一种轻质高强混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土的技术领域，更具体地说，它涉及一种轻质高强混凝土及其制备方法。

背景技术

轻质混凝土又称为泡沫混凝土，是指通过发泡剂的发泡系统将发泡剂利用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过泵送进行现浇施工或模具成型，通过合理的自然养护成型而成为一种内部含有大量封闭气孔的多孔性材料，具有轻质、不吸水、不燃性的新型建筑材料，可用作屋面保温隔热、地暖及地面垫层和外墙保温等。

目前，相关的轻质混凝土的制备方法例如公开号为CN113059697A的中国专利，公开了一种轻质泡沫混凝土的制备方法，包括S1、设备检查；S2、制作泡沫浆体；S3、拌制水泥浆；S4、混合处理；S5、浇筑处理等步骤。

针对上述中的相关技术，通过将泡沫浆和水泥浆混合后，水泥会进行水化反应，而当水化的需水量不足时会吸收泡沫中的水分，使泡沫破裂，从而导致封闭气泡的数量减少和混凝土均匀性的下降，造成轻质混凝土的强度降低。

发明内容

为了获得高强度的轻质混凝土，一种轻质高强混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种轻质高强混凝土，采用如下的技术方案：

一种轻质高强混凝土，包括如下重量份的原料：

硅酸盐水泥330-350份；

粉煤灰130-180份；

减水剂10-20份；

增强材料100-200份；

发泡剂1.7-3.5份；

拌和水165-175份；

所述发泡剂包括油酸钠15-30份、小麦蛋白2-10份、琼脂粉1-8份和十二烷基硫酸钠15-30份。

通过采用上述技术方案，将硅酸盐水泥、粉煤灰、减水剂、增强材料和拌和水经过混合后得到混凝土浆料，然后再与发泡剂经过机械发泡后形成的泡沫浆液进行混合，使制成轻质混凝土具有抗压强度高的优点；

油酸钠和十二烷基硫酸钠中均带有正构烃链，能够提高活性分子间的吸附力，琼脂粉具有良好的亲水性，能够与其他发泡剂原料具有良好的协同分散，小麦蛋白中的球状麦醇溶蛋白分子和纤维状的麦谷蛋白分子共同作用，提高泡沫延伸性和弹性；通过调整四者的配比，可以保护膜弹性不易被破坏，使液膜保持自修复作用，提高泡沫稳定性，水泥水化过程中，泡沫不易被强烈的向四周牵引、延展造成破裂的情况。

由于水泥水化过程中还会产生大量水化热，而泡沫容易随温度的升高而破裂，琼脂的加入能够增加泡沫的稳定性，在泡沫液膜温度升高的过程中，琼脂粉缓缓溶解使液膜中的水的粘度增大，减少泡沫的液膜出现破裂的情况，从而保证泡沫在混凝土浆料中的稳定性和分布均匀性，提高轻质混凝土的强度。

优选的，所述发泡剂包括如下重量份的原料：

油酸钠20-25份、小麦蛋白3-6份、琼脂粉2-4份和十二烷基硫酸钠20-25份。

通过采用上述技术方案，通过优化发泡剂中各原料的用量范围，使所制备的泡沫能够均匀且稳定的在混凝土浆料中分布，提高轻质混凝土的强度。

优选的，所述增强材料为碳纳米管。

通过采用上述技术方案，碳纳米管作为一维纳米材料，具有重量轻的优点，碳纳米管的加入，不易破坏轻质混凝土质量轻的优点，同时由于碳纳米管中的碳原子采取SP

并且发泡剂中的油酸钠和十二烷基硫酸钠均属于阴离子表面活性剂，能够通过憎水基团吸附在碳纳米管的表面，亲水基团间所带的相同电荷增加了碳纳米管之间的静电引力，从而提高碳纳米管的分散性。

优选的，所述碳纳米管为改性碳纳米管，所述改性碳纳米管的制备方法包括以下步骤：

A1：将0.6-1份的未改性碳纳米管加入到20mL甲苯中，常温下超声分散均匀，A2：加入0.3-0.5份的KH-560，超声混合，在90℃恒温反应5-7小时后，经离心分离、真空干燥7-9小时，得到改性碳纳米管。

通过采用上述技术方案，改性后的碳纳米管具有良好的分散性，使其能够均匀的分散在泡沫混凝土浆料中，同时改性碳纳米管的表面引入大量活性基团，使其能够与泡沫表面和混凝土原料之间具有良好的结合性，改性碳纳米管起到连接泡沫和混凝土其他原料的作用，增强轻质混凝土的抗压强度。

优选的，所述A1中还加入有硅藻土，所述硅藻土与碳纳米管的重量比为1：(2-3)。

通过采用上述技术方案，在改性碳纳米管的过程中的管壁被负载上硅藻土，在混凝土浆料在拌和过程中，硅藻土吸附一部分水分，而随着水泥水化过程中，体系中的水分减少，此时，硅藻土内的水分被水化吸收，减少水泥水化过程中需水量不足时，会吸收泡沫中的水分的情况，从而保证了泡沫的完整性以及水泥水化反应能够更加充分，使制成的轻质混凝土中具有大量均匀完整的泡孔，提高轻质混凝土的强度。

优选的，所述增强材料的长度为5-15nm。

通过采用上述技术方案，增强材料的长度在此范围内，能够更好的分散在混凝土原料中，起到连接泡沫浆和水泥浆的作用，降低了水泥水化时直接吸收泡沫液膜中的水分的情况，降低泡沫出现破裂的情况，从而提高轻质混凝土的强度。

优选的，所述减水剂为萘系减水剂。

通过采用上述技术方案，萘系减水剂能够轻质混凝土在水灰比较低的情况，能够使混凝土浆料和泡沫浆液充分均匀混合，并且萘系减水剂的加入有利于使水泥水化产物结构更加致密，提高轻质混凝土的早期强度。

第二方面，本申请提供一轻质高强混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

S1：将发泡剂与发泡用水按照1:100的重量比进行稀释后配置成发泡剂水溶液，通过发泡设备进行发泡形成泡沫浆液；

S2：将硅酸盐水泥、粉煤灰、减水剂、增强材料以及拌和水进行搅拌混合得到混凝土浆料；S3：将泡沫浆液加入混凝土浆料中充分搅拌，得到泡沫混凝土浆料；

S4：将泡沫混凝土浆料注入模具，养护后进行脱模，得到轻质混凝土。

通过采用上述技术方案，采用本申请的发泡剂制成的泡沫浆液与混凝土其他原料混合后，由于泡沫具有良好的稳定性和泡沫强度，并且分散在混凝土浆料中后具有良好的均匀性，不易发生破裂和溢出的现象，从而提高轻质混凝土的强度。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用油酸钠、小麦蛋白、琼脂粉和十二烷基硫酸钠协同作用进行发泡，保证泡沫在混凝土浆料中的稳定性和分布均匀性，提高轻质混凝土的强度。

2、本申请中优选采用碳纳米管，能够提高混凝土浆料的韧性，使泡沫浆液与混凝土浆料混合后，不易发生溢出的情况，从而起到增强轻质混凝土的抗压强度的效果。

3、本申请的方法，将泡沫浆液加入混凝土浆料中充分搅拌，得到泡沫混凝土浆料，将泡沫混凝土浆料注入模具，养护后进行脱模，得到抗压强度高的轻质混凝土。

具体实施方式

原料来源：

本申请实施例中的原料均为市售产品。

琼脂粉CAS：9002-18-0，分子量：336.337，平均粒径40nm；

油酸钠CAS：143-19-1

十二烷基硫酸钠CAS：151-21-3

KH-560为γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，CAS：2530-83-8；

碳纳米管CAS：308068-56-6；

硅酸盐水泥为42.5型号水泥。

制备例

制备例1-5

制备例1-5的一种发泡剂，其各原料及各原料用量如表1所示，其制备步骤如下：

按照表1中用量称量各原料，然后将各原料进行混匀，得到发泡剂。

表1制备例1-5的发泡剂各原料和用量表(kg)

制备例6-8

制备例6-8的一种改性碳纳米管，其各原料及各原料用量如表2所示，其包括以下步骤：A1：将未改性碳纳米管加入到20mL甲苯中，常温下超声分散均匀；

A2：加入KH-560，超声混合，在90℃恒温反应6小时后，经离心分离、真空干燥8小时，得到改性碳纳米管。

表2改性碳纳米管的原料用量(kg)

制备例9

一种改性碳纳米管，与制备例6的不同之处在于，A1中还加入有硅藻土，硅藻土与未改性的碳纳米管一同加入，硅藻土与碳纳米管的重量比为1:2.5，其余步骤均与制备例6相同。

制备例10

一种改性碳纳米管，与制备例9的不同之处在于，硅藻土与碳纳米管的重量比为1:2，其余步骤均与制备例9相同。

制备例11

一种改性碳纳米管，与制备例9的不同之处在于，硅藻土与碳纳米管的重量比为1:3，其余步骤均与制备例9相同。

制备例12

一种改性碳纳米管，与制备例9的不同之处在于，硅藻土与碳纳米管的重量比为1:0.5，其余步骤均与制备例9相同。

制备例13

一种改性碳纳米管，与制备例9的不同之处在于，硅藻土与碳纳米管的重量比为1:4，其余步骤均与制备例9相同。

对比制备例

对比制备例1

一种发泡剂，与制备例1的不同之处在于，油酸钠的用量为0kg。

对比制备例2

一种发泡剂，与制备例1的不同之处在于，小麦蛋白的用量为0kg。

对比制备例3

一种发泡剂，与制备例1的不同之处在于，琼脂粉的用量为0kg。

对比制备例4

一种发泡剂，与制备例1的不同之处在于，十二烷基硫酸钠的用量为0kg。

实施例

实施例1

一种轻质高强混凝土，包括如下质量份的原料：

硅酸盐水泥340kg；

粉煤灰150kg；

减水剂15kg；

增强材料150kg；

发泡剂2.6kg；

拌和水170kg。

其中，发泡剂由制备例1制备获得，减水剂为萘系减水剂，增强材料为碳纳米管，长度为10nm；

其制备方法包括以下步骤：

S1：将发泡剂与发泡用水按照1:100的重量比进行稀释后配置成发泡剂水溶液，通过发泡设备进行发泡形成泡沫浆液；

S2：将硅酸盐水泥、粉煤灰、减水剂、增强材料以及拌和水进行搅拌混合得到混凝土浆料；S3：将泡沫浆液加入混凝土浆料中充分搅拌，得到泡沫混凝土浆料；

S4：将泡沫混凝土浆料注入模具，养护28天后进行脱模，得到轻质混凝土。

实施例2-3

一种轻质高强混凝土，基于实施例1的基础上，其区别在于各原料用量不同。

实施例1-3各原料用量如表3所示。

表3实施例1-3的各原料用料表(kg)

实施例4-7

一种轻质高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，其添加的发泡剂依次来自制备例2-5，其余步骤均与实施例1相同。

实施例8

一种轻质高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，其添加的发泡剂用量为1.7kg，其余步骤均与实施例1相同。

实施例9

一种轻质高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，其添加的发泡剂用量为3.5kg，其余步骤均与实施例1相同。

实施例10

一种轻质高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，以等量的碳纤维替换碳纳米管，其余步骤均与实施例1相同。

实施例11-18

一种轻质高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，其增强材料采用改性碳纳米管依次由制备例6-13制备获得。

实施例19

一种轻质高强混凝土，与实施例14的不同之处在于，增强材料由制备例11制备获得，且增强材料的长度为5nm。

实施例20

一种轻质高强混凝土，与实施例14的不同之处在于，增强材料由制备例11制备获得，且增强材料的长度为15nm。

实施例21

一种轻质高强混凝土，与实施例19的不同之处在于，增强材料由制备例11制备获得，且增强材料的长度为2nm。

实施例22

一种轻质高强混凝土，与实施例19的不同之处在于，增强材料由制备例11制备获得，且增强材料的长度为20nm。

实施例23

一种轻质高强混凝土，与实施例19的不同之处在于，以等量的聚羧酸减水剂替换萘系减水剂。

对比例

对比例1-4

对比例1-4的轻质高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，发泡剂依次由对比制备例1-4制备获得。

对比例5

一种轻质高强混凝土，与实施例19的不同之处在于，以等量的市售的发泡剂替换本申请实施例19的发泡剂，市售的发泡剂为松香树脂发泡剂。

性能检测试验

测试包括：

对实施例1-23和对比例1-5的轻质混凝土按照GB/T29062-2012中规定的方法进行抗压强度测试，测试结果如表4。

表4实施例1-23和对比例1-5的轻质混凝土的测试结果

结合实施例1-3并结合表3可以看出，在实施例1的各原料用量配比下，轻质混凝土具有较好的抗压性能。

结合实施例1和实施例4-7并结合表3可以看出，实施例1较优于实施例4-7，说明通过改变发泡剂中各原料的配比对制成轻质混凝土会造成影响。

结合实施例1和对比例1-5并结合表4可以看出，实施例1的抗压强度优于对比例1-5，说明通过油酸钠、小麦蛋白、琼脂粉和十二烷基硫酸钠的协同作用，可以保护膜弹性不易被破坏，使液膜保持自修复作用，提高泡沫稳定性，水泥水化过程中，泡沫不易被强烈的向四周牵引、延展造成破裂的情况；

并且由于水泥水化过程中还会产生大量水化热，而泡沫容易随温度的升高而破裂，琼脂的加入能够增加泡沫的稳定性，在泡沫液膜温度升高的过程中，琼脂粉缓缓溶解使液膜中的水的粘度增大，减少泡沫的液膜出现破裂的情况，从而保证泡沫在混凝土浆料中的稳定性和分布均匀性，提高轻质混凝土的强度。

结合实施例1和实施例8-9并结合表2可以看出，实施例1较优于实施例8-9，采用制备例1制成的发泡剂在本申请实施例1的用量范围时，使轻质混凝土具有较高的抗压强度。

结合实施例1和实施例10可以看出，实施例1的抗压强度优于实施例10，说明本申请碳纳米管作为一维纳米材料，具有重量轻的优点，碳纳米管的加入，不易破坏轻质混凝土质量轻的优点，同时由于碳纳米管中的碳原子采取SP

并且发泡剂中的油酸钠和十二烷基硫酸钠均属于阴离子表面活性剂，能够通过憎水基团吸附在碳纳米管的表面，亲水基团间所带的相同电荷增加了碳纳米管之间的静电引力，从而提高碳纳米管的分散性。

结合实施例1和实施例11-13并结合表4可以看出，实施例11-13的抗压强度优于实施例1，说明增强材料采用改性碳纳米管时具有更好的抗压强度。

结合实施例11和实施例14-16并结合表4可以看出，实施例14-16的抗压强度优于实施例11，说明在改性碳纳米管过程中加入硅藻土，在改性碳纳米管的过程中的管壁被负载上硅藻土，在混凝土浆料在拌和过程中，硅藻土吸附一部分水分，而随着水泥水化过程中，体系中的水分减少，此时，硅藻土内的水分被水化吸收，减少水泥水化过程中需水量不足时，会吸收泡沫中的水分的情况，从而保证了泡沫的完整性以及水泥水化反应能够更加充分，使制成的轻质混凝土中具有大量均匀完整的泡孔，提高轻质混凝土的强度。

结合实施例14-18并结合表4可以看出，硅藻土与碳纳米管的重量比在1：(2-3)范围内，使制成的轻质混凝土具有更好的抗压强度。

结合实施例14和实施例19-22并结合表4可以看出，改性碳纳米管的长度在5-15nm范围内时，使制成的轻质混凝土具有更好的抗压强度。

结合实施例14和实施例23并结合表4可以看出，实施例14优于实施例23，说明本申请中采用萘系减水剂能够轻质混凝土在水灰比较低的情况，能够使混凝土浆料和泡沫浆液充分均匀混合，并且萘系减水剂的加入有利于使水泥水化产物结构更加致密，提高轻质混凝土的早期强度。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。