CN116553897B - 一种泡沫混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泡沫混凝土及其制备方法，属于混凝土材料技术领域，所述泡沫混凝土由干料、水、减水剂和发泡剂组成；所述干料包括高阿利特胶凝材料40～55wt.％、干电石渣27～42wt.％、轻质碳酸钙2～5wt.％、天然纤维1～3wt.％、促硬剂10～15wt.％。本发明采用高阿利特胶凝材料，可极大增强水泥的早期强度；并且利用水泥窑尾烟气养护泡沫混凝土，不仅使烟气中的热量得到有效利用，而且降低水泥厂CO2排放量。
Description
技术领域
本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种泡沫混凝土及其制备方法。
背景技术
近年来，泡沫混凝土得到飞速发展，已经成为广泛应用的土木工程材料，具有许多优异的性能，如体积密度小、热工性能好、抗震性能优异、隔声性能好等。泡沫混凝土可用于建筑物墙体和屋面保温隔热，矿山回填工程，地基工程、挡土墙工程和环境工程中。由泡沫混凝土制成的外墙保温板具有轻质、保温、抗裂等一系列优良的性能，适用于工业和民用建筑，增强建筑外墙外保温防火性能和居住条件，节约能源，保护环境。
目前预制泡沫混凝土生产存在以下三方面问题：一是料浆凝结硬化慢，易塌模；二是收缩大，易开裂；三是养护周期一般为7～28天，周期长。中国发明专利申请201410530304.9公开了一种高强保温泡沫混凝土及其制备方法，采用硫铝酸盐水泥制备泡沫混凝土，满足脱模速度和生产效率的需要，但硫铝酸盐水泥后期强度下降且易碳化，泡沫混凝土碳化收缩大，耐久性较差；中国发明专利申请201710429087.8公开了一种以二氧化碳为发泡气体的硫铝酸盐水泥泡沫混凝土及其制备方法，采用硫铝酸盐水泥、矿物掺合料、二氧化碳发泡剂、稳泡剂和水制备泡沫混凝土，虽然CO2导热系数低于空气，但是气泡中CO2易被硫铝酸盐水泥吸收生成CaCO3，造成孔壁疏松多孔。此外，大量研究利用人造纤维降低泡沫混凝土的收缩，但人造纤维造价高。为了缩短泡沫混凝土养护时间，中国发明专利202210895977.9将预养护后的泡沫混凝土脱模，置于常温、二氧化碳分压为0.1～1.0MPa的碳化釜内碳化养护0.5～2h，即得成品，但该发明实现工业化生产较为困难。
本发明提供了一种泡沫混凝土，由高阿利特胶凝材料和干电石渣作为胶凝材料，轻质碳酸钙作为稳泡剂和成核剂，聚氨酯作为发泡剂，纤维作为减缩剂。本发明提供了一种泡沫混凝土的制备方法：利用水泥窑尾烟气养护泡沫混凝土，可显著降低水泥厂CO2排放量，同时短时间内提高泡沫混凝土强度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种泡沫混凝土及其制备方法，以至少解决上述部分技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种泡沫混凝土，由干料、水、减水剂和发泡剂组成；
所述干料包括以下质量百分比计的成分：
所述水的用量由泡沫混凝土浆体的空心圆筒流动度为180±20mm确定；
所述减水剂为粉剂，掺量为干料总量的0.8‰～1.2‰；
所述发泡剂为聚氨酯发泡剂；
所述泡沫混凝土料浆密度为2000～2100kg/m3。
进一步地，所述高阿利特胶凝材料由95％熟料和5％石膏组成，熟料包括以下质量百分比计的矿物成分：
进一步地，所述熟料由钙质材料(石灰石、白云石)、硅质材料(页岩、粉砂岩)、铝质材料(粉煤灰、钢渣)、矿化剂和晶种经高温煅烧而成，煅烧温度为1450～1530℃、煅烧时间为20～90min，将烧成的颗粒和适量的石膏经过粉磨后，制得比表面积为380～500kg/m2的高阿利特胶凝材料。
所述矿化剂为磷石膏、氟石膏、锰渣、重晶石、磷渣、镍渣、锶废渣的一种或多种。
所述晶种采用专利号为CN104926164B、专利名称为一种小颗粒水泥熟料中的所述水泥熟料。
所述熟料的三率值范围为：KH 0.91～0.95；SM 2.4～3.2；IM 0.9～1.7。
进一步地，所述干电石渣的成分为Ca(OH)2、细度为45μm～100μm、中位径为8～10μm。
进一步地，所述轻质碳酸钙为文石型碳酸钙，其细度为800目，轻质碳酸钙作为稳泡剂和成核剂。
进一步地，所述天然纤维由植物纤维和纤维状硅灰石按质量比为5:1组成，其中植物纤维为椰壳纤维或剑麻纤维中一种或两种，植物纤维长度为1～10mm，纤维状硅灰石长度为20～200μm；所述植物纤维经过180℃、1MPa的水蒸气条件下压蒸8～12h后，取出清洗烘干，去糖化；随后，采用紫外灯照射8～12h，改变植物纤维微观结构，增加纤维与基体的粘结力。
进一步地，所述促硬剂的矿物组成为玻璃态C12A7和混合石膏。
一种泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将加气混凝土的各原料分别按配比进行称量；
步骤2、将称量好的干料和减水剂加入搅拌机中搅拌为均匀的混合物料；
步骤3、在发泡机中按比例加入发泡剂和发泡所需的水，产生泡沫；
步骤4、将混合物料中加入水，直到料浆的稠度为160～200mm；
步骤5、根据泡沫混凝土容重M需要，按照公式V泡＝1-M/ρ料计算出泡沫的添加体积V泡，将泡沫加入料浆中并搅拌3～4min，公式中，M为泡沫混凝土容重，ρ料为料浆密度；
步骤6、将料浆浇筑到模具中，在50℃环境中养护6～8h，脱模后，按规格要求进行切割；
步骤7、将切割好的泡沫混凝土进行窑尾烟气养护。
进一步地，所述步骤7包括：
步骤71、将切割后的泡沫混凝土置于密闭设备中，并抽真空；
步骤72、将窑尾袋收尘排出的烟气引入所述密闭设备中，在2小时内升压至1.0～2.0MPa，打开密封设备上的微启式排气阀，使气体流动的同时保证设备工作压力为1.0～2.0MPa，持续时间为12～24小时。
步骤73、缓慢排气降温，取出泡沫混凝土。
进一步地，所述窑尾袋收尘排出的烟气，其温度为40～70℃，CO2浓度为15～20％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)GB199《快硬硅酸盐水泥》为了提高水泥的早期强度，要求提高C3S含量，而快硬硅酸盐水泥熟料中C3S含量为50～60％，C3S含量不宜过高，否则煅烧困难，水泥性能会下降。本发明采用的高阿利特胶凝材料，其C3S含量超过64％，可极大增强水泥的早期强度。
(2)由于所述高阿利特胶凝材料熟料的C3S含量过高，目前工业生产较难实现，为此本发明通过以下三点措施实现工业烧成：
第一、采用白云石提供MgO作为固溶剂，降低烧成温度，让C3S大量形成。从安定性角度考虑，一般石灰质原料中MgO含量小于3.0％，本发明生料中MgO含量明显较高，以确保C3S大量形成，同时形成一定量的方镁石，多余的方镁石在泡沫混凝土碳化养护过程中生成MgCO3，不影响制品安定性，为此本发明制备的高阿利特胶凝材料适用于碳化养护的制品；
第二、采用矿化剂，降低烧成液相粘度，有利于C3S形成；
第三、采用晶种作为成核剂，促进C3S形成。
(3)采用电石渣制备所述泡沫混凝土料浆，料浆易稠化，可以稳定泡沫，防止泡沫混凝土塌模。电石渣中的Ca(OH)2会吸收浆体中的水分形成凝胶粒子，各凝胶粒子在分子力作用下相互粘结起来，并逐渐形成一个凝聚结构的空间网。电石渣粒子越小，相应于单位体积Ca(OH)2胶体粒子数量越多，形成凝聚结构的结合点就越多。在水泥水化尚未形成密实结构时，Ca(OH)2胶体粒子形成的凝聚结构在一定程度上稠化料浆，稳定泡沫。
(4)为提高泡沫混凝土的抗裂性，减少收缩，本发明加入低成本的植物纤维。植物纤维是热的不良导体，导热系数在0.03W/(m.K)，而常见的人造纤维，导热系数大于0.2W/(m.K)。植物纤维用于泡沫混凝土中，不仅可以提高泡沫混凝土的抗裂性，而且会起到阻碍热传播的作用。
(5)由于植物纤维在pH＞12的环境下，表现出长期耐久性不足的特点，会导致泡沫混凝土在服役阶段强度和抗裂性下降，这是目前业内植物纤维增强混凝土关键技术问题。为了解决所述问题，本发明提供的一种泡沫混凝土的制备方法，采用水泥窑尾烟气养护泡沫混凝土，烟气中的CO2可以使泡沫混凝土基体内水化产生的Ca(OH)2快速反应生成CaCO3，从而降低碱性Ca(OH)2含量，提高植物纤维的抗裂性能。
(6)本发明提供的一种泡沫混凝土的制备方法，预养护时间为6～8h，窑尾烟气高压养护时间为12～24h，既可以缩短泡沫混凝土养护周期，又可以减少水泥厂CO2排放。将该工艺添加在水泥厂窑尾，可以实现高阿利特水泥胶凝材料生产、泡沫混凝土制备与养护一体化，将对行业带来巨大的变革。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种泡沫混凝土，由干料、水、减水剂和发泡剂组成；
其中，所述干料包括以下质量百分比计的成分：
高阿利特胶凝材料40wt.％，干电石渣42wt.％，轻质碳酸钙5wt.％，天然纤维3wt.％，促硬剂10wt.％；
所述减水剂为粉剂，掺量为干料总量的1.2‰；
所述发泡剂为聚氨酯发泡剂。
该实施例中，所述高阿利特胶凝材料由95％熟料和5％石膏组成，熟料包括以下质量百分比计的矿物成分：70wt.％C3S；10wt.％C2S；4wt.％C3A；14wt.％C4AF；2wt.％MgO。
所述熟料由钙质材料、硅质材料、铝质材料、矿化剂和晶种高温煅烧而成，煅烧温度为1530℃、煅烧时间为70min。
所述高阿利特胶凝材料比表面积为400kg/m2。
该实施例中，所述干电石渣成分为Ca(OH)2，细度为45μm～100μm。
该实施例中，所述轻质碳酸钙为文石型碳酸钙，细度为800目。
该实施例中，所述天然纤维由植物纤维和纤维状硅灰石按质量比为5:1组成，其中植物纤维为椰壳纤维，椰壳纤维长度为1～10mm，纤维状硅灰石长度为20～200μm。椰壳纤维经过180℃、1MPa的水蒸气条件下压蒸8～12h后，取出清洗烘干，去糖化；随后，采用紫外灯照射8～12h，改变纤维微观结构，增加纤维与基体的粘结力。
该实施例中，促硬剂的矿物组成为质量比为1:1的玻璃态C12A7和混合石膏。
该实施例中，一种泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将加气混凝土的各原料分别按配比进行称量；
步骤2、将称量好的干料和减水剂加入搅拌机中搅拌为均匀的混合物料；
步骤3、在发泡机中按比例加入发泡剂和发泡所需的水，按发泡机规定程序生产适量泡沫；
步骤4、将混合物料中加入水，直到料浆的稠度为165mm，此时料浆密度为2100kg/m3；
步骤5、制备目标容重M为600kg/m3泡沫混凝土，加入0.71m3的泡沫至料浆中，继续搅拌3min；
步骤6、将料浆浇筑到模具中，在50℃环境中养护4h，脱模后，按规格要求进行切割。
实施例2
一种泡沫混凝土，由干料、水、减水剂和发泡剂组成；
其中，所述干料包括以下质量百分比计的成分：
高阿利特胶凝材料55wt.％，干电石渣27wt.％，轻质碳酸钙2wt.％，天然纤维1wt.％，促硬剂15wt.％；
所述减水剂为粉剂，掺量为干料总量的1.0‰；
所述发泡剂为聚氨酯发泡剂。
该实施例中，所述高阿利特胶凝材料由95％熟料和5％石膏组成，熟料包括以下质量百分比计的矿物成分：64wt.％C3S；16wt.％C2S；7wt.％C3A；8wt.％C4AF；5wt.％MgO。
所述熟料由钙质材料、硅质材料、铝质材料、矿化剂和晶种高温煅烧而成，煅烧温度为1480℃、煅烧时间为70min，
所述高阿利特胶凝材料比表面积为450kg/m2。
该实施例中，干电石渣成分为Ca(OH)2，细度为45μm～100μm。
该实施例中，轻质碳酸钙为文石型碳酸钙，细度为800目。
该实施例中，所述天然纤维由植物纤维和纤维状硅灰石按质量比为5:1组成，其中植物纤维为剑麻纤维，剑麻纤维长度为1～10mm，纤维状硅灰石长度为20～200μm。剑麻纤维经过180℃、1MPa的水蒸气条件下压蒸8～12h后，取出清洗烘干，去糖化；随后，采用紫外灯照射8～12h，改变纤维微观结构，增加纤维与基体的粘结力。
该实施例中，促硬剂的矿物组成为质量比为1:1的玻璃态和混合石膏。
该实施例中，一种泡沫混凝土及其制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将加气混凝土的各原料分别按配比进行称量；
步骤2、将称量好的干料和减水剂加入搅拌机中搅拌为均匀的混合物料；
步骤3、在发泡机中按比例加入发泡剂和发泡所需的水，按发泡机规定程序生产适量泡沫；
步骤4、将混合物料中加入水，直到料浆的稠度为180mm，料浆的密度为2000kg/m3；
步骤5、制备目标容重M为400kg/m3的泡沫混凝土，添加0.8m3的泡沫至料浆中，继续搅拌3min；
步骤6、将料浆浇筑到模具中，在50℃环境中养护5h，脱模后，按规格要求进行切割。
实施例3
一种泡沫混凝土，由干料、水、减水剂和发泡剂组成；
其中，所述干料包括以下质量百分比计的成分：
高阿利特胶凝材料50wt.％，干电石渣30wt.％，轻质碳酸钙4wt.％，天然纤维2wt.％，促硬剂14wt.％；
所述减水剂为粉剂，掺量为干料总量的0.8‰；
所述发泡剂为聚氨酯发泡剂。
该实施例中，所述高阿利特胶凝材料由95％熟料和4％石膏组成，包括以下质量百分比计的矿物成分：68wt.％C3S；12wt.％C2S；6wt.％C3A；10wt.％C4AF；4wt.％MgO。
该实施例中，所述熟料由钙质材料、硅质材料、铝质材料、矿化剂和晶种经过高温煅烧而成，煅烧温度为1450℃、煅烧时间为60min，
所述高阿利特胶凝材料比表面积为500kg/m2。
该实施例中，所述干电石渣成分为Ca(OH)2，细度为45μm～100μm。
该实施例中，所述轻质碳酸钙为文石型碳酸钙，细度为800目。
该实施例中，所述天然纤维由植物纤维和纤维状硅灰石按质量比为5:1组成，其中植物纤维为椰壳纤维和剑麻纤维，纤维长度为1～10mm，纤维状硅灰石长度为20～200μm。椰壳纤维和剑麻纤维经过180℃、1MPa的水蒸气条件下压蒸8～12h后，取出清洗烘干，去糖化；随后，采用紫外灯照射8～12h，改变纤维微观结构，增加纤维与基体的粘结力。
该实施例中，促硬剂的矿物组成为质量比为1:1的玻璃态C12A7和混合石膏。
该实施例中，一种泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将加气混凝土的各原料分别按配比进行称量；
步骤2、将称量好的干料和减水剂加入搅拌机中搅拌为均匀的混合物料；
步骤3、在发泡机中按比例加入发泡剂和发泡所需的水，按发泡机规定程序生产适量泡沫；
步骤4、将混合物料中加入水，直到料浆的稠度为173mm，料浆的密度为2100kg/m3；
步骤5、制备目标容重M为800kg/m3的泡沫混凝土，添加0.62m3的泡沫至料浆中，继续搅拌3min；
步骤6、将料浆浇筑到模具中，在50℃环境中养护6h，脱模后，按规格要求进行切割。
对比例1
一种泡沫混凝土，由干料、水、减水剂和发泡剂组成；
其中，所述干料包括以下质量百分比计的成分：
所述减水剂为粉剂，掺量为干料总量的1.2‰；
所述发泡剂为聚氨酯发泡剂。
本对比例其余条件和制备方法均与实施例1相同。
对比例2
一种泡沫混凝土，由干料、水、减水剂和发泡剂组成。
其中，所述干料包括以下质量百分比计的成分：
所述减水剂为粉剂，掺量为干料总量的1.2‰；
所述发泡剂为聚氨酯发泡剂。
本对比例其余条件和制备方法均与实施例1相同。
实施例1～3、对比例1～2制备的泡沫混凝土脱模后，分为自然养护28d和窑尾烟气养护，窑尾烟气养护条件为本发明步骤7所述。养护完成后的性能如表1所示。
表1各泡沫混凝土的物理性能
注：
(1)泡沫混凝土的抗压强度和干密度的实验方法参照标准JG/T266-2011《泡沫混凝土》。
(2)将两端预埋铜棒的40×40×160mm试件用于测试泡沫混凝土的干燥收缩性能(干缩值)。养护完成后的试块置于20±2℃恒温水槽中，水面高出试件3cm，放置72h后取出测量其初始长度；然后置于恒温(20±2)℃、恒湿(43±3)％环境下，测量其在90d龄期的长度，每次读数重复3次，测试过程参考规范GB/T11969-2008《蒸压加气混凝土性能测试方法》。
(3)固碳率计算公式为：(窑尾烟气养护泡沫混凝土干密度M1-自然养护28d泡沫混凝土干密度M2)×100％/自然养护28d泡沫混凝土干密度M2。
如表1所示，实施例1～3中，窑尾烟气养护的泡沫混凝土的抗压强度和干密度均高于自然养护28d后的泡沫混凝土，90d干缩率显著小于自然养护试件，且固碳率为39～43％，由于窑尾烟气养护的泡沫混凝土，水泥和电石渣中的Ca(OH)2吸收烟气中的CO2产生CaCO3,导致干密度增加。为此，利用水泥窑尾烟气养护泡沫混凝土，不仅使烟气中的热量得到有效利用，降低水泥厂CO2排放量，而且能够在一定程度上降低泡沫混凝土干缩。
对比例1中的P.Ⅰ52.5R水泥由95％普通硅酸盐水泥熟料和5％石膏组成，而实施例1中的高阿利特胶凝材料包含95％高强熟料和5％石膏。由于实施例1种高阿利特胶凝材料C3S含量高于P.Ⅰ52.5R，因此实施例1抗压强度和干密度均高于对比例1。
对比例2中，矿渣替代电石渣，由于矿渣中CaO含量低于电石渣，窑尾烟气养护后，生成的CaCO3量偏少，故抗压强度偏低，固碳率较低。
最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种泡沫混凝土，其特征在于，由干料、水、减水剂和发泡剂组成；
所述干料包括以下质量百分比计的成分：
所述水的用量由泡沫混凝土浆体的空心圆筒流动度为180±20mm确定；
所述减水剂为粉剂，掺量为干料总量的0.8‰～1.2‰；
所述发泡剂为聚氨酯发泡剂；
所述泡沫混凝土料浆密度为2000～2100kg/m3；
所述干电石渣的成分为Ca(OH)2、细度为45μm～100μm；所述泡沫混凝土进行窑尾烟气养护；
所述高阿利特胶凝材料由95％熟料和5％石膏组成，熟料包括以下质量百分比计的矿物成分：
其中，采用白云石提供MgO作为固溶剂；
所述熟料由钙质材料、硅质材料、铝质材料、矿化剂和晶种经高温煅烧而成，煅烧温度为1450～1530℃、煅烧时间为20～90min，将烧成的颗粒和石膏经过粉磨后，制得比表面积为380～500kg/m2的高阿利特胶凝材料。
2.根据权利要求1所述的一种泡沫混凝土，其特征在于，所述轻质碳酸钙为文石型碳酸钙，其细度为800目。
3.根据权利要求1所述的一种泡沫混凝土，其特征在于，所述天然纤维由植物纤维和纤维状硅灰石按质量比为5:1组成，其中植物纤维为椰壳纤维或剑麻纤维中一种或两种，植物纤维长度为1～10mm，纤维状硅灰石长度为20～200μm；所述植物纤维经过180℃、1MPa的水蒸气条件下压蒸8～12h后，取出清洗烘干，去糖化；随后，采用紫外灯照射8～12h，改变植物纤维微观结构，增加纤维与基体的粘结力。
4.根据权利要求1所述的一种泡沫混凝土，其特征在于，所述促硬剂的矿物组成为玻璃态C12A7和混合石膏。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种泡沫混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将加气混凝土的各原料分别按配比进行称量；
步骤2、将称量好的干料和减水剂加入搅拌机中搅拌为均匀的混合物料；
步骤3、在发泡机中按比例加入发泡剂和发泡所需的水，产生泡沫；
步骤4、将混合物料中加入水，直到料浆的稠度为160～200mm；
步骤5、根据泡沫混凝土容重M需要，按照公式V泡＝1-M/ρ料计算出泡沫的添加体积V泡，将泡沫加入料浆中并搅拌3～4min，公式中，M为泡沫混凝土容重，ρ料为料浆密度；
步骤6、将料浆浇筑到模具中，在50℃环境中养护6～8h，脱模后，按规格要求进行切割；
步骤7、将切割好的泡沫混凝土进行窑尾烟气养护。
6.根据权利要求5所述的一种泡沫混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤7包括：
步骤71、将切割后的泡沫混凝土置于密闭设备中，并抽真空；
步骤72、将窑尾袋收尘排出的烟气引入所述密闭设备中，在2小时内升压至1.0～2.0MPa，打开密封设备上的微启式排气阀，使气体流动的同时保证设备工作压力为1.0～2.0MPa，持续时间为12～24小时；
步骤73、缓慢排气降温，取出泡沫混凝土。
7.根据权利要求6所述的一种泡沫混凝土的制备方法，其特征在于，所述窑尾袋收尘排出的烟气，其温度为40～70℃，CO2浓度为15～20％。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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