一种高强保温煤矸石泡沫混凝土、其制备方法及应用

本发明属于建筑材料，具体涉及一种高强保温煤矸石泡沫混凝土、其制备方法及应用。

背景技术：

1、煤矸石泡沫混凝土作为一种新型建筑材料，具有原材料广泛，生产成本低等优点，可以大幅度降低煤矸石堆放对环境造成的污染。

2、目前，煤矸石泡沫混凝土生产技术并不成熟，使得煤矸石泡沫混凝土面临抗压强度低、吸水率高、干缩性大、孔结构不易受控制等问题；为了提高煤矸石泡沫混凝土抗压强度，大部分生产厂家选择蒸汽养护方式，但会导致煤矸石泡沫混凝土易开裂，从而降低了其耐久性；其次，泡沫的均匀性和稳定性对材料的性能有直接影响，泡沫弹性直接影响煤矸石泡沫混凝土中孔隙的均匀性，发泡剂复配技术的不成熟，在一定程度上限制了煤矸石泡沫混凝土的发展和应用。同时，混凝土的孔结构不易控制，导致大孔居多，应力集中，强度较低，开口孔隙率较大，吸水率过高，导致其应用性能下降。因此，煤矸石泡沫混凝土在孔结构控制、开裂问题、发泡剂复配、吸水率、强度提升等方面仍存在一些问题。为了解决这些问题，需要进一步优化材料性能。

技术实现思路

1、本发明提供了一种高强保温煤矸石泡沫混凝土的制备方法，包括如下步骤：

2、将水泥、煤矸石、粉煤灰、硅灰、改性纤维和胶凝材料助剂混合，搅拌均匀，获得水泥料浆；将改性发泡剂加水稀释，通过压缩空气发泡机制备结构均匀的泡沫，向水泥料浆中加入泡沫，搅拌均匀，然后进行浇筑，脱模，养护，获得高强保温煤矸石泡沫混凝土。

3、在上述制备方法中，所述各原料选自如下质量份数：

4、水泥450～550份、煤矸石300～400份、粉煤灰100～200份、硅灰100～150份、改性纤维30～40份、胶凝材料助剂4～7份、改性发泡剂20～40份、水400～500份。

5、在一个具体实施方案中，所述各原料选自如下质量份数：

6、水泥450份、煤矸石300份、粉煤灰100份、硅灰100份、改性纤维30份、胶凝材料助剂4份、改性发泡剂20份、水450份。

7、在一个具体实施方案中，所述各原料选自如下质量份数：

8、水泥500份、煤矸石350份、粉煤灰150份、硅灰120份、改性纤维35份、胶凝材料助剂5份、改性发泡剂20份、水448份。

9、在一个具体实施方案中，所述各原料选自如下质量份数：

10、水泥550份、煤矸石400份、粉煤灰200份、硅灰150份、改性纤维40份、胶凝材料助剂6份、改性发泡剂20份、水500份。

11、在上述制备方法中，所述水泥组成如下：硅酸盐水泥330～400份、铝酸盐水泥90～100份、硫铝酸盐水泥30～50份。

12、在上述制备方法中，所述煤矸石为原状煤矸石经过破碎、球磨得到粒径为100～300目的煤矸石。

13、在上述制备方法中，所述粉煤灰为ⅰ级或ⅱ级粉煤灰。

14、在上述制备方法中，所述硅灰为未加密硅灰，堆积密度为340～380kg/m3，sio2含量

15、≥98％。

16、在上述制备方法中，所述胶凝材料助剂为聚羧酸减水剂、三聚氰胺减水剂和萘系减水剂中的一种或几种。

17、在上述制备方法中，所述改性发泡剂由如下方法制备而成：

18、(1)制备生物基多元醇

19、将生物质粉末和液化剂混合，搅拌均匀，加入催化剂a，升温反应，待反应结束后降温，然后加入水/1,4-二氧六环混合溶液，洗涤液化残渣，将液化产物减压蒸馏，获得生物基多元醇；

20、(2)制备改性发泡剂

21、将生物基多元醇和催化剂b混合，搅拌均匀，然后加入水、引发剂和稳定剂，搅拌均匀，得到改性发泡剂。

22、在上述改性发泡剂的制备方法中，所述生物质粉末选自麦秸、甘蔗渣、椰棕、干草、薯类秸秆、油菜秸秆、棉花秆、葡萄藤、麻类植物、水稻秸秆、咖啡渣、稻壳、玉米芯、玉米秸秆、桉木、松木、枞木、樟木、桦木、榉木、杨木中的至少一种，用筛分器筛出粒径为60～80目的粉末。

23、在上述改性发泡剂的制备方法中，所述液化剂为多元醇，具体可选自聚乙二醇-400、丙三醇、二甘醇、乙二醇中的至少一种。

24、在上述改性发泡剂的制备方法中，所述催化剂a为酸性催化剂，具体可选自硫酸、磷钨酸、硝酸、硅钨酸、磷钼酸、硅钼酸中的至少一种。

25、在上述改性发泡剂的制备方法中，所述催化剂b为三乙烯二胺(teda)、异辛酸锡、二丁基醋酸锡、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡中的一种或多种。

26、在上述改性发泡剂的制备方法中，所述引发剂为氢化二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、2,2′-二苯基甲烷二异氰酸酯和2,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、1,5-五亚甲基二异氰酸酯中的至少一种。

27、在上述改性发泡剂的制备方法中，所述稳定剂为由功能改性剂改性的无机纳米材料，其中无机纳米材料具体选自纳米氧化铝、纳米氮化硼、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙中的一种或几种；所述功能改性剂选自硬脂酸钠、硬脂酸钾、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、椰油酰胺丙基氧化胺，吐温80，n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、十六酸，三乙醇胺，椰油酰胺丙基甜菜碱、n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、n-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵、n-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、乙二胺四乙酸二钠、硅烷偶联剂中的至少一种。

28、在上述改性发泡剂的制备方法中，所述步骤(1)中，各原料的用量如下：生物质粉末5～10份、液化剂50～150份、催化剂a1.5～5份、水/1,4-二氧六环混合液2～3份；所述步骤(2)中，各原料的用量如下：生物基多元醇10～30份、催化剂b 0.03～0.1份、水0.1～1.5份、引发剂0.5～2份、稳定剂0.1～0.3份。

29、在上述改性发泡剂的制备方法中，所述步骤(1)中，所述升温反应的条件选自：升温至160～200℃反应120～240min；所述降温是将温度降至50℃。

30、在上述改性发泡剂的制备方法中，所述搅拌可采用机械搅拌，转速为400～1000r/min，时间为10s～20min。

31、在上述改性发泡剂的制备方法中，所述水/1,4-二氧六环混合液中，水与1,4-二氧六环的体积比为1:4。

32、在上述制备方法中，所述改性纤维由如下方法制备而成：

33、(1)纤维表面处理

34、将农业固废纤维置于碱性溶液中浸润，然后将浸润后的纤维浸泡在表面修饰剂溶液中，恒温水浴处理，清洗纤维，干燥，备用；

35、(2)制备改性纤维

36、将溶剂、硅源和表面活性剂混合均匀，超声处理；然后将表面经过处理的纤维浸没于上述混合溶液中，滴加凝胶剂，恒温水浴反应，待反应结束后取出反应物，置于室温陈化，洗涤，干燥，得到改性纤维。

37、在上述改性纤维的制备方法中，所述农业固废纤维为小麦秸秆纤维、玉米秸秆纤维、稻草秸秆纤维、杂草秸秆纤维中的一种或几种。

38、在上述改性纤维的制备方法中，所述碱性溶液选自固体碱性氧化物、固体氢氧化物、固体碳酸盐中任意一种或多种的溶液，例如氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钠溶液等。

39、在上述改性纤维的制备方法中，所述的表面修饰剂选自含有氨基的表面改性剂，具体可选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、n-β-氨乙基-γ氨丙基三甲氧基硅烷、n-β-氨乙基-γ氨丙基二甲氧基硅烷、n-β-氨乙基-γ氨丙基三乙氧基硅烷、n-β-氨乙基-γ氨丙基二乙氧基硅烷中的至少一种。

40、在上述改性纤维的制备方法中，所述溶剂选自乙醇、正丁醇、正丙醇、异丙醇、丙三醇中的至少一种。

41、在上述改性纤维的制备方法中，所述硅源选自正硅酸乙酯、白炭黑、正硅酸甲酯、硅溶胶、硅酸钠中的至少一种。

42、在上述改性纤维的制备方法中，所述的表面活性剂选自乙二胺四乙酸、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、月桂基葡糖苷、十六烷基硫酸钠、乙二胺四乙酸二钠中中的至少一种。

43、在上述改性纤维的制备方法中，所述凝胶剂选自氢氧化钠、氨水、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡、乙二胺中的一种。

44、在上述改性纤维的制备方法中，所述各原料的用量如下：农业固废纤维2～3份、溶剂80～100份、硅源8～10份、表面活性剂0.3～0.5份、凝胶剂0.1～1份。

45、在上述改性纤维的制备方法中，所述步骤(1)中，所述农业固废纤维的长度选自3～10mm；所述碱性溶液的质量分数选自3～5％；所述浸润的时间选自10～30h；所述恒温水浴处理选自如下条件：在60～80℃恒温下水浴处理2～5h。

46、在上述改性纤维的制备方法中，所述步骤(2)中，所述超声处理的时间选自30～45min；所述恒温水浴反应的条件选自：在40～50℃恒温下水浴反应10～15h；所述陈化的时间选自20～28h。

47、本发明提供了由上述方法制备的高强保温煤矸石泡沫混凝土。

48、本发明提供了上述高强保温煤矸石泡沫混凝土在建筑物中墙体保温层，框架结构中填充墙体，与薄钢板制成的复合墙体，公路护坡、路基、港口的挡土墙中的应用。

49、本发明的有益效果为：

50、本发明将农业固废秸秆制备成改性纤维并用于煤矸石泡沫混凝土，消除了秸秆纤维中的戊聚糖等杂质对水泥水化的阻凝作用，同时消除了秸秆中的果胶和果糖隔离秸秆中的纤维素与c2s和c3s粘结作用的影响，提高煤矸石泡沫混凝土的抗压强度。

51、本发明采用功能改性剂改性无机纳米材料并将其作为稳泡剂，可使无机纳米材料表面具有一定疏水性，减少泡沫之间歧化现象的发生，使发泡剂排液速率减缓，增强了泡沫稳定性；同时减少了连通孔出现，增加了泡沫混凝土材料气孔数量，从而阻止热量在煤矸石泡沫混凝土材料内部发生对流传播，降低了煤矸石泡沫混凝土材料导热系数；此外，还使无机纳米材料颗粒表面羟基被取代，不易发生团聚现象，能够较好的吸附在泡沫-气-液界面膜之间，纳米颗粒会吸附在泡沫液膜上使得气泡变得更加粗糙从而增大了气泡与水泥浆体的接触面积，增加了气泡在浆体中移动的摩擦阻力，可有效改善泡沫的稳定性，而且泡沫越稳定所制备的煤矸石泡沫混凝土抗压强度也会越高。

52、本发明利用农业固废纤维表面改性方法，通过醇盐水解法使纳米二氧化硅生长在纤维表面，一方面纤维在基体中纵横交错，均匀的分散到水泥基体中，在混凝土基体中形成网状结构进而承担更多的压力，并通过桥接作用与相邻基体紧密结合，大大减少了内部裂缝数量，改善了泡沫混凝土的内部结构，提高了泡沫混凝土的整体性，从而使混凝土强度增加；另一方面纤维表面纳米二氧化硅可与水泥水化产物氢氧化钙反应，形成c-s-h凝胶，填充密实界面过渡区孔隙，类似于“膨胀螺栓”的效应，增加纤维-混凝土基体界面结合强度，进而提高煤矸石泡沫混凝土材料抗压强度。

53、本发明采用改性发泡剂，在发泡混凝土形成过程中，发泡剂会在水泥水化凝胶的表面、骨料颗粒的表面及未水化水泥颗粒的表面形成密封层，填充泡沫水泥混凝土中相连的毛细管孔隙及通道，水化过程中聚合物网结构会把水泥水化产物与聚合物交织缠绕在一起，此时，发泡剂与水泥水化产物及改性纤维之间通过离子键、氢键、范德华键发生化学与物理相互作用，从而显著改善了煤矸石泡沫混凝土的相关性能。