CN106946509A - 碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土及其制备方法。该泡沫混凝土其组分按生产1m3混凝土的体积百分比如下：粉煤灰4.6％～10.8％；矿渣4.6％～13.5％；碱激发剂17.4％～20.5％；泡沫60.3％～75.9％。本发明的产物主要是由AlO4和SiO4四面体结构单元组成的三维立体网状结构的铝硅酸聚合物与含铝的水化硅酸钙凝胶共同组成的凝胶体系。本发明有效利用工业固体废弃物，降低约80％的二氧化碳排放量；且绿色环保、轻质、导热系数小。该混凝土在标准养护28d测得的干体积密度为300～700kg/m3，导热系数为0.08～0.15W/(m·K)。该混凝土属于轻质保温泡沫混凝土建筑材料。

Description

碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种建筑保温材料及其制备方法，特别涉及一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土及其制备方法。
背景技术
能源短缺与全球气候变暖是目前全人类所面临的重大问题，根据英国BP公司发布的“世界能源统计年鉴”数据显示，我国一次能源消费量从2006年的1764Mtoe(百万吨油当量)跃升至2014年的2972Mtoe，增幅达到68％。在所有能耗中，建筑能耗占我国一次能源总能耗的33％，占有相当大的比例。在所有的建筑能耗中，采暖、空调能耗约占我国建筑总能耗的60～70％，是纬度相近的发达国家的2～3倍，这是由于我国建筑围护结构保温隔热性能差，采暖/制冷用能的2/3全部白白跑掉，形成了具大的能源浪费。因此，减少建筑围护结构的能耗，开发节能、利废的轻质保温隔热材料，大力推广使用节能建筑材料与技术，对于节约能耗、降低二氧化碳排放，对于建设节约型、环境友好型社会具有极其重要的意义。
随着建筑节能法规的颁布与执行，泡沫混凝土凭借其高流态、轻质、隔热保温，防火、隔声、抗震及耐久性好等优异性能引起了越来越多的重视。以无机材料为基体的泡沫混凝土具有良好的阻燃、耐高温性能，避免了如有机类保温材料存在的火灾等安全隐患。然而，传统的以硅酸盐水泥为基体材料的泡沫混凝土存在以下缺点：(1)由于体系中存在较多气泡孔，水灰比较大(0.6左右)，造成其强度偏低，早期容易塌膜；(2)所用胶凝材料及添加剂(早强剂、减水剂等)能耗高且价格贵；(3)导热系数较高，通常密度为500～700kg/m3的泡沫混凝土导热系数一般在0.120～0.180W/(m·K)。因此，亟需寻求一种可用于制备泡沫混凝土的新型的胶凝材料，不仅可以解决泡沫混凝土早期强度低、易塌膜、开裂等问题，同时材料来源广、价格低、绿色环保。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土。本发明有效利用工业固体废弃物、解决已有泡沫混凝土耗能较高、容重较大、导热系数较高的问题。该混凝土属于轻质保温泡沫混凝土建筑材料。
本发明的另一目的在于提供上述碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其组分按生产1m3混凝土的体积百分比如下：
优选的，其组分按生产1m3混凝土的体积百分比如下：
更优选的，其组分按生产1m3混凝土的体积百分比如下：
所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰(依据GB/T 1596-2005)。
所述的矿渣为S105级矿渣(依据GB/T 18046-2000)。
所述的碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃的混合，模数为0.8～1.6，水灰比为0.30～0.60；其中，模数优选为1.0～1.5，水灰比优选为0.4～0.45。
所述的泡沫是由动物蛋白发泡剂或植物蛋白发泡剂制得。
一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备料浆：首先，将粉煤灰、矿渣按照配合比搅拌均匀；其次，按比例加入碱激发剂搅拌制备成料浆；
(2)制备泡沫：在制备料浆的同时，将发泡剂与水按1：30～1：50的比例稀释，发泡，制备密实而稳定的泡沫；
(3)制备加泡料浆：根据密度设计要求，称取步骤(2)中制得的泡沫的密度，根据所需体积量加入相应质量的泡沫，先慢搅，再快搅至泡沫均匀分散于料浆中，制成新拌浆体；
(4)成型养护：将步骤(3)中制得的新拌浆体注模成型，养护1d后拆模，制得碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土制品。
所述的泡沫混凝土制品在标准养护28d测得的干体积密度为300～700kg/m3，导热系数为0.08～0.15W/(m·K)。
本发明的机理是：碱激发粉煤灰/矿渣复合体系的反应机制与普通水泥混凝土不同，反应生成的产物主要是由AlO4和SiO4四面体结构单元组成的三维立体网状结构的铝硅酸聚合物(图1)与含铝的水化硅酸钙凝胶共同组成的凝胶体系。该反应产物相比于普通硅酸盐水泥的反应产物(水化硅酸钙)具有更稳定的结构，表现出更高的力学性能及耐酸碱腐蚀性。本发明利用地质聚合物的优异特性，应用于泡沫混凝土制造中，基于碱激发体系的浆体可在短时间内产生较高的强度，给体系提供足够的支撑力，避免样品塌膜的发生；同时，采用水玻璃作为碱性激发剂的新拌浆体相比与普通水泥具有较大的粘度，能更好地将气泡束缚在浆体内部，形成密闭均匀的气孔，使得泡沫混凝土具有更好的隔热/保温性能。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明的碱激发粉煤灰/矿渣复合体系的反应机制与普通水泥混凝土不同，反应生成的产物也不同。本发明的产物主要是由AlO4和SiO4四面体结构单元组成的三维立体网状结构的铝硅酸聚合物与含铝的水化硅酸钙凝胶共同组成的凝胶体系。
(2)本发明以地质聚合物为主要胶凝材料，采用物理发泡的方法制备一种新型无机的地质聚合物泡沫混凝土。具有绿色环保、轻质、导热系数小的特点。
(3)本发明的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土是一种绿色环保型建筑节能、保温材料。相比传统的水泥基泡沫混凝土，其能有效利用工业固体废弃物，可降低约80％的二氧化碳排放量。
(4)本发明首次将碱激发粉煤灰基地质聚合物与矿渣结合制备泡沫混凝土，制备出干体积密度为300～700kg/m3，导热系数为0.08～0.15W/(m·K)的新型无机粉煤灰基地质聚合物泡沫混凝土。
干体积密度为640kg/m3的粉煤灰基地质聚合物泡沫混凝土其28d抗压强度为2.96MPa，导热系数仅为0.1309W/(m·K)，比泡沫混凝土国家行业标准JG/T266-2011对A06级泡沫混凝土导热系数的要求值(≤0.14W/(mK))小。
干体积密度为587kg/m3的粉煤灰基地质聚合物泡沫混凝土，导热系数仅为0.1183W/(m·K)，比泡沫混凝土国家行业标JG/T266-2011对A06级泡沫混凝土导热系数的要求值(≤0.14W/(m·K))小很多。
附图说明
图1是碱激发低钙粉煤灰产物分子结构；其中，(a)不同Si:Al比结构单元；(b)聚合后网络结构。
图2是本发明的工艺流程图。
图3是实验结果与泡沫混凝土国家行业标准JG/T266-2011对比图。
图4是实施例1测试样品。
图5是粉煤灰电镜图像。
图6是矿渣电镜图像。
图7是粉煤灰、矿渣粒度分布。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例中所用的原料除另有说明外，均为建筑行业通用材料，并可通过商业渠道购得。
本发明的工艺流程图如图2所示。本发明的实验结果与泡沫混凝土国家行业标准JG/T266-2011对比图如图3所示。
实施例中所用材料信息如下：
表1用X荧光光谱仪(XRF)分析粉煤灰和矿渣的化学成分(％)
原材料 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O 其他 烧失量 活性
粉煤灰 49.04 33.89 5.40 5.17 1.02 0.72 0.31 1.21 1.30 4.19 74.60
矿渣 34.22 15.37 0.46 36.40 9.08 1.97 0.33 0.35 1.10 0.92 99.40
粉煤灰电镜图像如图5所示，矿渣电镜图像如图6所示，粉煤灰、矿渣粒度分布如图7所示。
发泡剂为植物源复合型发泡剂，以热带植物为最初原料，精馏C8～C12脂肪酸，经加氢-乙氧基化-磺化-中和等反应步骤，最终形成无色至微黄色粘稠液体，PH值为6.5～7.5之间。碱激发剂为水玻璃、氢氧化钠与蒸馏水混合而成。水玻璃为工业纯(广东佛山)，其中SiO2和Na2O的含量分别为28.2％和12.2％；氢氧化钠为分析纯(广州文睿)。
实施例1
一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其组分和体积百分比如下：
粉煤灰：10.77％，矿渣：4.62％，碱激发剂：18.11％，泡沫：66.50％。
其中，碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃的混合物。氢氧化钠掺量为7.68g；水玻璃掺量为82.36g，碱激发剂的模数为1.5；水/灰体的质量比为0.4。
制备方法：首先，将粉煤灰、矿渣倒入搅拌机中搅拌均匀；其次，按比例加入碱激发剂搅拌制备成料浆；同时，将发泡剂与水按1：30的比例稀释，并调节真空发泡机，采用物理方法发泡，制备密实而稳定的泡沫；称取所需体积量的泡沫加入，先慢搅3′，再快搅30″至泡沫均匀分散于料浆中，制成新拌浆体；最后，将料浆注模成型，养护1d后拆模，标准养护28d制得碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土制品，测干体积密度、导热系数。
检测结果：干体积密度396kg/m3，抗压强度为0.52MPa，导热系数0.09324W/(m·K)。
本实施例得到的混凝土制品如图4所示，从样品表面可以看出，气孔的大小比较均匀、致密，泡沫与浆体结合的比较好。
实施例2
一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其组分和体积百分比如下：
粉煤灰：10.77％，矿渣：4.62％，碱激发剂：19.93％，泡沫：64.68％。
其中，碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃的混合物。氢氧化钠掺量为7.68g；水玻璃掺量为82.36g，碱激发剂的模数为1.5；水/灰体的质量比为0.45。
制备方法：首先，将粉煤灰、矿渣倒入搅拌机中搅拌均匀；其次，按比例加入碱激发剂搅拌制备成料浆；同时，将发泡剂与水按1：30的比例稀释，并调节真空发泡机，采用物理方法发泡，制备密实而稳定的泡沫；称取所需体积量的泡沫加入，先慢搅3′，再快搅30″至泡沫均匀分散于料浆中，制成新拌浆体；最后，将料浆注模成型，养护1d后拆模，标准养护28d制得碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土制品，测干体积密度、导热系数。
检测结果：干体积密度409kg/m3，抗压强度为0.60MPa，导热系数0.09787W/(m·K)。
实施例3
一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其组分和体积百分比如下：
粉煤灰：4.62％，矿渣：10.77％，碱激发剂：18.11％，泡沫：66.50％。
其中，碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃的混合物。氢氧化钠掺量为7.68g；水玻璃掺量为82.36g，碱激发剂的模数为1.5；水/灰体的质量比为0.4。
制备方法：首先，将粉煤灰、矿渣倒入搅拌机中搅拌均匀；其次，按比例加入碱激发剂搅拌制备成料浆；同时，将发泡剂与水按1：30的比例稀释，并调节真空发泡机，采用物理方法发泡，制备密实而稳定的泡沫；称取所需体积量的泡沫加入，先慢搅3′，再快搅30″至泡沫均匀分散于料浆中，制成新拌浆体；最后，将料浆注模成型，养护1d后拆模，标准养护28d制得碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土制品，测干体积密度、导热系数。
检测结果：干体积密度419kg/m3，抗压强度为0.63MPa，导热系数0.09147W/(m·K)。
实施例4
一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其组分和体积百分比如下：
粉煤灰：4.62％，矿渣：10.77％，碱激发剂：17.41％，泡沫：67.20％。
其中，碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃的混合物。氢氧化钠掺量为12g；水玻璃掺量为54.91g，碱激发剂的模数为1.0；水/灰体的质量比为0.4。
制备方法：首先，将粉煤灰、矿渣倒入搅拌机中搅拌均匀；其次，按比例加入碱激发剂搅拌制备成料浆；同时，将发泡剂与水按1：30的比例稀释，并调节真空发泡机，采用物理方法发泡，制备密实而稳定的泡沫；称取所需体积量的泡沫加入，先慢搅3′，再快搅30″至泡沫均匀分散于料浆中，制成新拌浆体；最后，将料浆注模成型，养护1d后拆模，标准养护28d制得碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土制品，测干体积密度、导热系数。
检测结果：干体积密度649kg/m3，抗压强度为3.26MPa，导热系数0.1388W/(m·K)。
实施例5
一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其组分和体积百分比如下：
粉煤灰：5.80％，矿渣：13.46％，碱激发剂：18.18％，泡沫：62.56％。
其中，碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃的混合物。氢氧化钠掺量为15g；水玻璃掺量为68.63g，碱激发剂的模数为1.0；水/灰体的质量比为0.4。
制备方法：首先，将粉煤灰、矿渣倒入搅拌机中搅拌均匀；其次，按比例加入碱激发剂搅拌制备成料浆；同时，将发泡剂与水按1：30的比例稀释，并调节真空发泡机，采用物理方法发泡，制备密实而稳定的泡沫；称取所需体积量的泡沫加入，先慢搅3′，再快搅30″至泡沫均匀分散于料浆中，制成新拌浆体；最后，将料浆注模成型，养护1d后拆模，标准养护28d制得碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土制品，测干体积密度、导热系数。
检测结果：干体积密度640kg/m3，抗压强度为2.96MPa，导热系数0.1309W/(m·K)。
实施例6
一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其组分和体积百分比如下：
粉煤灰：5.80％，矿渣：13.46％，碱激发剂：20.45％，泡沫：60.29％。
其中，碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃的混合物。氢氧化钠掺量为12g；水玻璃掺量为54.91g，碱激发剂的模数为1.0；水/灰体的质量比为0.45。
制备方法：首先，将粉煤灰、矿渣倒入搅拌机中搅拌均匀；其次，按比例加入碱激发剂搅拌制备成料浆；同时，将发泡剂与水按1：30的比例稀释，并调节真空发泡机，采用物理方法发泡，制备密实而稳定的泡沫；称取所需体积量的泡沫加入，先慢搅3′，再快搅30″至泡沫均匀分散于料浆中，制成新拌浆体；最后，将料浆注模成型，养护1d后拆模，标准养护28d制得碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土制品，测干体积密度、导热系数。
检测结果：干体积密度587kg/m3，抗压强度为2.11MPa，导热系数0.1183W/(m·K)。
表2实施例1～6制备的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土的检测结果
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)

1.一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其特征在于：其组分按生产1m3混凝土的体积百分比如下：
2.根据权利要求1所述的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其特征在于：其组分按生产1m3混凝土的体积百分比如下：
3.根据权利要求1所述的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其特征在于：其组分按生产1m3混凝土的体积百分比如下：
4.根据权利要求1～3任一项所述的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其特征在于：所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。
5.根据权利要求1～3任一项所述的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其特征在于：所述的矿渣为S105级矿渣。
6.根据权利要求1～3任一项所述的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其特征在于：
所述的碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃的混合，模数为0.8～1.6，水灰比为0.30～0.60。
7.根据权利要求6所述的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其特征在于：
所述的碱激发剂的模数为1.0～1.5，水灰比为0.4～0.45。
8.根据权利要求1～3任一项所述的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土，其特征在于：所述的泡沫是由动物蛋白发泡剂或植物蛋白发泡剂制得。
9.权利要求1～8任一项所述的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)制备料浆：首先，将粉煤灰、矿渣按照配合比搅拌均匀；其次，按比例加入碱激发剂搅拌制备成料浆；
(2)制备泡沫：在制备料浆的同时，将发泡剂与水按1：30～1：50的比例稀释，发泡，制备密实而稳定的泡沫；
(3)制备加泡料浆：根据密度设计要求，称取步骤(2)中制得的泡沫的密度，根据所需体积量加入相应质量的泡沫，先慢搅，再快搅至泡沫均匀分散于料浆中，制成新拌浆体；
(4)成型养护：将步骤(3)中制得的新拌浆体注模成型，养护1d后拆模，制得碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土制品。
10.根据权利要求9所述的所述的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土的制备方法，其特征在于：
所述的碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土制品在标准养护28d测得的干体积密度为300～700kg/m3，导热系数为0.08～0.15W/(m·K)。
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