CN113292265A - 一种基于表面改性轻质集料及其制备方法和一种轻量混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于表面改性轻质集料及其制备方法和一种轻量混凝土。该基于表面改性轻质集料包括EPS泡沫颗粒和覆盖在EPS泡沫颗粒表面的包覆层，其中包覆层通过以下质量份的原料制备得到：普通硅酸盐水泥1000份、纳米二氧化硅15～30份和聚羧酸减水剂3～5份，水胶比0.35～0.4。其制备为：将包覆层原料混合后喷涂在经浸水处理的EPS泡沫颗粒上，然后进行造粒并在造粒过程中去除水分，最后养护即得表面多孔、颗粒均匀的轻质集料，制备简单，操作方便；所得轻质集料增加了EPS泡沫颗粒的亲水性能，避免EPS的分层，强度高、堆积密度低，用于轻量混凝土中兼具轻质节能、保温隔音、经济环保等特性，易于推广应用。

Description

一种基于表面改性轻质集料及其制备方法和一种轻量混凝土
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种基于表面改性轻质集料及其制备方法和一种轻量混凝土。
背景技术
据统计，我国每年数十万吨的可发性聚苯乙烯泡沫(EPS)被用于商业包装、一次性餐具或绝缘材料等领域，部分消耗后被扔弃，造成了严重的环境污染。将废旧EPS资源化回收引入混凝土中，不仅可有效解决“白色污染”问题，还可实现混凝土轻质保温、隔音降噪、抗震吸能，达到建筑材料功能复合化、提高室内舒适性与降低建筑能耗的目的，也是目前建筑节能领域研究的热点，具有极大市场竞争优势和广泛的应用前景。目前，国内外研发人员对EPS混凝土做了大量研究，但大多数主要还停留在对EPS混凝土配合比设计等方面，而对EPS混凝土的水泥胶凝材料基体研究等方面的研究较为欠缺，有待进一步完善相关基础理论与应用技术。
发明内容
本发明的目的在于针对现有建筑材料中存在的上述不足，提供一种基于表面改性轻质集料及其制备方法和一种轻量混凝土，所得轻质集料强度高、堆积密度低，用于混凝土中兼具轻质节能、保温隔音、经济环保等特性。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
提供一种基于表面改性轻质集料，包括EPS泡沫颗粒和覆盖在EPS泡沫颗粒表面的包覆层，其中所述包覆层通过以下质量份的原料制备得到：普通硅酸盐水泥1000份、纳米二氧化硅15～30份和聚羧酸减水剂3～5份，水胶比为0.35～0.4。
按上述方案，所述EPS泡沫颗粒粒径为3～5mm。
按上述方案，包覆层厚度为1.8～2.4mm。
按上述方案，所述普通硅酸盐水泥强度等级为42.5，比表面积为350～370m2/kg，初凝时间为25～40min，终凝时间为180～240min，28d自由膨胀率为0.00～0.15％，标准稠度为25～30％；C2S和C3S含量大于70％，CaO/SiO2≥2.0％，烧失量不大于1.5％，符合GB1752007通用硅酸盐水泥标准的要求。
按上述方案，所述聚羧酸减水剂，减水率为14～40％。
提供一种上述基于表面改性轻质集料的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将纳米二氧化硅15～30份、普通硅酸盐水泥1000份和聚羧酸减水剂3～5份，按照水胶比0.35～0.40搅拌混合得混合浆料；
2)将EPS泡沫颗粒经泡水润湿处理，然后将步骤1)所得混合浆料喷涂在EPS泡沫颗粒表面，通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再经养护即得表面改性轻集料。
按上述方案，所述步骤2)中，所述EPS泡沫颗粒泡水润湿处理时间为0.5～1h。
按上述方案，所述步骤2)中，喷涂厚度为1.8～2.4mm。
按上述方案，所述步骤2)中，养护条件为：温度20±3℃、相对湿度≥90％下进行标准养护28d。
提供一种基于表面改性轻质集料的轻量混凝土，包括普通硅酸盐水泥1000份、粉煤灰150～200份、砂1500～2000份、上述表面改性轻质集料2000～2200份和减水剂2～4份，水胶比为0.35～0.4。
按上述方案，所述普通硅酸盐水泥强度等级为42.5，比表面积为350～370m2/kg，初凝时间为25～40min，终凝时间为180～240min，28d自由膨胀率为0.00～0.15％，标准稠度为25～30％；C2S和C3S含量大于70％，CaO/SiO2≥2.0％，烧失量不大于1.5％，符合GB1752007通用硅酸盐水泥标准的要求。
按上述方案，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其细度为0.45mm方孔筛筛余量不大于12％，烧失量不大于5％，需水量不大于95％，含水量不大于1％。
按上述方案，所述砂为细度模数不低于1.8的混合砂。
按上述方案，所述聚羧酸减水剂，减水率为14～40％。
提供一种上述基于表面改性轻质集料的轻量混凝土的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将普通硅酸盐水泥1000份、粉煤灰150～200份、砂1500～2000份、表面改性轻质集料2000～2200份和聚羧酸减水剂2～4份，按水胶比0.35～0.40搅拌混合得到混凝土胶凝材料；
2)将混凝土胶凝材料入模捣实，经养护得到混凝土试块。
按上述方案，所述步骤2)中，混凝土胶凝材料入模之前需将模具擦拭干净并在其内表面均匀刷抹涂膜剂。
按上述方案，所述步骤2)中，养护条件为：温度20±3℃、相对湿度≥90％下进行标准养护28d。
本发明采用EPS颗粒作为轻质化手段，取代传统砂石或陶粒等轻骨料。由于EPS泡沫颗粒为有机物颗粒，表面呈现憎水特性，而胶浆为无机材料，混凝土拌制过程中两种性质不同的材料由于界面原因不易紧密结合，使得EPS颗粒易上浮、分布不均匀，造成EPS混凝土匀质性差，进而影响EPS混凝土的力学性能和保温隔热等性能。本发明通过纳米二氧化硅进行表面改性，即根据“裹浆造壳原理”使EPS泡沫颗粒表面包裹一定量含有纳米二氧化硅的胶凝材料，纳米二氧化硅可通过与氢氧化钙晶体结合来改善过渡区，从而可产生更致密、更均匀的过渡区，从而提高核壳层浆体的粘聚性，有效避免EPS的分层问题，即在EPS颗粒表面形成一层亲水性的硅酸盐“外壳”。此外纳米二氧化硅具有较高的火山灰活性，在混凝土中掺入合适掺量的纳米颗粒后能加速水泥水化反应，使混凝土的各龄期强度均有所提高，其中以早期强度的提升最为明显，在使得混凝土更加密实的情况下，也可以显著提高混凝土的耐久性。
本发明的有益效果在于：
1.本发明提供的轻质集料以EPS泡沫颗粒为主体材料，通过掺入纳米二氧化硅的胶凝材料在EPS泡沫颗粒表面形成包覆层进行改性，可增加EPS泡沫颗粒的亲水性能，避免EPS的分层，纳米二氧化硅还可促进水泥水化，提高核壳层的早期力学强度，同时可改善骨料与基体的界面过渡区致密性，增强了轻集料的承载能力，提高了轻集料混凝土的强度；所得轻质集料应用于混凝土中兼具轻质节能、保温隔音、抗震吸能、经济环保等特性，符合现代建筑的设计理念；其低导热系数，提升了建筑居住舒适度、降低了建筑能耗，在未来的建筑节能领域中有着广阔的发展与应用空间。
2.本发明通过将包覆层原料混合后喷涂在经浸水处理的EPS泡沫颗粒上，然后进行造粒并在造粒过程中去除水分，最后养护即得表面多孔、颗粒均匀的轻质集料，制备简单，操作方便，易于实现。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明对比例及实施例中所用原料的技术指标如下：
EPS泡沫颗粒粒径为5mm，其表观密度为20kg/m3；
所用减水剂，减水率为30％；
所用普通硅酸盐水泥强度等级为42.5，比表面积为350～370m2/kg，初凝时间为25～40min，终凝时间为180～240min，28d自由膨胀率为0.00～0.15％，标准稠度为25～30％，C2S和C3S含量为75％左右，烧失量不大于1.5％，符合GB1752007通用硅酸盐水泥标准；
所用粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其细度为0.45mm方孔筛筛余量不大于12％，表观密度2240kg/m3，烧失量不大于5％，需水量不大于95％，含水量不大于1％；
所用砂为细度模数不低于1.8的混合砂。
实施例1
提供一种基于表面改性的轻质集料，具体包括以下步骤：
1)将纳米二氧化硅15份，普通硅酸盐水泥1000份和减水剂3份，置于搅拌机中搅拌均匀，然后按照水胶比0.4在室温条件下加入标准稠度用水量，继续搅拌至均匀得到改性轻集料外壳浆体材料；
2)将EPS泡沫颗粒浸泡于自来水中，润湿处理1h达到饱和吸水状态后置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得改性轻集料外壳浆体材料喷涂在EPS泡沫颗粒表面直至包裹层厚度为2mm，然后通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再在温度20±3℃、相对湿度≥90％下养护28d得到核壳型的基于表面改性的轻质集料。
对本对比例所得改性轻质骨料的性能进行测试，测试结果见表1。
实施例2
提供一种基于表面改性的轻质集料，具体包括以下步骤：
1)将纳米二氧化硅30份，普通硅酸盐水泥1000份和减水剂5份，置于搅拌机中搅拌均匀，然后按照水胶比0.4在室温条件下加入标准稠度用水量，继续搅拌至均匀得到改性轻集料外壳浆体材料；
2)将EPS泡沫颗粒浸泡于自来水中，润湿处理1h达到饱和吸水状态后置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得改性轻集料外壳浆体材料喷涂在EPS泡沫颗粒表面直至包裹层厚度为2mm，然后通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再在温度20±3℃、相对湿度≥90％下养护28d得到核壳型纳米二氧化硅-硅酸盐水泥基轻质骨料。
对本对比例所得改性轻质骨料的性能进行测试，测试结果见表1。
实施例3
提供一种基于表面改性的轻质集料，具体包括以下步骤：
1)将纳米二氧化硅15份，普通硅酸盐水泥1000份和减水剂5份，置于搅拌机中搅拌均匀，然后按照水胶比0.4在室温条件下加入标准稠度用水量，继续搅拌至均匀得到改性轻集料外壳浆体材料；
2)将EPS泡沫颗粒浸泡于自来水中，润湿处理1h达到饱和吸水状态后置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得改性轻集料外壳浆体材料喷涂在EPS泡沫颗粒表面直至包裹层厚度为2mm，然后通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再在温度20±3℃、相对湿度≥90％下养护28d得到核壳型纳米二氧化硅-硅酸盐水泥基轻质骨料。
对本对比例所得改性轻质骨料的性能进行测试，测试结果见表1。
实施例4
提供一种基于表面改性的轻质集料，具体包括以下步骤：
1)将纳米二氧化硅30份，普通硅酸盐水泥1000份和减水剂3份，置于搅拌机中搅拌均匀，然后按照水胶比0.4在室温条件下加入标准稠度用水量，继续搅拌至均匀得到改性轻集料外壳浆体材料；
2)将EPS泡沫颗粒浸泡于自来水中，润湿处理1h达到饱和吸水状态后置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得改性轻集料外壳浆体材料喷涂在EPS泡沫颗粒表面直至包裹层厚度为2mm，然后通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再在温度20±3℃、相对湿度≥90％下养护28d得到核壳型纳米二氧化硅-硅酸盐水泥基轻质骨料。
对本对比例所得改性轻质骨料的性能进行测试，测试结果见表1。
表1实施例1-4所得改性轻质集料的性能测试数据
Figure BDA0003085637360000051
从表1中可以看出，轻质骨料的筒压强度为4.02～4.51MPa，单颗承载力为264～387N，1h吸水率29.14％～33.09％。
实施例5
提供一种轻量混凝土，选用普通硅酸盐水泥、粉煤灰、砂与实施例2所得基于表面改性的轻质集料作为原料，具体质量配合比如表2所示。
表2实施例5中轻量混凝土不同组别的配合比
Figure BDA0003085637360000061
注：W/B-水胶比，OPC-普通硅酸盐水泥，FA-粉煤灰，S-砂，PC-减水剂，LA为轻质骨料。
所配制的轻质混凝土试件的28d抗压强度和干容重测试图表见表3，结果显示四组试件的抗压强度和干容重均满足要求。采用实施例2制备的轻质骨料搭配粉煤灰及混合砂组合得到的混凝土基体混合细骨料，可制备出密度等级为1150kg/m3的LC30混凝土。
此外测得第一组的轻量混凝土的导热系数为0.78W/(m·K)，其导热系数远低于普通混凝土的导热系数1.5W/(m·K)。
表3实施例5中不同组分轻量混凝土试件测试数据
Figure BDA0003085637360000062
以上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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于表面改性轻质集料，其特征在于，包括EPS泡沫颗粒和覆盖在EPS泡沫颗粒表面的包覆层，其中所述包覆层通过以下质量份的原料制备得到：普通硅酸盐水泥1000份、纳米二氧化硅15～30份和聚羧酸减水剂3～5份，水胶比为0.35～0.4。
2.根据权利要求1所述的基于表面改性轻质集料，其特征在于，所述EPS泡沫颗粒粒径为3～5mm。
3.根据权利要求1所述的基于表面改性轻质集料，其特征在于，包覆层厚度为1.8～2.4mm。
4.根据权利要求1所述的基于表面改性轻质集料，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥强度等级为42.5，比表面积为350～370m2/kg，初凝时间为25～40min，终凝时间为180～240min，28d自由膨胀率为0.00～0.15％，标准稠度为25～30％；C2S和C3S含量大于70％，CaO/SiO2≥2.0％，烧失量不大于1.5％，符合GB1752007通用硅酸盐水泥标准的要求；所述聚羧酸减水剂，减水率为14～40％。
5.一种权利要求1-4任一项所述的基于表面改性轻质集料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)将纳米二氧化硅15～30份、普通硅酸盐水泥1000份和聚羧酸减水剂3～5份，按照水胶比0.35～0.40搅拌混合得混合浆料；
2)将EPS泡沫颗粒经泡水润湿处理，然后将步骤1)所得混合浆料喷涂在EPS泡沫颗粒表面，通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再经养护即得表面改性轻集料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述EPS泡沫颗粒泡水润湿处理时间为0.5～1h；所述步骤2)中，喷涂厚度为1.8～2.4mm。
7.一种轻量混凝土，其特征在于，包括普通硅酸盐水泥1000份、粉煤灰150～200份、砂1500～2000份、权利要求1-4任一项所述的表面改性轻质集料2000～2200份和减水剂2～4份，水胶比为0.35～0.4。
8.根据权利要求7所述的轻量混凝土，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥强度等级为42.5，比表面积为350～370m2/kg，初凝时间为25～40min，终凝时间为180～240min，28d自由膨胀率为0.00～0.15％，标准稠度为25～30％；C2S和C3S含量大于70％，CaO/SiO2≥2.0％，烧失量不大于1.5％，符合GB1752007通用硅酸盐水泥标准的要求；所述聚羧酸减水剂，减水率为14～40％。
9.根据权利要求7所述的轻量混凝土，其特征在于，按上述方案，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其细度为0.45mm方孔筛筛余量不大于12％，烧失量不大于5％，需水量不大于95％，含水量不大于1％；所述砂为细度模数不低于1.8的混合砂。
10.一种权利要求7所述的轻量混凝土的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)将普通硅酸盐水泥1000份、粉煤灰150～200份、砂1500～2000份、表面改性轻质集料2000～2200份和聚羧酸减水剂2～4份，按水胶比0.35～0.40搅拌混合得到混凝土胶凝材料；
2)将混凝土胶凝材料入模捣实，经养护得到混凝土试块。
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