实施例2轻质混凝土的另一种偏振光显微镜图；
图4为本发明实施例2轻质混凝土的扫描电镜图。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。
除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法，如参照《JG/T 266-2011》的测试标准要求。
以下实施例中采用的水泥为GB 175-2007PI 52.5硅酸盐水泥，珍珠岩粒径为5mm～8mm。
表1给出了实施例1～5以及对比例1～2的轻质混凝土原料组成。
表1实施例1～5以及对比例1～2的轻质混凝土原料组成
水泥(g) 粉煤灰(g) 珍珠岩(g) 水(mL) 泡沫(mL)
实施例1 400 0 4 180 370
实施例2 400 0 12 180 370
实施例3 250 150 4 180 370
实施例4 250 150 12 180 370
实施例5 250 150 20 180 370
对比例1 400 0 0 180 370
对比例2 250 150 0 180 370
实施例1
本例轻质混凝土的原料组成可见表1。
本例轻质混凝土的制备方法包括以下步骤：
称取水泥400g，珍珠岩4g与180mL的水混合，得到浆料。
将表面亲水改性的纳米凹凸棒土粉、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素和三乙醇胺按比例混合，再按质量比1:300与水混合，得到发泡剂溶液；制得的发泡剂溶液各原料质量含量如下：硅烷偶联剂表面亲水改性的纳米凹凸棒土粉0.06％，十二烷基苯磺酸钠0.08％，聚丙烯酰胺0.016％，聚乙烯亚胺0.016％，聚乙烯吡咯烷酮0.04％，甲基纤维素0.18％，三乙醇胺0.008％，余量为水。
将发泡剂溶液搅拌发泡，产生泡沫，然后在搅拌条件下，将浆料和370mL的泡沫混合，得到轻质混凝土。
实施例2
本例轻质混凝土的原料组成可见表1。本例与实施例1的不同之处仅在于，珍珠岩的用量为12g，即相对于水泥的添加量由1wt％变为3wt％，其余原料组成和制备方法均与实施例1相同。
实施例3
本例轻质混凝土的原料组成可见表1。
本例轻质混凝土的制备方法包括以下步骤：
称取水泥250g，粉煤灰150g，珍珠岩4g与180mL的水混合，得到浆料。
将表面亲水改性的纳米凹凸棒土粉、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素和三乙醇胺按比例混合，再按质量比1:300与水混合，得到发泡剂溶液；制得的发泡剂溶液各原料质量含量如下：硅烷偶联剂表面亲水改性的纳米凹凸棒土粉0.06％，十二烷基苯磺酸钠0.08％，聚丙烯酰胺0.016％，聚乙烯亚胺0.016％，聚乙烯吡咯烷酮0.04％，甲基纤维素0.18％，三乙醇胺0.008％，余量为水。
将发泡剂溶液搅拌发泡，产生泡沫，然后在搅拌条件下，将浆料和370mL的泡沫混合，得到轻质混凝土。
实施例4
本例轻质混凝土的原料组成可见表1。本例与实施例3的不同之处仅在于，珍珠岩的用量为12g，即相对于水泥和粉煤灰的添加量由1wt％变为3wt％，其余原料组成和制备方法均与实施例3相同。
实施例5
本例轻质混凝土的原料组成可见表1。本例与实施例3的不同之处仅在于，珍珠岩的用量为20g，即相对于水泥和粉煤灰的添加量由1wt％变为5wt％，其余原料组成和制备方法均与实施例3相同。
实施例6
本例轻质混凝土与实施例2的不同之处仅在于，发泡剂溶液的组成不同。
本例的发泡剂溶液各原料的质量百分比组成如下：0.06％硅烷偶联剂表面亲水改性的纳米高岭土粉，0.08％十二烷基硫酸钠，0.016％聚丙烯酰胺，0.016％聚乙烯亚胺，0.04％聚乙烯吡咯烷酮，0.18％甲基纤维素，0.008％三乙醇胺，以及余量的水。
实施例7
本例轻质混凝土与实施例4的不同之处仅在于，发泡剂溶液的组成不同。
本例的发泡剂溶液各原料的质量百分比组成如下：0.06％硅烷偶联剂表面亲水改性的纳米膨润土粉，0.08％AEO-9，0.016％聚丙烯酰胺，0.016％聚乙烯亚胺，0.04％聚乙烯吡咯烷酮，0.18％甲基纤维素，0.008％三乙醇胺，以及余量的水。
对比例1
本例轻质混凝土的原料组成可见表1。
本例轻质混凝土的制备方法包括以下步骤：
称取水泥400g与180mL的水混合，得到浆料。
将表面亲水改性的纳米凹凸棒土粉、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素和三乙醇胺按比例混合，再按质量比1:300与水混合，得到发泡剂溶液；制得的发泡剂溶液各原料质量含量如下：硅烷偶联剂表面亲水改性的纳米凹凸棒土粉0.06％，十二烷基苯磺酸钠0.08％，聚丙烯酰胺0.016％，聚乙烯亚胺0.016％，聚乙烯吡咯烷酮0.04％，甲基纤维素0.18％，三乙醇胺0.008％，余量为水。
将发泡剂溶液搅拌发泡，产生泡沫，然后在搅拌条件下，将浆料和370mL的泡沫混合，得到轻质混凝土。
对比例2
本例轻质混凝土的原料组成可见表1。
本例轻质混凝土的制备方法包括以下步骤：
称取水泥250g，粉煤灰150g与180mL的水混合，得到浆料。
将表面亲水改性的纳米凹凸棒土粉、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素和三乙醇胺按比例混合，再按质量比1:300与水混合，得到发泡剂溶液；制得的发泡剂溶液各原料质量含量如下：硅烷偶联剂表面亲水改性的纳米凹凸棒土粉0.06％，十二烷基苯磺酸钠0.08％，聚丙烯酰胺0.016％，聚乙烯亚胺0.016％，聚乙烯吡咯烷酮0.04％，甲基纤维素0.18％，三乙醇胺0.008％，余量为水。
将发泡剂溶液搅拌发泡，产生泡沫，然后在搅拌条件下，将浆料和370mL的泡沫混合，得到轻质混凝土。
对比例3
本例轻质混凝土与实施例2的不同之处仅在于，本例发泡剂采用了市售W.R.Grace，继而利用这种发泡剂制备泡沫，其余原料组成和制备方法均与实施例2相同。
对比例4
本例轻质混凝土与实施例4的不同之处仅在于，本例发泡剂采用了市售W.R.Grace，继而利用这种发泡剂制备泡沫，其余原料组成和制备方法均与实施例4相同。
将实施例1～7与对比例1～4制备的轻质混凝土进行性能测试，并制作成规格为40mm×40mm×40mm的标准试块测试性能，测试结果可见表2。其中，抗压强度测试均将样块烘干至恒重测量干密度后再进行。
表2实施例1～7和对比例1～4的试样测试结果
Figure BDA0003039837650000091
通过以上的测试结果可知，实施例1～7制得的混凝土密度小，其湿密度为940～970kg/m3，干密度为735～745kg/m3，是一种轻质的材料。采用本发明实施例的发泡剂溶液经发泡制备的纳米泡沫，并与水泥(或者水泥与粉煤灰)和珍珠岩等制成的轻质混凝土，其抗压强度比不加入珍珠岩的对比例有了显著的提高，也比采用市售发泡剂制得的试样更高。
实施例2的轻质混凝土的宏观图可见附图1。附图2和附图3分别为实施例2轻质混凝土不同位置的偏振光显微镜图。附图4为实施例2轻质混凝土的扫描电镜图。从图1～4可见，本发明实施例制得的混凝土基体十分均匀。
经检测，实施例1～7制得的轻质混凝土导热系数为0.08W/m·K～0.12W/m·K，其一种隔热性能良好的保温材料。
本发明实施例的发泡剂溶液中，纳米颗粒的含量仅为0.06％，其售价仅为16元/立方米，远低于进口产品，这样可以大大降低成本，具有相当的市场竞争力。而且实施例制备轻质混凝土的过程中只需简单的共混即可，操作既简单又方便，且无污染物产生，十分环保，值得推广应用。
本发明提供的这种轻质混凝土性能良好，是一种具有较高力学性能的轻质保温材料，在建筑材料、3D打印材料、垃圾掩埋材料、防爆材料或地面阻拦***材料等方面有广阔的应用前景。
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，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 (10)

1.一种轻质混凝土，其特征在于：包括以下的组分：胶凝材料、珍珠岩、泡沫和水；
所述胶凝材料包括水泥；
所述泡沫由发泡剂溶液发泡制备得到；所述发泡剂溶液包括表面亲水改性的纳米颗粒、表面活性剂、纤维素、聚合物和助剂。
2.根据权利要求1所述的一种轻质混凝土，其特征在于：所述珍珠岩的质量为胶凝材料质量的0.5％～6％。
3.根据权利要求1所述的一种轻质混凝土，其特征在于：所述胶凝材料的组分还包括粉煤灰。
4.根据权利要求3所述的一种轻质混凝土，其特征在于：所述胶凝材料中，粉煤灰的质量百分比为30％～45％。
5.根据权利要求1所述的一种轻质混凝土，其特征在于：所述发泡剂溶液包括如下质量百分比的组分：0.04％～0.06％表面亲水改性的纳米颗粒，0.05％～0.12％表面活性剂，0.05％～0.4％纤维素，0.05％～0.1％聚合物，0.005％～0.015％助剂。
6.根据权利要求5所述的一种轻质混凝土，其特征在于：所述聚合物包括聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚氧化乙烯、聚氧化乙烯醚、聚氧化丙烯、聚丙三醇缩水甘油醚、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的一种轻质混凝土，其特征在于：所述助剂包括三乙醇胺、二乙醇单异丙醇胺、氯化钠、氯化钾、氯化镁、硅酸钠、硫酸钠中的至少一种。
8.根据权利要求1至3任一项所述的一种轻质混凝土，其特征在于：所述轻质混凝土的湿密度为880g/cm3～1000g/cm3。
9.一种权利要求1至8任一项所述轻质混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将胶凝材料、珍珠岩与水混合，得到浆料；
将发泡剂溶液发泡制得泡沫，再将所述泡沫与所述浆料搅拌混合，得到所述的轻质混凝土。
10.权利要求1至8任一项所述的轻质混凝土在制备建筑材料、3D打印材料、垃圾掩埋材料、防爆材料或地面阻拦***材料中的应用。
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