CN115819040B - 一种泡沫混凝土材料及其发泡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种泡沫混凝土材料及其发泡方法，泡沫混凝土材料包括以下重量份的组分：硅酸盐水泥100份、纳米生物质纤维0.2‑1份、水50‑60份、外加剂3‑7份和发泡剂6‑8份。本发明的泡沫混凝土具有高抗压强度、低导热和成本低的优点。

Description

一种泡沫混凝土材料及其发泡方法

技术领域

本发明属于建筑保温材料技术领域，具体涉及泡沫混凝土材料及其发泡方法。

背景技术

建筑节能是目前最有效的提高能源利用率，减少碳排放的有效途径之一。泡沫混凝土在建筑保温隔热领域中被广泛使用，是一项具有减碳潜力的产品。泡沫混凝土具有质量轻、密度低、节能性高，以及绝热性好、吸声性优、易于加工等特性。但是传统的泡沫混凝土自身的强度低、孔隙率高等缺点也严重阻碍了泡沫混凝土的发展。以往提高泡沫混凝土的强度而不降低质量轻、密度低等特性的常用办法是加入纤维。例如聚丙烯纤维，玻璃纤维，椰子纤维、橡胶纤维等，不同纤维对制品的增韧效果也有较大差异。

以往对泡沫混凝土的增韧研究主要集中在加入毫米级的纤维实现增韧阻裂，很少有报导采用纳米纤维增韧的研究。李凯斌等的论著发泡水泥/聚乙烯醇纤维复合材料的制备及性能[J],建筑节能. 2021,49(06):114-117.使用6mm的聚乙烯醇纤维增韧，适量的纤维可以增加强度，降低密度和吸水率。盛浩等的论著木粉掺量对发泡氯氧镁水泥性能的影响[J],新型建筑材料. 2020,47(03):125-128.使用未处理的木粉纤维加入泡沫混凝土材料，纤维长度在1-2mm,试验表明随木粉掺量增加，泡沫混凝土泡孔的平均孔径减小，导热系数减低。然而现有添加有纤维的泡沫混凝土依旧不能满足应用需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种高孔隙率、高抗压强度及低导热性能的泡沫混凝土及其发泡方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种泡沫混凝土材料，包括以下重量份的组分：硅酸盐水泥100份、纳米生物质纤维0.2-1份、水50-60份、外加剂 3-7份和发泡剂 6-8份。本发明的混凝土材料相比未添加的泡沫混凝土,孔隙率,抗压强度及导热性能等均得到有效提升。本发明中发泡剂可以是碳化钙、铵盐、铝粉或双氧水，发泡外加剂是用以发泡水泥体系的稳定性、产气量的控制、孔结构的调节、发泡速度的调节等为主要功能。外加剂可以是减水剂、防水剂、缓凝剂、促凝剂、稳泡剂等。

作为技术方案的进一步改进，为了平衡成本及发泡效果，所述发泡剂为30wt%的双氧水。

作为技术方案的进一步改进，为了使外加剂效果更稳定，所述外加剂包括质量比为1-2：1-3：1的早强剂、稳泡剂和憎水剂。

作为技术方案的进一步改进，早强剂为氯化钙、硫酸钠和三乙醇胺中的一种或多种，所述稳泡剂为硅酮酰胺和硅树脂聚醚中的一种或者多种，所述憎水剂为硬脂酸钙和硅氧烷中的一种或者多种。

作为技术方案的进一步改进，生物质纤维宽度为10-100nm,长度小于500μm。此范围内纳米材料制备成本低，效果好。超过500μm的纳米纤维颗粒，增强效果会降低，但也有增强效果。综合成本与性能效益，500μm范围内为最佳的纤维长度。

作为技术方案的进一步改进，纳米生物质纤维的制备方法为将生物质材料进行初步粉碎，减小粒径；再用70-100℃热水进行多次浸泡过滤，去除可溶性盐及油性物质；最后经研磨和高压均质，得到分散均一的纳米生物质纤维悬浮液。

作为技术方案的进一步改进，为了降低研磨和均质成本，将生物质材料初步粉碎至毫米级后，再用热水进行多次浸泡过滤，最后经湿法研磨和高压均质得到纳米生物质纤维悬浮液。

本发明还公开一种所述泡沫混凝土材料的发泡方法，包括:步骤一、将

硅酸盐水泥、纳米生物质纤维、水和早强剂混合搅拌；

步骤二、加入剩余外加剂持续搅拌均匀，然后加入发泡剂，装模填平制得。

作为技术方案的进一步改进，纤维与水泥的搅拌时间为60s-90s，搅拌速度300-800转/min；加入外加剂的搅拌时间为120s-150s，搅拌速度500-800转/min；加入发泡剂的搅拌时间为5s-7s，搅拌速度至少1000转/min。

作为技术方案的进一步改进，步骤一种水温度为45-55℃。温度过高会使发泡剂分解速率过快，产生大孔串联孔。温度过低使得发泡慢，小于水泥浆体早期凝结速度，从而使产品密度过大。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明的泡沫混凝土具有孔隙率高、高抗压强度及低导热性能，大大提高了产品品质。进一步说，本发明的生物质纤维长度小于500μm，具有制备成本低和效果好的优点。本发明的泡沫混凝土具有高抗压强度、低导热和成本低的优点。

附图说明

图1为纳米木纤维电镜图。

图2为泡沫混凝土密度、抗压强度图。

图3为泡沫混凝土SEM照片。

图4为泡沫混凝土XRD图。

图5为纳米麦纤维泡沫混凝土发泡28d后的泡孔统计图。

图6为纳米竹纤维泡沫混凝土发泡28d后的泡孔统计图。

图7为纳米木纤维泡沫混凝土的闭孔率图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例中水泥为购自安徽海螺水泥股份有限公司42.5水泥。早强剂为95wt%工业氯化钙;购自常州市商联化工有限公司。稳泡剂(dm)主要成分为硅酮酰胺, 购自龙口大迈化工有限公司。憎水剂为硬脂酸钙, 购自溧阳市迎正新材料有限公司。发泡剂为30wt%的双氧水。

实施例1

(1)纳米麦纤维悬浮液的制备: 将一定质量的麦秆加入粉碎机进行初步粉碎，减小粒径至毫米级，呈现粉末状。随后加入水进行加热搅拌（水温90℃），搅拌时长为半小时,过滤后再次浸泡搅拌,重复2次。使用湿磨机（型号：Labor-Pilot 2000/4 厂家：IKA Works）研磨2遍，初步减小纤维尺寸至1-2mm，形成分层缓慢的悬浮液，再使用高压均质机（型号：M-110P厂家：Microfluidic, USA）进行纳米化，压力最大1000 BAR循环3遍得到稳定的纳米生物质纤维悬浮液，取悬浮液上层液体稀释10倍，利用zeta电位仪分析纤维的长度，纤维长度范围大部分在300-500μm范围内，电镜扫描得麦纤维宽度50-100n。

测量纳米生物质纤维悬浮液的质量分数方法为：记一定体积的悬浮液，称量质量为m1，之后放入烘箱烘干，烘干后质量为m2,质量分数为(m2/m1)*100%得出，使用不同体积的纳米生物质纤维悬浮液，乘以相应的质量分数可计算出其中的纳米纤维颗粒质量。

(2) 称取硅酸盐水泥100份、纳米生物质纤维0.2份充分与55份水（水温45℃）溶解,加入1份的早强剂，混合搅拌90s，搅拌速度300转/min,接着加入1份的憎水剂与1份稳泡剂, 搅拌速度500转/min,搅拌120s后加入8份的发泡剂,进一步提高搅拌速度至1000转/min，5-7s后装模静置制得。

实施例2-4

实施例2-4与实施例1的区别之处在于纳米麦纤维配比不同，实施例2-4纳米麦纤维份数分别为0.4、0.6、0.8和1。

实施例6-10

实施例6-10与实施例1-5的区别之处在于分别用竹纤维替代麦纤维。竹纤维宽度50-100nm，长度400-500μm范围内。

实施例11

本实施例与实施例1的不同之处在于,用木纤维替代麦纤维，木纤维原料为杨木废料，制备出的木纤维的宽度50-100nm，长度在400-500μm范围内。纳米木纤维的电镜图如图1所示。

实施例12

本实施例与实施例11的不同之处在于步骤(2)，本实施例步骤（2）中加入木纤维0.4份、水57份、外加剂6份、发泡剂7份。纳米生物质纤维0.4份充分与57份水（水温45℃）溶解,加入2份的早强剂混合搅拌90s, 搅拌速度300转/min，接着加入2份的憎水剂与2份稳泡剂, 搅拌速度700转/min，搅拌120s后加入8份的发泡剂,进一步提高搅拌速度至1000转/min，5-7s后装模静置制得。

实施例13

本实施例与实施例11的不同之处在于步骤(2)，本实施例步骤（2）中加入木纤维0.6份、水60份、外加剂7份和发泡剂8份。纳米生物质纤维0.6份充分与60份水（水温55℃）溶解,加入2份的早强剂混合搅拌90s, 搅拌速度300转/min，接着加入2份的憎水剂与3份稳泡剂, 搅拌速度800转/min，搅拌120s后加入8份的发泡剂,进一步提高搅拌速度至1000转/min，5-7s后装模静置制得。

对比例

本对比例与实施例1的不同之处在于泡沫混凝土中没有添加生物质纤维。

性能测试

对实施例1-10制备的泡沫混凝土28d后进行抗压强度的测试，结果如图2所示。纳米麦纤维与纳米竹纤维泡沫混凝土均在0.6份时达到最大抗压强度。纳米麦纤维泡沫混凝土为0.56MPa，纳米竹纤维泡沫混凝土为0.6 MPa。基于低于200kg/m³的情况下，抗压强度达标并且超过空白试样的平均强度。抗压强度跟样品本身密度相关性大，图中也能明显反应出样品密度与抗压强度有类似的趋势。过量的纤维加入会容易出现团聚效应，使泡沫混凝土内部发泡不均，致使整体的应力分布不均，从而降低抗压强度。

对实施例1-10制备的泡沫混凝土28d后进行电镜的观察。图3中a，b，c为对比例的泡沫混凝土，显微倍数逐渐变小；图3中d，e，f为添加1%纳米麦纤维的泡沫混凝土，显微倍数逐渐变小；图3中g，h，i为添加1%纳米竹纤维的泡沫混凝土，显微倍数逐渐变小。可以清楚看到添加纳米生物质纤维的泡沫混凝土上纤维的存在，纤维可以在泡沫混凝土中形成3D的网络结构，并有助于抵抗应力差而导致的开裂情况，从而起到增韧效果。继续放大后可以看出添加纳米生物质材料比空白试样具有更明显的针状结构，这是C-S-H的晶型，是泡沫混凝土材料主要的强度支撑，可以看出纳米生物质材料可以促进C-S-H的水化。

对实施例1-10制备的泡沫混凝土28d后进行XRD测试，结果如图4所示。总的来说，添加纳米生物质纤维对水泥水化没有产生新的产物，XRD图谱没有显示新的峰。18°为Ca(OH)₂的峰，随麦纤维含量提高衍射峰强度增大，峰面积增大，表明其结晶度提高、含量增加，说明纳米木纤维加入促进Ca(OH)₂晶体聚集形成较大尺寸的氢氧化钙晶体。因为木纤维自身会携带更多的水，会增加了C-S-H 凝胶的不定形态。纤维对水化进程影响导致的 C-S-H 凝胶减少的负效应大于纤维-混凝土空间网架的正效应时，泡沫混凝土的强度等性能急剧下降。纳米竹纤维的加入则是增高了C-S-H衍射峰。

对实施例1-10制备的泡沫混凝土28d后进行泡孔统计，结果如图5和6所示。泡沫混凝土的泡孔90%都小于3mm，从孔径的累计频率看，木纤维相比竹纤维，对泡沫混凝土的泡孔影响更大。

对实施例11-13制备的泡沫混凝土28d后进行孔隙率检测，结果如图7所示。发现纳米木纤维掺量越高，泡沫混凝土的闭孔率随之升高。好的闭孔率意味着更好的抗压强度、更低的导热系数以及吸水率。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种泡沫混凝土材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：硅酸盐水泥100份、纳米生物质纤维0.2-1份、水50-60份、外加剂 3-7份和发泡剂 6-8份；

所述生物质纤维宽度为10-100nm,长度小于500μm；

所述纳米生物质纤维的制备方法为将生物质材料进行初步粉碎，再用70-100℃热水进行多次浸泡过滤，最后经研磨和高压均质得到纳米生物质纤维悬浮液；

所述生物质材料初步粉碎至毫米级后，再用热水进行多次浸泡过滤，最后经湿法研磨和高压均质得到纳米生物质纤维悬浮液；

所述纳米生物质纤维选自纳米麦纤维、纳米竹纤维或纳米木纤维。

2.根据权利要求1所述的泡沫混凝土材料，其特征在于，所述发泡剂为30wt%的双氧水。

3.根据权利要求2所述的泡沫混凝土材料，其特征在于，所述外加剂包括早强剂、稳泡剂和憎水剂，质量比1-2：1-3：1。

4.根据权利要求3所述的泡沫混凝土材料，其特征在于，所述早强剂为氯化钙、硫酸钠和三乙醇胺中的一种或多种，所述稳泡剂为硅酮酰胺和硅树脂聚醚乳液中的一种或者多种，所述憎水剂为硬脂酸钙和硅氧烷中的一种或者多种。

5.一种根据权利要求3-4任一项所述泡沫混凝土材料的发泡方法，包括:步骤一、将硅酸盐水泥、纳米生物质纤维、水和早强剂混合搅拌；

步骤二、加入剩余外加剂持续搅拌，然后加入发泡剂搅拌均匀，装模填平制得。

6.根据权利要求5所述的发泡方法，其特征在于，纤维与水泥的搅拌时间为60s-90s，搅拌速度300-800转/min；加入外加剂的搅拌时间为120s-150s，搅拌速度500-800转/min；加入发泡剂的搅拌时间为5s-7s，搅拌速度至少1000转/min。

7.根据权利要求5所述的发泡方法，其特征在于，步骤一中水的温度为45-55℃。