一种EPS改性混凝土、轻质高强耐火保温混凝土墙体材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种EPS改性混凝土、轻质高强耐火保温混凝土墙体材料及其制备方法和应用。

背景技术

工业化的进程在为社会带来进步、生产力带来提高的同时，也带来了一系列的能源问题。近几年来，能源问题愈演愈烈，引起了世界各国越来越多的关注，并被列入人类面临的四大生存问题之一。

随着我国墙体材料的不断改革与建筑节能政策的推行，人们逐渐将目光投入到节能型建筑材料的开发和应用中，并在国内大力发展节能、保温、轻质、隔热等新型材料，其中较为突出的是使用发泡聚苯乙烯(EPS)作为集料制成的EPS泡沫混凝土。

现有技术中，传统的EPS泡沫混凝土虽然能作为一种具有保温隔热功能的绿色低碳建筑材料广泛应用于保温墙板中，但其本身由于容重较低、EPS颗粒的憎水性、EPS骨料强度较低以及熔点低等原因，存在强度较低、耐久性较差、耐火性能较差、使用寿命低等缺陷。

因此，研制一种具有较高强度、良好耐久性以及耐火性能的高强轻质墙体材料具有重要的意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种改性EPS混凝土的制备方法。该方法保证EPS颗粒与水泥基体良好的粘结性，同时提高LITM层耐高温性能。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的改性EPS混凝土。

本发明再一目的在于提供包含上述改性EPS混凝土的轻质高强耐火保温混凝土墙体材料。

本发明再一目的在于提供上述轻质高强耐火保温混凝土墙体材料的制备方法。

本发明在于目的在于提供上述轻质高强耐火保温混凝土墙体材料的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种改性EPS混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将有机硅憎水剂用水稀释成有机憎水剂的稀释液，称取EPS泡沫颗粒，将有机憎水剂的稀释液均匀喷洒至EPS颗粒表面，拌合均匀后加入可膨胀石墨，继续搅拌均匀至可膨胀石墨充分包裹EPS颗粒；

(2)再加入水泥、粉煤灰、减水剂和剩余的水，搅拌均匀，从而得到改性EPS混凝土；

所述的改性EPS混凝土包含以下重量份数的原料：水泥Ⅰ1610-1975份，粉煤灰320-395份，减水剂Ⅰ30-60份，EPS泡沫颗粒65-85份，水440-690份(此处水的份数为改性EPS混凝土中所有的水的份数，即包括有机憎水剂的稀释液中稀释所用的水和步骤(2)中剩下的水)，可膨胀石墨的用量满足可膨胀石墨与EPS泡沫颗粒的质量比为10:15-20，有机憎水剂的用量满足有机硅憎水剂的稀释液与EPS泡沫颗粒的质量比为11-20:10，其中有机憎水剂的稀释液的质量浓度为0.1％-0.3％。

步骤(1)中所述的有机憎水剂为硅烷类防水剂乳液，有效成分质量分数为30％-40％，优选为36％；

步骤(1)中所述的EPS泡沫颗粒是指两种不同粒径的EPS泡沫颗粒，两种EPS泡沫颗粒粒径为0.5-1mm和3-5mm，堆积体积比为2.0-3.0:1。

步骤(1)中所述的可膨胀石墨膨胀倍率为35-250，粒度为0.15-0.30mm。

步骤(2)中所述的水泥I为普通硅酸盐水泥，其28天抗压强度≥42.5Mpa，28天抗折强度≥6.5MPa，比表面积≥300m

步骤(2)中所述的粉煤灰为二级粉煤灰，其比表面积≥300m

步骤(2)中所述的减水剂为聚羧酸减水剂，其固体含量为8.0-9.0％。

一种由上述方法制备得到的改性EPS混凝土。

一种轻质高强耐火保温混凝土墙体材料，其从上至下依次包括HFWC层、LITM层、HFWC层；其中LITM层即上述的改性EPS混凝土；

所述的LITM层包含以下重量份数的原料：水泥Ⅰ1610-1975份，粉煤灰320-395份，减水剂Ⅰ30-60份，EPS泡沫颗粒65-85份，水440-690份，可膨胀石墨的用量满足可膨胀石墨与EPS泡沫颗粒的质量比为10:15-20，有机硅憎水剂的用量满足有机硅憎水剂稀释液与EPS颗粒的质量比为11-20:10，有机憎水剂的稀释液的质量浓度为0.1％-0.3％。

所述的两层HFWC层总共包括以下重量份数的组分：水泥Ⅱ260-655份，硅灰60-155份，砂380-960份，减水剂Ⅱ9-25份，微丝纤维38-100份，水50-130份。其中两层HFWC层的配方和用量完全相同，即每一层HFWC层占该配方的一半。

所述的HFWC层中水泥Ⅱ为普通硅酸盐水泥，其28天抗压强度≥52.5Mpa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m

所述的HFWC层中硅灰比表面积≥20m

所述的HFWC层中砂为粒度26-110目的石英砂。

所述的HFWC层中减水剂II为高效聚羧酸减水剂，其固体含量≥35％。

所述的HFWC层中微丝纤维为直径为0.2-0.4mm，长度为10-13mm，长径比为25-70的普碳钢纤维，断裂延伸率为1-2％，抗拉强度为1000-2500MPa。

一种上述的轻质高强耐火保温混凝土墙体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)底部HFWC层制备

(1.1)按配方将水泥、石英砂和硅灰加入搅拌机中，充分搅拌混合均匀；

(1.2)再继续加入减水剂，浆体搅拌均匀；

(1.3)接着加入微丝纤维，搅拌均匀；

(1.4)搅拌结束后，转移至定容器中，再装入模具，振捣10-15s成型；

(2)LITM层制备

(2.1)将有机硅憎水剂用水稀释成有机憎水剂的稀释液，称取EPS颗粒，并按配方将有机憎水剂的稀释液均匀喷洒至EPS颗粒表面，拌合均匀后加入可膨胀石墨，继续搅拌至可膨胀石墨充分包裹EPS颗粒；

(2.2)加入水泥、粉煤灰、减水剂和剩余的水，搅拌均匀；

(2.3)将搅拌后的浆体浇筑至底部HFWC层上，经插捣成型，此过程在完成底层HFWC层浇筑后即可进行；

(3)顶层HFWC层制备

(3.1)按配方将水泥、石英砂和硅灰加入搅拌机中，充分搅拌混合均匀；

(3.2)再继续加入减水剂，浆体搅拌均匀；

(3.3)接着加入微丝纤维，搅拌均匀；

(3.4)搅拌结束后，转移至定容器中，再浇筑在LITM层上铺平并振捣10-15s成型；顶层HFWC层的浇筑须在LITM层装模后6-8h内进行。

完成上述步骤后，经脱模、养护即制得目的产品。

所述的养护方式为常温浇水养护，养护至预定龄期。

上述的轻质高强耐火保温混凝土墙体材料在建筑材料中的应用。

本发明的机理为：

本发明中，可膨胀石墨作为一种新型膨胀阻燃剂，其在受热或燃烧状态下，层间化合物分解生成大量气体，生成膨胀碳层覆盖在EPS颗粒表面，阻隔热量以及氧气的传递；同时产生的惰性气体能够起到稀释氧气及可燃气体的作用，具有良好的阻燃效果，阻止EPS颗粒在高温下熔化现象的发生，有效提高LITM层的耐高温、耐火性能。

有机硅憎水剂水解产生的硅醇(-Si-OH)与可膨胀石墨表面的羟基及羧基官能团发生反应，剩余的硅醇之间发生脱水缩合反应，形成网状结构的硅氧膜，同时与硅酸盐基材中的羟基反应，一方面使EPS颗粒表面覆盖上可膨胀石墨耐火层，一方面改善了EPS颗粒的憎水性，使EPS颗粒很容易被水泥浆体润湿，可以有效地改善EPS颗粒与水泥基体的界面粘结性能，提升EPS混凝土抗压强度，抑制EPS混凝土内部出现离析以及骨料上浮情况的出现。同时，内掺有机硅憎水剂能在混凝土内部孔表面形成膜结构，阻止水分以及各种有害物质的侵入，极大地提高EPS混凝土的耐久性能。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

(1)本发明提供的高强轻质混凝土墙体材料，在EPS泡沫混凝土的基础上与HFWC形成组合构件，HFWC作为组合构件中的内外叶材料，具有超高强度、超高韧性、超高抗力和优异耐久性的特点，在结构受力中能充分发挥其高强的特性，与EPS混凝土共同受载，能大幅度弥补EPS混凝土低强的短板，28d抗压强度可达到15-34MPa，抗折强度可达到6-13MPa。同时，本发明提供的高强轻质混凝土墙体材料，减缓了EPS混凝土在外界因素下耐久性的降低，吸水率降低到8％-10％，能有效降低并延缓EPS混凝土的干燥收缩，大大提升建筑墙体的寿命；本发明提供的高强轻质混凝土墙体材料，干表观密度为1000-1200kg/m

(2)本发明提供的制备方法，原料来源广泛，经济成本低，可用作装配式预制构件，适用于各类环境。

(3)与现有技术相比，本发明高强轻质组合墙体材料在原有EPS混凝土轻质、保温隔热、低碳节能的特点的基础上，具有良好的力学性能以及耐久性能，对于推广低碳建筑，降低建筑能耗具有积极意义。

附图说明

图1为轻质高强耐火保温混凝土墙体材料结构示意图。

图2为EPS颗粒改性示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和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。

实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。

以下实施例所用到的重量(质量)份数，作为举例，重量单位可以为克、千克等，也可以是本领域常用的任意其他用量。

实施例中所述的水泥Ⅱ为普通硅酸盐水泥，其28天抗压强度≥52.5Mpa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m

实施例1

本实施例一种轻质高强耐火保温混凝土墙体材料，由以下重量份数配比的原料组成：

LITM层：水泥Ⅰ1621份、粉煤灰324份、EPS颗粒67份，其中3-5mm与0.5-1mm两种粒径颗粒堆积体积比为1:2，可膨胀石墨与EPS颗粒质量比为10:15，有机硅憎水剂稀释液与EPS颗粒的质量比为20：10，有机硅憎水剂稀释液的质量浓度为0.2％，水总量563份(包括有机硅憎水剂稀释液中的水)、减水剂Ⅰ34份；

两层HFWC层总配方：水泥Ⅱ652份、硅灰150份、石英砂960份、微丝纤维97份、水130份、减水剂Ⅱ23份。各组分重量份数为上下两个HFWC层中对应组分的总用量，其中每一层的用量各占一半。

本实施例中一种轻质高强耐火保温混凝土墙体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)底部HFWC层制备

(1.1)按配方将水泥、石英砂和硅灰加入搅拌机中，干粉搅拌2min，充分搅拌混合均匀；

(1.2)再继续加入减水剂，浆体搅拌8-10min至均匀；

(1.3)接着加入微丝纤维，搅拌2min至均匀；

(1.4)搅拌结束后，转移至定容器中，再装入模具，振捣10-15s成型；

(2)LITM层制备

(2.1)将有机硅憎水剂按比例用水稀释成质量浓度为0.2％的有机硅憎水剂稀释液，按比例称取不同粒径的EPS颗粒，并按配方将有机硅憎水剂稀释液均匀喷洒至EPS颗粒表面，拌合均匀后加入可膨胀石墨，继续搅拌至可膨胀石墨充分包裹EPS颗粒；

(2.2)加入水泥、粉煤灰、减水剂和剩余的水，搅拌4min至均匀；

(2.3)将搅拌后的浆体浇筑至底部HFWC层上，经插捣成型，此过程在完成底层HFWC层浇筑后即可进行；

(3)顶层HFWC层制备

(3.1)按配方将水泥、石英砂和硅灰加入搅拌机中，干粉搅拌2min，充分搅拌混合均匀；

(3.2)再继续加入减水剂，浆体搅拌8-10min至均匀；

(3.3)接着加入微丝纤维，搅拌2min至均匀；

(3.4)搅拌结束后，转移至定容器中，再浇筑在LITM层上铺平并振捣10-15s成型；顶层HFWC层的浇筑须在LITM层装模后6-8h内进行。

完成上述步骤后，经脱模、养护即制得目的产品。

所述的养护方式为常温浇水养护，养护至预定龄期。

实施例2：

本实施例一种轻质高强耐火保温混凝土墙体材料，由以下重量份数配比的原料组成：

LITM层：水泥Ⅰ1832份、粉煤灰366份、EPS颗粒75份，其中3-5mm与0.5-1mm两种粒径颗粒堆积体积比为1:2，可膨胀石墨与EPS颗粒质量比为10:17，有机硅憎水剂稀释液与EPS颗粒的质量比为20：10，有机硅憎水剂稀释液的质量浓度为0.2％，水总量637份(包括有机硅憎水剂稀释液中的水)、减水剂Ⅰ39份；

两层HFWC层总配方：水泥Ⅱ391份、硅灰92份、石英砂576份、微丝纤维58份、水78份、减水剂Ⅱ14份。各组分重量份数为上下两个HFWC层对应组分的总用量，其中每一层的用量各占一半。。

本实施例一种轻质高强耐火保温混凝土墙体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)底部HFWC层制备

(1.1)按配方将水泥、石英砂和硅灰加入搅拌机中，干粉搅拌2min，充分搅拌混合均匀；

(1.2)再继续加入减水剂，浆体搅拌8-10min至均匀；

(1.3)接着加入微丝纤维，搅拌2min至均匀；

(1.4)搅拌结束后，转移至定容器中，再装入模具，振捣10-15s成型；

(2)LITM层制备

(2.1)将有机硅憎水剂按比例用水稀释成质量浓度为0.2％的有机硅憎水剂稀释液，按比例称取不同粒径的EPS颗粒，并按配方将有机硅憎水剂稀释液均匀喷洒至EPS颗粒表面，拌合均匀后加入可膨胀石墨，继续搅拌至可膨胀石墨充分包裹EPS颗粒；

(2.2)加入水泥、粉煤灰、减水剂和剩余的水，搅拌4min至均匀；

(2.3)将搅拌后的浆体浇筑至底部HFWC层上，经插捣成型，此过程在完成底层HFWC层浇筑后即可进行；

(3)顶层HFWC层制备

(3.1)按配方将水泥、石英砂和硅灰加入搅拌机中，干粉搅拌2min，充分搅拌混合均匀；

(3.2)再继续加入减水剂，浆体搅拌8-10min至均匀；

(3.3)接着加入微丝纤维，搅拌2min至均匀；

(3.4)搅拌结束后，转移至定容器中，再浇筑在LITM层上铺平并振捣10-15s成型；顶层HFWC层的浇筑须在LITM层装模后6-8h内进行。

完成上述步骤后，经脱模、养护即制得目的产品。

所述的养护方式为常温浇水养护，养护至预定龄期。

实施例3：

本实施例一种轻质高强耐火保温混凝土墙体材料，由以下重量份数配比的原料组成：

LITM层：水泥Ⅰ1973份、粉煤灰395份、EPS颗粒81份，其中3-5mm与0.5-1mm两种粒径颗粒堆积体积比为1:2，可膨胀石墨与EPS颗粒质量比为10:20，有机硅憎水剂稀释液与EPS颗粒的质量比为20：10，有机硅憎水剂稀释液的质量浓度为0.2％，水总量686份(包括有机硅憎水剂稀释液中的水)、减水剂Ⅰ42份；

两层HFWC层总配方：水泥Ⅱ261份、硅灰61份、石英砂384份、微丝纤维39份、水52份、减水剂Ⅱ9份。各组分重量份数为上下两个HFWC层对应组分的总用量，其中每一层的用量各占一半。

本实施例一种轻质高强耐火保温混凝土墙体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)底部HFWC层制备

(1.1)按配方将水泥、石英砂和硅灰加入搅拌机中，干粉搅拌2min，充分搅拌混合均匀；

(1.2)再继续加入减水剂，浆体搅拌8-10min至均匀；

(1.3)接着加入微丝纤维，搅拌2min至均匀；

(1.4)搅拌结束后，转移至定容器中，再装入模具，振捣10-15s成型；

(2)LITM层制备

(2.1)将有机硅憎水剂按比例用水稀释成质量浓度为0.2％的有机硅憎水剂稀释液，按比例称取不同粒径的EPS颗粒，并按配方将有机硅憎水剂稀释液均匀喷洒至EPS颗粒表面，拌合均匀后加入可膨胀石墨，继续搅拌至可膨胀石墨充分包裹EPS颗粒；

(2.2)加入水泥、粉煤灰、减水剂和剩余的水，搅拌4min至均匀；

(2.3)将搅拌后的浆体浇筑至底部HFWC层上，经插捣成型，此过程在完成底层HFWC层浇筑后即可进行；

(3)顶层HFWC层制备

(3.1)按配方将水泥、石英砂和硅灰加入搅拌机中，干粉搅拌2min，充分搅拌混合均匀；

(3.2)再继续加入减水剂，浆体搅拌8-10min至均匀；

(3.3)接着加入微丝纤维，搅拌2min至均匀；

(3.4)搅拌结束后，转移至定容器中，再浇筑在LITM层上铺平并振捣10-15s成型；顶层HFWC层的浇筑须在LITM层装模后6-8h内进行。

完成上述步骤后，经脱模、养护即制得目的产品。

所述的养护方式为常温浇水养护，养护至预定龄期。

实施例4：

本实施例一种轻质高强耐火保温混凝土墙体材料，由以下重量份数配比的原料组成：

LITM层：水泥Ⅰ1614份、粉煤灰323份、EPS颗粒74份，其中3-5mm与0.5-1mm两种粒径颗粒堆积体积比为1:2，可膨胀石墨与EPS颗粒质量比为10:15，有机硅憎水剂稀释液与EPS颗粒的质量比为20：10，有机硅憎水剂稀释液的质量浓度为0.2％，水总量442份(包括有机硅憎水剂稀释液中的水)、减水剂Ⅰ57份；

两层HFWC层总配方：水泥Ⅱ652份、硅灰150份、石英砂960份、微丝纤维97份、水130份、减水剂Ⅱ23份。各组分重量份数为上下两个HFWC层对应组分的总用量，其中每一层的用量各占一半。

本实施例一种轻质高强耐火保温混凝土墙体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)底部HFWC层制备

(1.1)按配方将水泥、石英砂和硅灰加入搅拌机中，干粉搅拌2min，充分搅拌混合均匀；

(1.2)再继续加入减水剂，浆体搅拌8-10min至均匀；

(1.3)接着加入微丝纤维，搅拌2min至均匀；

(1.4)搅拌结束后，转移至定容器中，再装入模具，振捣10-15s成型；

(2)LITM层制备

(2.1)将有机硅憎水剂按比例用水稀释成质量浓度为0.2％的有机硅憎水剂稀释液，按比例称取不同粒径的EPS颗粒，并按配方将有机硅憎水剂稀释液均匀喷洒至EPS颗粒表面，拌合均匀后加入可膨胀石墨，继续搅拌至可膨胀石墨充分包裹EPS颗粒；

(2.2)加入水泥、粉煤灰、减水剂和剩余的水，搅拌4min至均匀；

(2.3)将搅拌后的浆体浇筑至底部HFWC层上，经插捣成型，此过程在完成底层HFWC层浇筑后即可进行；

(3)顶层HFWC层制备

(3.1)按配方将水泥、石英砂和硅灰加入搅拌机中，干粉搅拌2min，充分搅拌混合均匀；

(3.2)再继续加入减水剂，浆体搅拌8-10min至均匀；

(3.3)接着加入微丝纤维，搅拌2min至均匀；

(3.4)搅拌结束后，转移至定容器中，再浇筑在LITM层上铺平并振捣10-15s成型；顶层HFWC层的浇筑须在LITM层装模后6-8h内进行。

完成上述步骤后，经脱模、养护即制得目的产品。

所述的养护方式为常温浇水养护，养护至预定龄期。

实施例1-4制备得到的试样物理性能见表1。

表1实施例1-4制备得到的试样物理性能

表2EPS混凝土及其复合夹芯墙板技术要求指标要求(JG/T 266-2011、GB/T23451-2009)

由表1数据可知，所述实施例中，强度、耐火性能以及导热系数均满足技术指标；吸水率<10％，具有较好的耐久性；因EPS颗粒着火后容易发生火焰扩散，同时产生橙色火焰，发出苯乙烯的气味，并伴随大量黑烟，毒性很大。在约1000℃火焰下燃烧1h，试样面板无明显破裂，且EPS颗粒熔化较少，故对EPS颗粒进行改性起到了阻燃的作用。

对比例1：

与实施例1不同之处在于，对比例1所制备的试件为与实施例1相同尺寸的EPS混凝土，由以下重量份数配比的原料组成：

水泥Ⅰ2165份、粉煤灰433份、EPS颗粒88份，其中3-5mm与0.5-1mm两种粒径颗粒堆积体积比为1:2，可膨胀石墨与EPS颗粒质量比为10:15，有机硅憎水剂稀释液与EPS颗粒的质量比为20：10，有机硅憎水剂稀释液的质量浓度为0.2％，水总量752份(包括有机硅憎水剂稀释液中的水)、减水剂Ⅰ34份；

与实施例1制备方法的不同之处在于，对比例1减少了HFWC层的制备过程。

对比例2：

与实施例1不同之处在于，对比例2中不掺加有机硅憎水剂。制备过程中可膨胀石墨在EPS颗粒与水和减水剂搅拌均匀后与水泥、粉煤灰一起加入并搅拌。

对比例3：

与实施例2不同之处在于，对比例3中不掺加有机硅憎水剂。制备过程中可膨胀石墨在EPS颗粒与水和减水剂搅拌均匀后与水泥、粉煤灰一起加入并搅拌。

对比例4：

与实施例3不同之处在于，对比例4中不掺加有机硅憎水剂。制备过程中可膨胀石墨在EPS颗粒与水和减水剂搅拌均匀后与水泥、粉煤灰一起加入并搅拌。

对比例5：

与实施例1不同之处在于，对比例5不掺加可膨胀石墨。制备过程中将有机硅憎水剂按比例用水稀释成质量浓度为0.2％的有机硅憎水剂稀释液，按比例称取不同粒径的EPS颗粒，并按配方将有机硅憎水剂稀释液均匀喷洒至EPS颗粒表面后，搅拌均匀，再加入水泥、粉煤灰、减水剂以及剩余的水进行拌合。

对比例1-5制备得到的试样物理性能见表3。

表3对比例1-5制备得到的试样物理性能

经表1与表3数据对比分析可知：①当采用有机硅憎水剂对EPS颗粒进行喷洒处理，并通过可膨胀石墨包裹的方式制得改性EPS颗粒，可显著提高混凝土的力学性能，降低吸水率，提高其保温性能；②可膨胀石墨的掺加，可以有效提高试样的耐火性能，同时可适当提升其力学性能；③通过将LITM层与HFWC层形成组合结构的形式，一方面可有效提高构件的力学性能，另一方面对其耐火隔热性能也有显著提高。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的范围内。

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。