一种水泥吸声材料及其制备方法和应用

1.本技术涉及建筑施工材料领域，尤其涉及一种水泥吸声材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.目前工程实践中采用的水泥吸声材料，大多以胶凝材料为基材，通过外掺轻质多孔材料，纤维，或发泡剂等进行制备得到，包括以下几种：
3.(1)轻骨料水泥吸声材料。通过外掺轻质骨料，制备多孔水泥基吸声材料。常用的轻骨料包括：陶粒、污泥灰陶粒、膨胀页岩陶粒等。
4.(2)纤维水泥吸声材料。通过外掺纤维，如玻璃纤维、植物纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维等，构建复杂的孔隙结构，实现良好的吸声吸能。
5.(3)发泡剂水泥吸声材料。使用棕榈油、铝粉等发泡剂，通过化学反应或物理反应，在水泥材料中构建大量气泡，使之产生较好的吸声性能。
6.尽管上述水泥吸声材料取得了一定的吸声性能，但仍存在以下缺点：
7.所使用的水泥基材多为普通硅酸盐水泥，由于水泥材料生产会导致大量的碳排放，造成严重的环境污染和能源消耗，因此，以普通硅酸盐水泥为基材的吸声材料难有理想的环境效益。


技术实现要素：

8.本技术的目的在于提供一种水泥吸声材料，旨在解决现有的水泥吸声材料采用普通硅酸盐水泥作为基材，从而产生大量的碳排放、造成严重的环境污染和能源消耗、难有理想的环境效益的问题。
9.为实现以上目的，本技术提供一种水泥吸声材料，所述水泥吸声材料的原料包括：
10.前驱体材料，所述前驱体材料包括：垃圾焚烧灰、粒化高炉矿渣和粉煤灰；
11.碱激发剂，所述碱激发剂的质量为所述前驱体材料的质量的20％～30％；
12.发泡剂，所述发泡剂的质量为所述前驱体材料的质量的0.02％～0.1％；
13.水，所述水的质量为所述前驱体材料的质量的30％～45％。
14.优选地，所述前驱体材料包括：10％～20％的垃圾焚烧灰、40％～50％的粒化高炉矿渣和30％～40％的粉煤灰。
15.所述碱激发剂包括：碱性硅酸盐和氢氧化物，所述碱性硅酸盐的质量为所述前驱体材料的质量的18.5％-29.2％，所述氢氧化物的质量为所述前驱体材料的质量的0.8-1.5％；
16.优选地，所述碱性硅酸盐选自五水合硅酸钠、钾硅酸盐、硅酸钠中的任一种或多种；所述氢氧化物选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的任一种或多种；
17.更优选地，所述碱激发剂包括：五水合硅酸钠和氢氧化钠，所述五水合硅酸钠的质量为所述前驱体材料的质量的20.6％，所述氢氧化钠的质量为所述前驱体材料的质量的
1.27％。
18.优选地，所述发泡剂为铝粉。
19.优选地，所述铝粉的平均粒径为200μm。
20.优选地，所述铝粉与所述前驱体材料的质量占比为：0.02％～0.06％。
21.优选地，所述水泥吸声材料对200～500hz的低频噪声具有良好的吸声性能。
22.本技术还提供一种上述的水泥吸声材料的制备方法，包括：
23.将所述水泥吸声材料的原料进行混合，得到浆料；
24.将所述浆料倒入模具中，得到所述水泥吸声材料；
25.优选地，将所述水泥吸声材料的原料进行混合，得到浆料，包括：
26.将所述前驱体材料搅拌均匀得到第一混合物；
27.将所述碱激发剂加入所述第一混合物搅拌均匀得到第二混合物；
28.将所述发泡剂加入所述水中搅拌均匀得到悬浊液；
29.将所述悬浊液加入所述第二混合物中，搅拌得到所述浆料。
30.优选地，将所述悬浊液加入所述第二混合物中，搅拌得到浆料，包括：
31.先以100～200r/min的转速搅拌20～40秒，再以210～300r/min的转速搅拌50～70秒，最后再以100～200r/min的转速搅拌20～40秒，至浆体状态。
32.本技术还提供一种上述的水泥吸声材料在建筑领域的应用。
33.与现有技术相比，本技术的有益效果包括：
34.本技术提供的水泥吸声材料采用碱激发技术，使用垃圾焚烧灰、粒化高炉矿渣和粉煤灰作为前驱体，辅以发泡剂，配制出具有良好吸声性能的环保的多孔水泥吸声材料。垃圾焚烧灰、粒化高炉矿渣和粉煤灰均为工业副产品，可以有效实现废物利用，不需要二次烧制过程，具有良好的碳排放收益。通过在水泥吸声材料中引入发泡剂及垃圾焚烧灰，使得水泥吸声材料具有良好的孔隙特征，即较大的孔隙率和较小的密度。多孔特性使得该水泥吸声材料具有较大的吸声系数。通过碱激发技术，使得垃圾焚烧灰中有害的重金属元素得以固化在所制备的水泥中，有效解决了重金属离子析出的问题，使所制备的水泥吸声材料具有环境安全性。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对本技术范围的限定。
36.图1为不同铝掺量的水泥吸声材料的噪声衰减系数结果图；
37.图2为不同铝掺量的水泥吸声材料的抗压强度结果图。
具体实施方式
38.如本文所用之术语：
[0039]“由
……
制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步
骤、方法、制品或装置所固有的要素。
[0040]
连接词“由
……
组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由
……
组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
[0041]
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
[0042]
在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。
[0043]“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说a组分的质量份为a份，b组分的质量份为b份，则表示a组分的质量和b组分的质量之比a：b。或者，表示a组分的质量为ak，b组分的质量为bk(k为任意数，表示倍数因子)。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。
[0044]“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，a和/或b包括(a和b)和(a或b)。
[0045]
本技术提供一种水泥吸声材料，水泥基材料采用工业副产品，而不是传统的普通硅酸盐水泥，因而不会导致大量的碳排放，不会造成严重的环境污染和能源消耗，提高水泥的碳排放收益。本技术方案的水泥吸声材料的原料包括：前驱体材料、碱激发剂和发泡剂。
[0046]
其中，前驱体材料包括：垃圾焚烧灰、粒化高炉矿渣和粉煤灰。垃圾焚烧灰为生活垃圾焚烧后的产物，多为垃圾焚烧发电厂产生的废料，非原生矿物烧制。粒化高炉矿渣为炼钢厂产生的尾矿，隶属工业副产品，非原生矿物。粉煤灰为焦煤焚烧后的工业副产品，多见于火力发电厂等，非原生矿物。
[0047]
本技术方案采用的前驱体材料不同于普通硅酸盐水泥材料由原生石灰岩烧制而成，前驱体中三种主要材料均为工业副产品，通过本技术方案所提出的碱激发技术，可以有效实现废物利用，不需要二次烧制过程。所配制的水泥材料也取得了良好的力学性能。
[0048]
在一优选实施例中，所述前驱体材料按质量百分比计包括：10％～20％的垃圾焚烧灰、40％～50％的粒化高炉矿渣和30％～40％的粉煤灰。
[0049]
例如，垃圾焚烧灰的质量百分比可以为10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％；粒化高炉矿渣的质量百分比可以为40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％或50％；粉煤灰的质量百分比可以为30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％或40％；只要满足垃圾焚烧灰、粒化高炉矿渣和粉煤灰的质量百分比总计为100％即可。
[0050]
其中，碱激发剂的质量为所述前驱体材料的质量的20％～30％，例如可以为20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％。
[0051]
具体的，所述碱激发剂包括：碱性硅酸盐和氢氧化物，所述碱性硅酸盐的质量为所述前驱体材料的质量的18.5％-29.2％，所述氢氧化物的质量为所述前驱体材料的质量的0.8-1.5％。
[0052]
优选地，所述碱性硅酸盐选自五水合硅酸钠、钾硅酸盐、硅酸钠中的任一种或多种；所述氢氧化物选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的任一种或多种。
[0053]
更优选地，所述碱激发剂包括：五水合硅酸钠和氢氧化钠，所述五水合硅酸钠的质量为所述前驱体材料的质量的20.6％，所述氢氧化钠的质量为所述前驱体材料的质量的1.27％。
[0054]
其中，发泡剂的质量为所述前驱体材料的质量的0.02％～0.1％，例如可以为0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％或0.1％。发泡剂通过化学反应或物理反应，在水泥材料中构建大量气泡，使之产生较好的吸声性能。
[0055]
优选地，所述发泡剂为铝粉。
[0056]
更优选地，所述铝粉的平均粒径为200μm。
[0057]
优选地，所述铝粉的质量为所述前驱体材料的质量的0.02％～0.06％。
[0058]
其中，所述水泥吸声材料的原料还包括：水，所述水的质量为所述前驱体材料的质量的30％～45％；例如可以为30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％或45％。
[0059]
优选地，所述水泥吸声材料对200～500hz的低频噪声具有良好的吸声性能。
[0060]
本技术提供的水泥吸声材料采用碱激发技术，使用垃圾焚烧灰、粒化高炉矿渣和粉煤灰作为前驱体，辅以发泡剂，配置出具有良好吸声性能的环保的多孔水泥吸声材料。垃圾焚烧灰、粒化高炉矿渣和粉煤灰均为工业副产品，可以有效实现废物利用，不需要二次烧制过程，具有良好的碳排放收益。通过在水泥吸声材料中引入发泡剂及垃圾焚烧灰，使得水泥吸声材料具有良好的孔隙特征，即较大的孔隙率和较小的密度。多孔特性使得该水泥吸声材料具有较大的吸声系数。通过碱激发技术，使得垃圾焚烧灰中有害的重金属元素得以固化在所制备的水泥中，有效解决了重金属离子析出的问题，使所制备的水泥吸声材料具有环境安全性。
[0061]
本技术还提供一种上述的水泥吸声材料的制备方法，包括：
[0062]
将所述水泥吸声材料的原料进行混合，得到浆料；
[0063]
将所述浆料倒入模具中，得到所述水泥吸声材料。
[0064]
优选地，将所述水泥吸声材料的原料进行混合，得到浆料，包括：
[0065]
将所述前驱体材料搅拌均匀得到第一混合物；例如可以采用100-200r/min转速搅拌30s-10min，目的是将前驱体中各种材料均匀混合，得到均匀粉体。
[0066]
将所述碱激发剂加入所述第一混合物搅拌均匀得到第二混合物；例如可以采用100-200r/min转速搅拌30s-5min，目的是将碱激发剂均匀混合于前驱体材料中。
[0067]
将所述发泡剂加入所述水中搅拌均匀得到悬浊液；例如使用玻璃棒轻轻搅拌30-60s即可。
[0068]
将所述悬浊液加入所述第二混合物中，搅拌得到所述浆料。
[0069]
优选地，将所述悬浊液加入所述第二混合物中，搅拌得到浆料，包括：
[0070]
先以100～200r/min的转速搅拌20～40秒，再以210～300r/min的转速搅拌50～70
秒，最后再以100～200r/min的转速搅拌20～40秒，至浆体状态。
[0071]
本技术还提供一种上述的水泥吸声材料在建筑领域的应用。
[0072]
下面将结合具体实施例对本技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本技术，而不应视为限制本技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0073]
实施例1
[0074]
实施例1的水泥吸声材料的原材料配合比如下：
[0075]
前驱体材料：垃圾焚烧飞灰(mswifa，其质量占比为前驱体材料总量的10％)，粒化高炉矿渣(ggbs，其质量占比为前驱体材料总量的50％)，粉煤灰(cfa，其质量占比为前驱体材料总量的40％)。
[0076]
碱激发剂：五水合硅酸钠(na2sio3·
5h2o，其质量占比为前驱体材料总量的20.6％)，氢氧化钠(naoh，其质量占比为前驱体材料总量的1.27％)。
[0077]
发泡剂：平均粒径为200微米的铝粉，分析纯，其质量占比为前驱体材料总量的0.02％。
[0078]
水：去离子水，其质量占比为前驱体材料总量的37％。
[0079]
实施例1的水泥吸声材料的制备工艺如下：
[0080]
(1)使用行星式搅拌机将前驱体(mswifa+ggbs+cfa)以140r/min转速搅拌2分钟至均匀态。
[0081]
(2)将步骤(1)中搅拌好的前驱体中加入碱激发剂(na2sio3·
5h2o+naoh)，以140r/min转速搅拌1分钟，使所有固体搅拌均匀。
[0082]
(3)将发泡剂(铝粉，al)加入称取好的去离子水中，使用玻璃棒搅拌至悬浊态。
[0083]
(4)将步骤(3)中搅拌好的悬浊液倒入步骤(2)中的均匀固体粉末中，行星搅拌机下首先140r/min转速搅拌30秒，后285r/min转速搅拌60秒，最后140r/min转速搅拌30秒，至浆体状态。
[0084]
(5)将搅拌好的浆体倒入模具中，24小时后脱模，在实验室条件下养护28天，得到实施例1的水泥吸声材料。
[0085]
实施例2
[0086]
与实施例1的不同之处在于：实施例2的水泥吸声材料的铝粉质量占比为前驱体材料总量的0.06％。
[0087]
实施例3
[0088]
与实施例1的不同之处在于：实施例3的水泥吸声材料的铝粉质量占比为前驱体材料总量的0.1％。
[0089]
对比例1
[0090]
与实施例1的不同之处在于：对比例1的水泥吸声材料没有添加发泡剂铝粉，铝粉质量占比为前驱体材料总量的0％。
[0091]
试验例1声学性能
[0092]
利用声阻抗管对实施例1至实施例3及对比例1配置得到的水泥材料的吸声性能进行测试。采用50mm厚的样品，对水泥材料的吸声系数和噪声衰减系数进行测试，结果如图1
所示。对噪声衰减系数(nrc)，相比0％的铝掺量，本技术方案制备的碱激发水泥具有明显的提升，表明本方案制备的水泥吸声材料具备优良的吸声性能。
[0093]
试验例2重金属离子固化
[0094]
实施例1至实施例3及对比例1配置得到的水泥材料，在28天养护后，参考gb gb16889-2008规范中的测试方法，测试其重金属离子析出结果，如表1所示。
[0095]
表1重金属离子析出结果
[0096][0097]
由表1可知，相较于垃圾焚烧灰，碱激发水泥中重金属析出量大大降低，全部符合gb16889-2008中的阈值上限，表明其具有良好的重金属离子固化性能。
[0098]
试验例3抗压强度
[0099]
对实施例1至实施例3及对比例1配置得到的水泥材料进行轴压测试，测试结果如图2所示，其中，7天指的是对水泥材料养护7天后进行轴压测试，28天指的是水泥材料养护28天后进行轴压测试，实施例1至实施例3的水泥材料抗压强度均大于2.5mpa，大于一般结构材料的强度阈值下限(2.5mpa)。这表明，本技术方案制备得到的水泥吸声材料具有良好的力学性能。
[0100]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，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技术各实施例技术方案的范围。
[0101]
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本技术的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本技术的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。