CN117550844A - 一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦，它以水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰微珠、改性机制砂、钢纤维、复合改性组分、减水剂、补偿收缩组分、纤维素醚、水为主要原料；所述复合改性组分包括纳米硅酸镁铝、石墨粉和高分子吸水树脂；改性机制砂为球磨、筛分、疏水改性后的机制砂。本发明将超高性能混凝土配方体系应用于制备超水泥基瓦，并结合纤维素醚、改性机制砂、复合改性组分、补偿收缩组分等改性手段，在保证连续挤出成型效果的前提下，有效提高所得水泥基瓦的力学性能和耐久性能等，并有利于提高生产效率，可为高性能、大尺寸水泥基瓦的制备提供一条新思路。

Description

一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦及其制备工艺

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦及其制备工艺。

背景技术

传统水泥基瓦通常采用压滤法、模压法或挤出法生产，但均存在各种问题，如：材料种类单一(基本为水泥、砂、水、玻璃纤维)，导致瓦的力学性能、耐久性能较差；传统纤维水泥基瓦、石棉瓦等由于承载力、耐久性一般，已逐步被彩钢瓦取代。同时，采用传统模压法、挤出法生产的水泥瓦，受材料、设备限制，生产的瓦为小片瓦，主要用于民用建筑的屋顶装饰、隔热保温等，无法在工业厂房等领域大面积使用，更无法替代彩钢瓦。而相比目前厂房常用的彩钢瓦、树脂瓦等，水泥瓦由于具有良好的防腐、耐候性能等，若能生产承载力高、耐久性优良、单片面积大的新型水泥瓦，则可完美取代现有彩钢瓦，并提高屋面结构的使用寿命。

超高性能混凝土是一种不含粗骨料、同时掺有钢纤维的新型建筑材料。若能将超高性能混凝土材料与挤出式成型工艺结合，进行材料改性优化和工艺匹配设计，用于挤出成型水泥基瓦的生产，则具有巨大的市场潜力。然而，超高性能混凝土是一种大流态材料，通常无法进行挤出成型。因此，制备连续挤出成型的超高性能水泥基瓦需要解决的关键问题包括在保证超高强度、耐久性、制备效率的同时，实现瓦制品的顺利挤出。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦，以解决现有水泥瓦强度低、面积小、生产效率低，无法在工业领域替代彩钢瓦进行大规模应用等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦，所需原材料及其所占重量份数包括：水泥650-800份，硅灰160-200份，矿粉100-130份，粉煤灰微珠60-100份，改性机制砂1000份，钢纤维120-150份，复合改性组分4-9份，减水剂3-6份，补偿收缩组分20-30份，纤维素醚2-6份，水180-230份；所述复合改性组分包括纳米硅酸镁铝、石墨粉和高分子吸水树脂；改性机制砂为球磨、筛分、疏水改性后的机制砂。

上述方案中，所述纳米硅酸镁铝、石墨粉和高分子吸水树脂的质量比为1:0.3-0.7:0.3-0.8。

进一步地，所述纳米硅酸镁铝的纯度为90％以上，粒径为10-50nm；石墨粉的粒径为10-20μm；高分子吸水树脂的粒径为40-80μm，吸水倍数为100-400倍。

上述方案中，所述疏水改性步骤采用硅烷偶联剂溶液对机制砂进行浸泡处理(18-24h)。上述方案中，所述硅烷偶联剂溶液的浓度为8-12wt％。

上述方案中，所述硅烷偶联剂可选用异辛基三乙氧硅烷偶联剂、甲基三甲氧基硅烷等中的一种以上。

上述方案中，所述改性机制砂球磨工艺为：将原状机制砂筛除70目以下粒径骨料，以50-70r/min的球磨速率，球磨40-80s。

上述方案中，所述筛分步骤为筛出20-70目粒径的粒料。

上述方案中，所述补偿收缩组分中各组分及其所占重量份数包括：硫铝酸盐熟料8-12份，氧化镁4-5份。

上述方案中，所述水泥为硅酸盐水泥，具体可选用PII 52.5或PO 52.5硅酸盐水泥等。

上述方案中，所述硅灰SiO₂含量≥96％，28d活性指数≥110％。

上述方案中，所述矿粉的28d活性指数≥105％。

上述方案中，所述粉煤灰微珠的需水量比≤95％，28d活性指数≥96％，玻璃体含量≥90％。

上述方案中，所述钢纤维长度5-6mm，直径0.1-0.12mm。

上述方案中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，其减水率为25-30％。

上述方案中，所述纤维素醚为羟乙基纤维素醚。

上述一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦的制备工艺，包括如下步骤：

1)混料：将改性组分加入部分水中，得混合物A，将除水外的其他原料进行干混，加入剩余用量的水和混合物A，进行搅拌处理，得坯料；

2)挤出：采用真空螺旋挤出机将所得坯料挤出至瓦模中，切割；

3)养护：将所得带瓦模的瓦坯，进行蒸汽养护，脱模，即得所述超高性能水泥基瓦。

上述方案中，步骤1)中先加入占总用量30-40％的水。

上述方案中，所述干混时间为3-5min。

上述方案中，所述搅拌处理时间为10-20min。

上述方案中，所述挤出工艺采用真空双螺杆挤出，挤出压力为3-6MPa，真空度为10^-2-10^-5Pa，挤出速率为500-1000mm/min。

进一步地，所述蒸汽养护的温度为60-90℃，时间为36-60h。

进一步地，所述超高性能水泥基瓦根据使用要求进行上色处理。

上述方案中，所述切割步骤中：瓦模运行速度与坯料的挤出速度保持一致，当设置在切割机(6)上的红外感应装置(7)感应到瓦模前端时，启动同步切割机(6)进行瓦坯切割，切割机沿传送带方向与瓦模速度一致，同时垂直于传送带方向(沿瓦模宽度方向)做匀速切割，切割完毕后，切割机沿传送带反向运动，复位至原位置的正对面(沿瓦模宽度方向)；如此进行往复切割。采用上述切割步骤，可在保证连续挤出加工的基础上，有效保证水泥瓦制品的切割质量。

本发明采用的技术原理为：

1)本发明利用超高性能混凝土具有高耐久、高强度的特点，将其应用于制备水泥基瓦可充分发挥材料的高强和高韧性，拓宽超高性能混凝土的应用场景，并有效改善水泥基瓦的承载能力和耐久性能等。但超高性能混凝土为大流态材料，无法进行挤出定型。为解决上述技术难题，本发明首先加入纤维素醚，可有效提高浆体粘度，使其具有一定可塑性，但由于粘度增大，且瓦坯挤出口厚度较薄，导致无法顺利挤出；进一步引入复合改性组份，其中吸水树脂在混合料过程中进行了预吸水处理，在保证拌合物工作性能的基础上，可在坯料挤出过程中利用挤出压力和真空环境作用促进吸水树脂释放部分自由水，在水泥等颗粒表面之间形成水膜，对颗粒之间发挥良好润滑作用，同时结合石墨粉进一步降低水泥、硅灰等颗粒之间挤出过程的摩擦阻力，通过两者协同效应使所得坯料顺利从波形挤出口挤出。此外，由于制备的瓦为水泥基超薄型结构，采用常规手段入模后极易出现变形现象，本发明进一步引入纳米硅酸镁铝，其三维网络结构可在纳微米级提供骨架支撑，进一步保证瓦的厚度均匀性和尺寸方正，防止出现变形、塌模等不良缺陷。

2)在骨料方面，为降低水泥基瓦的材料成本，引入机制砂作为骨料，但机制砂作为人工破碎砂，表面多为棱角粗糙形态，导致骨料与水泥颗粒之间的摩擦系数增大；为降低摩擦阻力，将机制砂进行球磨预处理，使得机制砂表面粗糙程度降低，同时采用硅烷偶联剂浸泡处理后，使其表面形成一层疏水膜，该方法可有效提高机制砂与水泥等颗粒之间的润滑效果，并降低机制砂自身吸水率，进一步确保所得混合料在薄型挤出口处顺利挤出。

3)由于常规超高性能混凝土采用了大掺量胶凝材料，且本发明制备的水泥瓦属于超薄结构，易出现收缩开裂等问题，而补偿收缩组分可以在早期和后期发挥不同时段的补偿收缩作用，降低瓦的开裂风险。

4)在工艺方面，本发明摒弃了常规挤出工艺思路，将瓦模与挤出瓦坯同步运行，且切割装置具备横向和纵向同步运行机制，使得生产线的瓦坯在不停止运行的情况下完成同步、高质量切割。

本发明通过引入超高性能混凝土材料设计思路，相比传统水泥基瓦，水泥、硅灰、矿粉等高活性胶凝材料，在低用水量的情况下可大幅度提高基体强度，并可采用挤出法连续生产厚度5-7mm、宽度800-1000mm的水泥基瓦；同时可有效提升瓦的韧性，所得超高性能水泥基瓦长度最大可达5m。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明首次提出将超高性能混凝土应用于制备超水泥基瓦，并结合纤维素醚、改性机制砂、复合改性组分、补偿收缩组分等改性手段，可实现超高性能混凝土的高效连续挤出成型，可为高性能水泥基瓦的制备提供一条新思路，并有效拓宽超高性能混凝土的应用领域；

2)本发明在保证连续挤出成型效果的前提下，可有效提高所得水泥基瓦的力学性能和耐久性能等，并有利于实现更大单片面积水泥基瓦的高效制备；可在工业建筑领域、民用领域广泛替代现有彩钢瓦、树脂瓦等制品，有效提高屋面结构的使用寿命；

3)本发明涉及的制备较简单，并可有效提高水泥基瓦的生产效率，适合推广应用。。

附图说明

图1本发明采用的挤压设备的结构示意图；

图中，1为挤出式锥形料斗，2为真空螺旋挤出机，3为波形挤出口，4为过渡输送装置，5为瓦模，6为切割机，7为红外感应装置。

图2为实施例所得超高性能水泥基瓦的实物图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，采用的水泥为PII 52.5水泥；硅灰SiO₂含量96％，28d活性指数110％；矿粉为S105级，28d活性指数110％；粉煤灰微珠需水量比93％，28d活性指数98％，玻璃体含量92％。钢纤维长度5-6mm，直径0.1-0.12mm；所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，其减水率为26％；所述纤维素醚为羟乙基纤维素醚；

所述改性机制砂的制备方法如下：将原状机制砂筛除70目以下粒径骨料，筛上置于球磨机，球磨速率为60r/min，时间为60s，然后筛出20-70目粒径，再置于10wt％浓度的异辛基三乙氧硅烷偶联剂中浸泡24h后，60℃温度下烘干得到改性机制砂；其中，原状机制砂由华新水泥亿吨线机制砂项目提供，其母岩为石灰石，细度模数2.5，压碎值10％。

所述补偿收缩组分由硫铝酸盐熟料10份和氧化镁4份组成；复合改性组分由高纯度纳米硅酸镁铝1份、石墨粉0.5份和高分子吸水树脂0.7份组成；其中，高分子吸水树脂由广州业成化工有限公司提供，粒径为40-60μm，其吸水倍数为150倍。

实施例1

一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦，原材料包括水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰微珠、陶砂、改性机制砂、钢纤维、纳米改性组分、减水剂、补偿收缩组分、纤维素醚；具体制备工艺如下：

1)按比例称量各原材料；各原料及其所占重量份数为：水泥700份，硅灰160份，矿粉120份，粉煤灰微珠80份，改性机制砂1000份，钢纤维150份，复合改性组分6份，减水剂4份，补偿收缩组分22份，纤维素醚2份，水185份；

2)搅拌：将改性组分置于称量的40％用量的水中提前分散，得到混合物A，将所需其他原材料称量好倒入搅拌机干混5min，加入余下的水和混合物A，搅拌18min，得制瓦所需坯料。

3)挤出：将坯料倒入挤出式锥形料斗(1)，料斗下方为超高性能水泥基瓦挤出机入料口，通过真空螺旋挤出机(2)输送至波形挤出口(3)将瓦坯挤出，再通过过渡输送装置(4)使其进入瓦模(5)中；其中，挤出机采用真空双螺杆挤出工艺，挤出压力4.0MPa，真空度10^{- 3}Pa，挤出速率700mm/min。

4)切割：瓦模运行速度与挤出速度保持一致，当红外感应装置(7)感应到瓦膜前端时，启动同步切割机(6)进行瓦坯切割，其中切割机沿传送带方向(沿瓦模长度方向)与瓦模速度一致，同时垂直于传送带方向(沿瓦模宽度方向)做匀速切割，切割完毕后，切割机沿传送带反向运动，复位至原位置的正对面；如此进行往复切割。

5)养护：将瓦模和瓦坯移送至托架，一同送至蒸汽养护室进行60℃蒸汽养护48h。

6)脱模：养护完成，采用吸盘将瓦坯从瓦模中取出，并进行上色处理，得到成品超高性能水泥基瓦(实物图见图2；具有波形结构，厚度6mm、宽度998mm)。

实施例2

一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于，各原料及其所占重量份数为：水泥750份，硅灰200份，矿粉110份，粉煤灰微珠90份，改性机制砂1000份，钢纤维140份，复合改性组分7份，减水剂5份，补偿收缩组分24份，纤维素醚3份，水200份。

实施例3

一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于，各原料及其所占重量份数为：水泥800份，硅灰160份，矿粉100份，粉煤灰微珠100份，改性机制砂1000份，钢纤维130份，复合改性组分8份，减水剂5份，补偿收缩组分26份，纤维素醚5份，水208份。

对比例1

一种水泥基瓦，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于，各原料及其所占重量份数为：将各原材料替换成水泥、砂、水普通原材料，各重量份为：PO42.5水泥100份、河砂120份、水35份。

对比例2

一种水泥基瓦，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于，各原料及其所占重量份数为：水泥700份，硅灰160份，矿粉120份，粉煤灰微珠80份，改性机制砂1000份，钢纤维150份，减水剂4份，补偿收缩组分22份，纤维素醚2份，水185份。

对比例3

一种水泥基瓦，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于，各原料及其所占重量份数为：水泥700份，硅灰160份，矿粉120份，粉煤灰微珠80份，机制砂1000份，钢纤维150份，复合改性组分6份，减水剂4份，补偿收缩组分22份，纤维素醚2份，水185份；其中采用的机制砂为普通20-70目机制砂。

对比例4

一种水泥基瓦，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于，各原料及其所占重量份数为：水泥700份，硅灰160份，矿粉120份，粉煤灰微珠80份，改性机制砂1000份，钢纤维150份，复合改性组分6份，减水剂4份，补偿收缩组分22份，纤维素醚2份，水185份；其中，复合改性组分由石墨粉和高分子吸水树脂按0.5:0.7的质量比复合得到。

对比例5

一种水泥基瓦，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于，各原料及其所占重量份数为：水泥700份，硅灰160份，矿粉120份，粉煤灰微珠80份，改性机制砂1000份，钢纤维150份，复合改性组分6份，减水剂4份，补偿收缩组分22份，纤维素醚2份，水185份；其中，复合改性组分由纳米硅酸镁铝和高分子吸水树脂按1:0.7的质量比复合得到。

对比例6

一种水泥基瓦，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于，各原料及其所占重量份数为：水泥700份，硅灰160份，矿粉120份，粉煤灰微珠80份，改性机制砂1000份，钢纤维150份，复合改性组分6份，减水剂4份，补偿收缩组分22份，纤维素醚2份，水185份；其中，复合改性组分由纳米硅酸镁铝和石墨粉按1:0.5的质量比复合得到。

为验证实施例1～3所得的一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦生产可行性和力学性能指标，参考GB/T 7019-2014《纤维水泥制品试验方法》和J/CT 567-2008《玻璃纤维增强水泥波瓦及其脊瓦》对实施例1～3以及对比例1～6进行相关性能测试，结果见表1。

表1实施例1～3和对比例1～6性能测试结果

通过实施例与对比例可以发现，采用本发明技术手段，可以实现一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦，横向抗折强度达到了5000N/m以上，纵向抗折强度达到了800N以上，且最大长度达到了5米，相比传统采用挤出法只能生产小片水泥瓦，本发明生产的瓦在质量、尺寸上均得到了明显提升，可适用于大跨度工业厂房的屋面***。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种连续挤出成型的超高性能水泥基瓦，其特征在于，所需原材料及其所占重量份数包括：水泥650-800份，硅灰160-200份，矿粉100-130份，粉煤灰微珠60-100份，改性机制砂1000份，钢纤维120-150份，复合改性组分4-9份，减水剂3-6份，补偿收缩组分20-30份，纤维素醚2-6份，水180-230份；所述复合改性组分包括纳米硅酸镁铝、石墨粉和高分子吸水树脂；改性机制砂为球磨、筛分、疏水改性后的机制砂。

2.根据权利要求1所述的超高性能水泥基瓦，其特征在于，所述纳米硅酸镁铝、石墨粉和高分子吸水树脂的质量比为1:0.3-0.7:0.3-0.8。

3.根据权利要求1所述的超高性能水泥基瓦，其特征在于，所述筛分步骤为筛出20-70目粒径的粒料；球磨步骤采用的球磨速率为50-70r/min，时间为40-80s。

4.根据权利要求1所述的超高性能水泥基瓦，其特征在于，疏水改性步骤采用硅烷偶联剂溶液对机制砂进行浸泡处理；硅烷偶联剂为异辛基三乙氧硅烷偶联剂或甲基三甲氧基硅烷。

5.根据权利要求1所述的超高性能水泥基瓦，其特征在于，所述补偿收缩组分以硫铝酸盐熟料和氧化镁为主要组分，按8-12:4-5的质量比复合得到。

6.根据权利要求1所述的超高性能水泥基瓦，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥；硅灰SiO₂含量≥96％，28d活性指数≥110％；矿粉的28d活性指数≥105％；粉煤灰微珠的需水量比≤95％，28d活性指数≥96％，玻璃体含量≥90％。

7.根据权利要求1所述的超高性能水泥基瓦，其特征在于，所述钢纤维长度5-6mm，直径0.1-0.12mm。

8.根据权利要求1所述的超高性能水泥基瓦，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，其减水率为25-30％。

9.权利要求1～8任一项所述超高性能水泥基瓦的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1)混料：将改性组分加入部分水中，得混合物A，将除水外的其他原料进行干混，加入剩余用量的水和混合物A，进行搅拌处理，得坯料；

2)挤出：采用真空螺旋挤出机将所得坯料挤出至瓦模中，切割；

3)养护：将所得带瓦模的瓦坯，进行蒸汽养护，脱模，即得所述超高性能水泥基瓦。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述蒸汽养护的温度为60-90℃，时间为36-60h。