一种钙矾石基储能泡沫轻质土及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于建筑材料制备技术领域，具体涉及一种钙矾石基储能泡沫轻质土及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

在冬季严寒地区，当环境温度低于0℃时，就会出现路面积雪结冰的现象，不仅严重影响正常的交通秩序，而且容易发生交通安全事故，造成国民经济损失。对于传统的路面融冰化雪方法来讲，可能会导致路面不同程度的永久性损伤、对路面内部结构和耐久性产生严重损害，对桥面造成钢筋锈蚀、效率低下、能源消耗大、碳排放不符合目前碳达峰、碳中和的背景等缺点。正是由于传统的路面融冰化雪方法存在许多缺点，现在自融雪路面技术被越来越多的国家所重视，成为道路界研究的热点问题。自融雪技术是通过路面的特殊功能来融冰除雪，目前已经应用于路面的该类技术融冰除雪效果更彻底，但由于需要在铺设路面时就要做相应施工，初始投资较大，故目前应用还相对较少。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种钙矾石基储能泡沫轻质土及其制备方法和应用。本发明提出了一种新型钙矾石基相变储能泡沫轻质土，既能作为储能材料又能作为结构层承载材料。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种钙矾石基储能泡沫轻质土，原料包括胶凝材料、水、泡沫群，胶凝材料为水化后产生钙钒石的材料，水与胶凝材料的质量比值0.5-0.7，泡沫群的发泡倍率800～1000，标准泡沫密度45～55kg/m

本发明中胶凝材料与水发生水化作用后生成钙钒石，钙矾石的主要作用是：1)进行储能放热，使路面达到融冰化雪的作用；2)钙矾石可促进水泥早期强度发展和补偿收缩。钙钒石储存热量，在高温干燥条件下发生如下式的脱水反应方程：

在吸水后放热，钙矾石吸水放热的公式：

上述脱水和吸水的过程为可逆反应过程。在放热的过程中起到融冰化雪的作用，保证路面上车辆的行驶安全。本发明中的泡沫轻质土是一种储能的泡沫轻质土，将能量进行储存吸水后进行释放，本发明中水泥基自身作为一个相变材料，实现了材料的结构-功能一体化。

胶凝材料和水形成水泥浆然后与泡沫群混合形成泡沫轻质土，在泡沫轻质土中形成多孔的结构。无发泡的钙钒石水泥结构，会由于温度变化产生的温度应力和钙矾石变化后产生的体积膨胀而产生的应力，使得材料在1～2个循环后就产生裂缝。本发明中由硫铝酸盐水泥水化生成的产物钙矾石，由于在混凝土内部形成多孔体系，使材料受力均匀，经发泡后减少其自身的内应力，避免应力集中，减少开裂，同时还可以增加热量以及湿度的传输速率。

第二方面，上述钙矾石基储能泡沫轻质土在路基施工中的应用。

由于本发明主要用于路基施工，处于地下密封状态，钙矾石不会与空气中的CO

3CaO·Al

第三方面，上述钙矾石基储能泡沫轻质土的制备方法，所述方法为：

水和胶凝材料混合得到水泥浆；

发泡剂和水混合进行发泡得到泡沫群；

泡沫群和水泥浆混合得到泡沫轻质土料浆。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

本发明制备的泡沫轻质土具有轻质、强度高、刚度大、压缩性低、优良的环保型等优点，可以缓解竖向荷载，以免破坏和影响底部结构，常用于路基填筑工程的回填材料。而钙矾石具有温升高、能量密度大、材料成本低的特性，有效节约了工程成本，在交通基础设施建设中具有广阔的应用前景。制备钙矾石基泡沫轻质土，既可以做结构层承载又可以储能，是一种较好的解决方法。

本发明在泡沫轻质土的基础上，加入钙矾石可补偿水泥浆体的自身收缩，增强水泥早期强度，改善混凝土耐久性，能够较好的满足应用要求。作为储能材料达到融冰化雪，使路面“四季如春”，保证交通行驶安全的目的。

本发明制备方法简单，实现了水泥水化产物的充分利用，减少了材料成本，有效节约了工程成本。削峰填谷，缓解能量供求在时间和空间上的不协调，提高资源利用效率，缓解能源危机。实现材料的结构——功能一体化，把能量通过相变的形式储存在建筑材料里面，在需要融冰化雪的时候使钙矾石进行放热反应，不需要热量的时候将能量储存在钙矾石基中，使材料既可以做结构材料，又可以做能量储存的单元。

本发明加入适宜的石膏掺量，有效加快水泥早期的水化过程。且可避免钙矾石随着后期铝酸三钙的水化，转化为单硫型水化硫铝酸钙。石膏在硅酸盐水泥中还具有缓凝作用，可延长水泥的水化硬化时间，使新拌混凝土能在较长时间内保持塑性，从而调节新拌混凝土的凝结时间。在满足工程标准的前提下，通过气泡等组分代替了水泥用量，节约资源。气泡的掺入使材料密度降低，可有效减少在路基建设中地基不均匀沉降导致的危害。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

第一方面，一种钙矾石基储能泡沫轻质土，原料包括胶凝材料、水、泡沫群，胶凝材料为水化后产生钙钒石的材料，水与胶凝材料的质量比值0.5-0.7，泡沫群的发泡倍率800～1000，标准泡沫密度45～55kg/m

发明人研究发现钙矾石作为一种水合盐相变材料，其材料能量密度～500kWh/m

在本发明的一些实施方式中，胶凝材料的原料为无水石膏和硫铝酸盐水泥，无水石膏和硫铝酸盐熟料的摩尔比为0.5-3:1；优选为1.5-2.5:1。硫铝酸盐熟料为硫铝酸盐水泥主要成分。采用硫铝酸盐水泥制备钙矾石基储能泡沫轻质土，既可以承载结构又可以储能。硫铝酸盐水泥的水化过程会产生多种水化产物，其中就包括大量的钙矾石。

在本发明的一些实施方式中，无水石膏和硫铝酸盐熟料的摩尔比为2:1，水与胶凝材料的质量比值0.5-0.65。

在本发明的一些实施方式中，胶凝材料的原料为硅酸盐水泥和铝酸钙水泥的水泥混合物。硬石膏和水泥混合物的摩尔比为0.5-3:1；优选为1.5-2.5:1。

在本发明的一些实施方式中，硬石膏和水泥混合物的摩尔比为2:1，水与胶凝材料的质量比值0.5-0.65。

胶凝材料中加入石膏的作用是：适量的石膏掺量可有效地促进水泥的早期水化过程，直接影响着水化产物中三硫型水化硫铝酸钙的生成量、生成时间及形状，影响着浆体的体积稳定性，最终直接决定着浆体强度的发展。低石膏掺量时随着后期铝酸三钙的水化，钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙转化；掺量过高时硬化浆体的后期强度甚至会倒缩，在结构内部产生内应力，出现开裂、强度降低等问题。因此，为实现较高的力学强度、较低的干燥收缩率，保证浆体中所生成的钙矾石稳定，石膏和水泥的比例是有一个摩尔比的，摩尔比可以是0.5、1、1.5、2、2.5、3，根据比值不同，钙矾石含量不一样，其最优摩尔比是2mol。

在本发明的一些实施方式中，单位泡沫轻质土中所含泡沫的体积为60％～70％。发泡剂含量过多泡太大导致强度降低，过少起不到作用，故所制备的泡沫轻质土的泡沫率为60％～70％。

在本发明的一些实施方式中，泡沫群中发泡剂和水的体积比为1:35-45；优选为1:40。

在本发明的一些实施方式中，发泡剂为植物发泡剂。本发明中发泡剂选择植物发泡剂，是根据发泡剂的三个性能评价指标——发泡倍数、1h沉降距和1h泌水率，发现植物发泡剂具有更强的发泡力，从经济角度考虑，在相同稀释倍数下，植物发泡剂有更好的市场地位，且植物发泡剂的稳定性优于动物蛋白质发泡剂。

在本发明的一些实施方式中，泡沫轻质土的流动度为160mm-190mm。由于公路工程用泡沫轻质土一般采用泵送施工技术，且泵送距离较远(一般在300m-500m的范围内)，在相同水胶比的情况下，流值越大，泡沫轻质土流动性越好，当泡沫轻质土流值过大，＞190mm时，制得的泡沫轻质土稳定性会大大降低，而流值过小，泡沫轻质土泵送施工难度则会上升。因此对泡沫轻质土的流动度比较高，既要求浆体要达到一定流动度，又要求流动度不能太高，否则容易出现离析、泌水等质量问题。

第二方面，上述钙矾石基储能泡沫轻质土在路基施工中的应用。

第三方面，上述钙矾石基储能泡沫轻质土的制备方法，所述方法为：

水和胶凝材料混合得到水泥浆；

发泡剂和水混合进行发泡得到泡沫群；

泡沫群和水泥浆混合得到泡沫轻质土料浆。

在本发明的一些实施方式中，水和胶凝材料混合得到水泥浆的过程中，先加入水然后再加入胶凝材料。避免随着后期铝酸三钙的水化，钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙转化，拌和时应先加水再加入硅酸盐水泥与石膏的混合物，充分搅拌得到水泥浆，搅拌均匀后静置。

在本发明的一些实施方式中，泡沫群的制备方法，将发泡剂和水混合通过发泡装置进行发泡得到泡沫群。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

1)水泥浆制备

用普通硅酸盐水泥(20wt％)(命名为C80P20)和包含硬石膏的预混铝酸钙水泥(80wt％)的混合物来生产高钙矾石含量的材料。该水泥混合物用软化水水化，水与水泥混合物的比率为1.1。在搅拌机中加入该水泥混合物、石膏和水进行搅拌以制备水泥浆，水泥和石膏的混合摩尔比值控制为2。拌和前，应使两种材料充分混合，保证水化时能充分接触。为避免随着后期铝酸三钙的水化，钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙转化，拌和时应先加水再加入硅酸盐水泥与石膏的混合物，充分搅拌得到水泥浆，搅拌均匀后静置。

3)制备泡沫群

发泡剂的发泡倍率为1:40，即发泡剂与水的体积比为1:40。根据该比例来量取水，加入发泡剂混合并搅拌均匀，将混合液放入发泡装置中进行发泡，制备泡沫群。

4)生成钙矾石储能泡沫轻质土

将制备好的泡沫群以及钙矾石加入料浆中混合搅拌，搅拌至泡沫均匀分散于浆体内且浆面上看不到漂浮的泡沫时，完成搅拌，获得钙矾石储能泡沫轻质土料浆，此时达到可浇筑的程度。

5)将水泥浆浇铸和压实后，用塑料膜覆盖24小时。随后，样品在20±1℃的水中脱模和固化直至测试，养护相对湿度为90％。将制备好的气泡混合轻质土料浆制备成100mm×100mm×100mm的抗压试件以测定抗压强度。3d抗压强度约为0.5MPa，7d抗压强度约为3.5MPa，28d抗压强度约为4.3MPa，弹性模量为3.03GPa，CBR值为79％，满足地基承载力规范的要求。

6)对制备好的气泡混合轻质土进行放能与储能分析，在脱水反应和吸水反应温度分别为95℃和20℃、相对湿度为20.1％、升温速率和失水速率均在5.1m

实施例1

步骤一：水泥浆的制备，用硫铝酸盐水泥用于生产高钙矾石含量的材料。将无水石膏(CaSO4)和硫铝酸盐水泥按照无水石膏与硫铝酸盐熟料(硫铝酸盐水泥主要成分)摩尔比2：1的比例充分混合。按照水灰比0.7的比例，将水泥、水加入水泥专用搅拌机中。对于每8kg的水泥，先慢搅6分钟，再中速搅拌6分钟，使得水泥和水充分搅拌融合，得到水泥浆；

步骤二：泡沫的生成，采用植物发泡剂发泡，在室温下将发泡剂稀释，发泡剂与水的质量比为1:40～50，发泡倍率800～1000，标准泡沫密度45～55kg/m

步骤三：泡沫轻质土的生成，即泡沫与水泥浆的混合。将水泥浆与气泡群混合，单位泡沫轻质土中所含泡沫的体积为60％～70％，水胶比在0.5～0.65范围内能制备出质量相对较轻的泡沫混凝土，搅拌转速为3000r/min。最终进行钙矾石基储能泡沫轻质土的浇筑、成型和养护。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。