本發明涉及建筑材料技術領域，特別涉及一種低成本高強度泡沫混凝土及其制備方法。
背景技術：
隨著經濟與社會的高速發展，能源問題日益成為我國經濟發展的制約因素，能耗過大給資源與環境帶來了不小的壓力，而其中建筑能耗占我國總能耗的27％以上。外墻保溫是降低建筑能耗的有效手段，而泡沫混凝土作為外墻保溫材料，在建筑材料領域得到了廣泛關注。
泡沫混凝土是采用發泡劑制出泡沫，再將泡沫加入膠凝材料漿體，制成泡沫料漿，然后成型或現澆，經養護所形成的微孔輕質材料。泡沫混凝土由于密度小、吸水率低、保溫隔熱性能好等優勢逐漸成為了研究重點。泡沫混凝土由膠凝材料、發泡劑和水等基本組分組成，在此基礎上加入骨料、添加劑等。但現有的泡沫混凝土的成本較高，因此，需要使用低成本的原料來降低成本。
礦渣是鋼鐵冶煉過程中排出的廢渣，經過處理的礦渣具有較高的火山灰活性，在堿性環境下可以與水生成水硬性膠凝材料，將礦渣作為水泥的摻合料，不僅可以降低水泥成本，又改善了生態環境。中國專利cn102515664a公開了一種低成本超低密度泡沫混凝土，其主要成份為普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、磨細高爐礦渣粉、膨脹劑、填料、發泡劑及纖維。該種泡沫混凝土的密度小于200kg/m3，導熱系數小于0.058w/(m·k)，防火性能可以達到a級；但是該專利所用粉煤灰來源于燃煤電廠的廢料，在用電量較少的秋冬季節，其供應會出現短缺；填料與混凝土膠結材料的結合性不強；制品的強度比較低，使用場所受限。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種低成本高強度泡沫混凝土及其制備方法。本發明提供的低成本高強度泡沫混凝土成本低，輕集料與混凝土膠結材料的結合性強且制品的強度高。
本發明提供了一種低成本高強度泡沫混凝土，按質量含量計，由包括以下組分的原料制備得到：水泥20～30％，石膏20～30％，水10～15％，煤矸石10～20％，礦渣5～20％，輕集料0.5～30％，聚合物乳液0.5～10％，纖維0.2～5％，泡沫0.5～25％，減水劑0.05～2％。
優選的，所述煤矸石的粒徑為0.08～2mm。
優選的，所述煤矸石為未經煅燒的煤矸石。
優選的，所述礦渣的粒徑為0.08～2mm。
優選的，所述輕集料包括有機輕集料和無機輕集料中的一種或多種。
優選的，所述聚合物乳液的質量濃度為40～80％。
優選的，所述聚合物乳液中的聚合物包括丙烯酸酯、環氧樹脂、聚醋酸乙烯酯和硅烷中的一種或多種。
優選的，所述纖維的直徑為0.5～2mm，纖維的長度為5～50mm。
優選的，所述泡沫中泡沫劑的質量含量為0.5～10％。
本發明還提供了上述技術方案所述低成本高強度泡沫混凝土的制備方法，包括以下步驟：
將部分聚合物乳液與輕集料混合，得到混合物料；
將水泥、石膏、水、煤矸石、剩余聚合物乳液、礦渣和減水劑混合，得到漿料；
將所述漿料與纖維混合，得到纖維混合物；
將所述纖維混合物與混合物料混合，得到混凝土前驅體；
將所述混凝土前驅體與泡沫混合，得到泡沫混凝土前驅體；
將所述泡沫混凝土前驅體成型，得到低成本高強度泡沫混凝土。
本發明提供了一種低成本高強度泡沫混凝土，按質量含量計，由包括以下組分的原料制備得到：水泥20～30％，石膏20～30％，水10～15％，煤矸石10～20％，礦渣5～20％，輕集料0.5～30％，聚合物乳液0.5～10％，纖維0.2～5％，泡沫0.5～25％，減水劑0.05～2％。本發明以煤矸石和礦渣作為礦物摻合料，降低了成本，通過加入聚合物乳液來提高聚苯乙烯顆粒與混凝土之間的結合力，利用石膏和纖維的增強作用，通過控制各組分的含量，得到的低成本高強度泡沫混凝土成本低且強度高，輕集料與混凝土膠結材料的結合性強。實驗結果表明，本發明提供的低成本高強度泡沫混凝土7天抗壓強度為1.12mpa。
并且，本發明提供的低成本高強度泡沫混凝土密度低，保溫和防火性能好，耐水性好。實驗結果表明，本發明提供的低成本高強度泡沫混凝土導熱系數為0.05w/(m·k)，干表觀密度為221kg/m3，燃燒性能可達到a級不燃性，吸水率為1.09％。
具體實施方式
本發明提供了一種低成本高強度泡沫混凝土，按質量含量計，由包括以下組分的原料制備得到：水泥20～30％，石膏20～30％，水10～15％，煤矸石10～20％，礦渣5～20％，輕集料0.5～30％，聚合物乳液0.5～10％，纖維0.2～5％，泡沫0.5～25％，減水劑0.05～2％。
在本發明中，制備低成本高強度泡沫混凝土的原料包括質量含量為10～15％的水，優選為12～14％。
在本發明中，制備低成本高強度泡沫混凝土的原料包括質量含量為20～30％的水泥，優選為22～28％，更優選為24～26％。在本發明中，所述水泥優選包括硅酸鹽水泥、鋁酸鈣水泥和膨脹水泥中的一種或多種。在本發明中，所述水泥作為膠凝材料，可通過水化反應與水生成堅硬的非水溶性物質。
在本發明中，制備低成本高強度泡沫混凝土的原料包括質量含量為20～30％的石膏，優選為22～28％，更優選為24～26％。在本發明中，所述石膏優選為半水合硫酸鈣(熟石膏)，更優選包括α或β晶型的半水合硫酸鈣。在本發明中，所述石膏與水混合后快速固化生成堅硬的二水合硫酸鈣(生石膏)。
在本發明中，所述水泥和石膏的質量比優選為(1～3):(3～1)，更優選為(1.5～2.5):(2.5～1.5)。在本發明中，所述水泥與石膏均為膠凝材料，水泥較好的耐水性、耐久性和機械強度與石膏快速的固化能力、較高的早期強度、較好的耐火及保溫性能相結合可以得到優異的膠凝體系。
在本發明中，制備低成本高強度泡沫混凝土的原料包括質量含量為10～20％的煤矸石，優選為12～18％，更優選為14～16％。在本發明中，所述煤矸石的粒徑優選為0.08～2mm，更優選為0.1～1.5mm，最優選為0.5～1mm。在本發明中，所述煤矸石優選為未經煅燒的煤矸石。在本發明中，所述煤矸石作為體系填料，能夠提高混凝土的強度，同時降低成本。在本發明中，所述未經煅燒的煤矸石能夠進一步降低成本。
在本發明中，制備低成本高強度泡沫混凝土的原料包括質量含量為5～20％的礦渣，優選為10～15％。在本發明中，所述礦渣的粒徑優選為0.08～2mm，更優選為0.1～1.5mm，最優選為0.5～1mm。在本發明中，所述礦渣作為輔助膠凝材料，在有水的環境中，能夠與cao反應形成水硬性固體。
在本發明中，制備低成本高強度泡沫混凝土的原料包括質量含量為0.5～30％的輕集料，優選為1～25％，更優選為5～20％，最優選為10～15％。在本發明中，所述輕集料的導熱系數優選不高于0.1w/(m·k)，更優選為0.2～0.8w/(m·k)，最優選為0.4～0.6w/(m·k)；所述輕集料的密度優選不高于300kg/m3，更優選為50～200kg/m3，最優選為100～150kg/m3。
在本發明中，所述輕集料優選包括有機輕集料和無機輕集料中的一種或多種；所述有機輕集料優選包括可發性聚苯乙烯顆粒；所述無機輕集料優選包括膨脹珍珠巖。在本發明中，所述可發性聚苯乙烯顆粒的粒徑優選為0.2～5mm，更優選為0.5～4mm，最優選為1～3mm；所述可發性聚苯乙烯顆粒的密度優選為1.6～80kg/m3，更優選為5～60kg/m3，最優選為20～40kg/m3。在本發明中，所述膨脹珍珠巖的粒徑優選為0.1～5mm，更優選為0.5～4mm，最優選為1～3mm；所述膨脹珍珠巖的密度優選為16～160kg/m3，更優選為30～120kg/m3，最優選為50～90kg/m3。在本發明中，所述輕集料作為體系填充料，不僅能夠降低體系容重也能夠提高體系的保溫性能。
在本發明中，制備低成本高強度泡沫混凝土的原料包括質量含量為0.5～10％的聚合物乳液，優選為1～8％，更優選為4～6％。在本發明中，所述聚合物乳液的質量濃度優選為40～80％，更優選為50～70％，最優選為55～65％。在本發明中，所述聚合物乳液中的溶劑優選為水。在本發明中，所述聚合物乳液中的聚合物優選包括丙烯酸酯、環氧樹脂、聚醋酸乙烯酯和硅烷中的一種或多種。在本發明中，所述聚合物乳液作為有機粘結劑可以提高輕集料和膠凝材料之間的粘合力和相容性，水分蒸發完后形成的憎水性聚合物干薄膜層也有利于提高膠凝材料尤其是石膏的耐水性。
在本發明中，在所述聚合物乳液的上述含量范圍內，隨著聚合物乳液含量的增加，聚合物逐漸形成連續的膜狀物，將輕集料與膠凝材料橋聯成整體，輕集料與膠凝材料界面之間及膠凝材料內部的孔洞數量均不斷減少，輕集料與膠凝材料間的結合更為緊密。在本發明中，當所述輕集料為有機輕集料時，聚合物乳液對有機輕集料的表面改性可以進一步提高有機輕集料與膠凝材料之間的結合力：所述聚合物乳液的極性基團與非極性的有機輕集料混合時，聚合物分子鏈中的非極性基團會與有機輕集料的非極性表面之間通過范德華力相互吸引，而極性基團會在有機輕集料表面形成定向排列，將憎水的有機輕集料改變為親水性；將改性后的有機輕集料加入混凝土膠凝材料中之后，有機輕集料表面吸附的極性基團與極性的膠凝材料相互作用，表現為有機輕集料極易被膠凝材料潤濕，兩者之間的結合力大大提高。在本發明中，所述輕集料與膠凝材料之間界面結合力的改善，有利于提高泡沫混凝土產品的強度。
在本發明中，制備低成本高強度泡沫混凝土的原料包括質量含量為0.2～5％的纖維，優選為0.5～4％，更優選為1～3％。在本發明中，所述纖維的直徑優選為0.5～2mm，更優選為1～1.5mm；所述纖維的長度優選為5～50mm，更優選為10～40mm，最優選為20～30mm。本發明對所述纖維的種類沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的增強纖維即可。在本發明中，所述纖維優選為無機玻璃纖維、聚酯纖維和聚丙烯纖維中的一種或多種。在本發明中，所述纖維作為體系增強材料能夠提高混凝土的強度。
在本發明中，制備低成本高強度泡沫混凝土的原料包括質量含量為0.5～25％的泡沫，優選為1～20％，更優選為5～15％。在本發明中，所述泡沫中泡沫劑的質量含量優選為0.5～10％，更優選為1～8％，最優選為3～5％。在本發明中，所述泡沫劑優選包括陰離子型表面活性劑類泡沫劑和蛋白類泡沫劑中的一種或多種；所述陰離子型表面活性劑類泡沫劑優選包括十二烷基苯磺酸鈉和/或十二烷基硫酸鈉；所述蛋白類泡沫劑優選包括動物蹄角泡沫劑和/或動物毛泡沫劑。在本發明中，當所述泡沫劑包括陰離子型表面活性劑類泡沫劑和蛋白類泡沫劑時，所述泡沫劑中陰離子型表面活性劑類泡沫劑和蛋白類泡沫劑的質量比優選為(20～80％):(80～20％)，更優選為(40～60％):(60～40％)。
在本發明中，制備低成本高強度泡沫混凝土的原料包括質量含量為0.05～2％的減水劑，優選為0.1～1.5％，更優選為0.5～1％。本發明對所述減水劑的種類沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的混凝土用減水劑即可。在本發明中，所述減水劑優選為聚羧酸類減水劑。
本發明還提供了上述技術方案所述低成本高強度泡沫混凝土的制備方法，包括以下步驟：
將部分聚合物乳液與輕集料混合，得到混合物料；
將水泥、石膏、水、煤矸石、剩余聚合物乳液、礦渣和減水劑混合，得到漿料；
將所述漿料與纖維混合，得到纖維混合物；
將所述纖維混合物與混合物料混合，得到混凝土前驅體；
將所述混凝土前驅體與泡沫混合，得到泡沫混凝土前驅體；
將所述泡沫混凝土前驅體成型，得到低成本高強度泡沫混凝土。
本發明將部分聚合物乳液與輕集料混合，得到混合物料。在本發明中，所述部分聚合物乳液的質量優選為聚合物乳液總質量的40～60％，更優選為45～55％。本發明對所述部分聚合物乳液與輕集料混合的操作沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的制備混合物料的方法即可。在本發明中，所述部分聚合物乳液與輕集料的混合優選在攪拌條件下進行；所述攪拌的速率優選為200～300r/min，更優選為220～280r/min，最優選為240～260r/min；所述攪拌的時間優選為2～6min，更優選為3～5min。在本發明中，所述部分聚合物乳液與輕集料的混合可以緩解輕集料因質量較輕而在攪拌過程中出現的上浮問題，也能夠提高輕集料與體系之間的相容性。
本發明將水泥、石膏、水、煤矸石、剩余聚合物乳液、礦渣和減水劑混合，得到漿料。本發明對所述水泥、石膏、水、煤矸石、剩余聚合物乳液、礦渣和減水劑的混合的操作沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的制備混合物料的技術方案即可。在本發明中，所述水泥、石膏、水、煤矸石、剩余聚合物乳液、礦渣和減水劑的混合優選在攪拌條件下進行；所述攪拌的速率優選為200～300r/min，更優選為220～280r/min，最優選為240～260r/min；所述攪拌的時間優選為2～6min，更優選為3～5min。
得到漿料后，本發明將所述漿料與纖維混合，得到纖維混合物。本發明對所述漿料與纖維的混合的操作沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的制備纖維混合物的技術方案即可。在本發明中，所述漿料與纖維的混合優選在攪拌條件下進行；所述攪拌的速率優選為200～300r/min，更優選為220～280r/min，最優選為240～260r/min；所述攪拌的時間優選為2～6min，更優選為3～5min。
得到纖維混合物后，本發明得到纖維混合物將所述纖維混合物與混合物料混合，得到混凝土前驅體。在本發明中，所述纖維混合物與混合物料的混合優選在攪拌條件下進行；所述攪拌的速率優選為200～300r/min，更優選為220～280r/min，最優選為240～260r/min；所述攪拌的時間優選為2～6min，更優選為3～5min。
得到混凝土前驅體后，本發明將所述混凝土前驅體與泡沫混合，得到泡沫混凝土前驅體。在本發明中，所述混凝土前驅體與泡沫的混合優選在攪拌條件下進行；所述攪拌的速率優選為200～300r/min，更優選為220～280r/min，最優選為240～260r/min；所述攪拌的時間優選為2～6min，更優選為3～5min。
本發明對所述泡沫的制備的操作沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的制備泡沫的技術方案即可。在本發明中，所述泡沫的制備優選為：將泡沫劑與水混合，高速分散攪拌得到泡沫。在本發明中，所述高速分散攪拌的速率優選為2000～3000r/min，更優選為2200～2800r/min，最優選為2400～2600r/min；所述高速分散攪拌的時間優選為3～5min，更優選為4min。
得到泡沫混凝土前驅體后，本發明將所述泡沫混凝土前驅體成型，得到低成本高強度泡沫混凝土。在本發明中，所述成型優選為通過振動成型。在本發明中所述振動的頻率優選為46～53hz，更優選為48～51hz；所述振動的時間優選為5～30s，更優選為7～28s，最優選為9～26s。在本發明中，所述振動的容器優選為模具。在本發明中，所屬振動的裝置優選為水泥膠砂振動臺。
振動完成后，本發明優選將所述振動后的產物進行靜置后脫模，然后養護得到低成本高強度泡沫混凝土。在本發明中，所述靜置的溫度優選為室溫；所述靜置的時間優選為22～26h，更優選為24h。
在本發明中，所述養護的溫度優選為19～22℃，更優選為20～21℃；所述養護的濕度優選為95～99％，更優選為96～98％；所述養護的時間優選為6～8天，更優選為7天。
為了進一步說明本發明，下面結合實施例對本發明提供的低成本高強度泡沫混凝土及其制備方法進行詳細地描述，但不能將它們理解為對本發明保護范圍的限定。
實施例1:
一種低成本高強度泡沫混凝土，它是由水、硅酸鹽水泥、半水合硫酸鈣、煤矸石、聚苯乙烯顆粒、丙烯酸乳液、磨細高爐粒化礦渣、玻璃纖維、泡沫和減水劑混合而成。
泡沫各組分質量比為：
泡沫劑0.5％
水99.5％
低成本高強度泡沫混凝土，各組分的質量比為：
泡沫5.6％
硅酸鹽水泥20％
半水合硫酸鈣20％
煤矸石20％
聚苯乙烯顆粒4％
丙烯酸乳液6.8％
磨細高爐粒化礦渣10％
玻璃纖維2.4％
減水劑0.2％
水11％
制備方法:
1)將所述質量份數的泡沫劑及水混合均勻后，使用高速分散機攪拌5min,制備出泡沫備用，其中，高速分散機轉速為3000r/min；
2)將所述質量份數1/2的聚合物乳液與所述質量份數的輕集料以300r/min攪拌6min后備用；
3)將所述質量份數的水、水泥、石膏、煤矸石、剩余1/2質量份數的聚合物乳液、礦渣及減水劑加入攪拌機中以300r/min攪拌6min，得到均勻的混凝土漿料；
4)將所述質量份數的纖維加入所述攪拌機中以300r/min攪拌6min，得到均勻的混凝土漿料；
5)將步驟2)中所述聚合物乳液與輕集料的混合物加入所述攪拌機中以300r/min攪拌6min，得到均勻的混凝土漿料；
6)將備用的泡沫加入混凝土漿料中以300r/min攪拌6min，得到均勻的混凝土漿料；
7)將步驟6)中所述混合物注入模具中，將裝有所述混合物的模具置于水泥膠砂振動臺上以53hz頻率振動7s成型，使用鏝刀將模具表面砂漿抹平，室溫下靜養24小時，脫模；
8)將步驟7)中脫模后的混凝土成型試塊放入混凝土養護箱中，在溫度20℃、濕度99％條件下養護7天。
經測試，所得制品的導熱系數為0.05w/(m·k)，燃燒性能達a級不燃性，干表觀密度為216kg/m3，7天抗壓強度為1.02mpa，吸水率為1.04％。
實施例2:
一種低成本高強度泡沫混凝土，它是由水、硅酸鹽水泥、半水合硫酸鈣、煤矸石、聚苯乙烯顆粒、丙烯酸乳液、磨細高爐粒化礦渣、玻璃纖維、泡沫和減水劑混合而成。
泡沫各組分質量比為：
泡沫劑0.5％
水99.5％
低成本高強度泡沫混凝土，各組分的質量比為：
泡沫5.6％
硅酸鹽水泥20％
半水合硫酸鈣20％
煤矸石15％
聚苯乙烯顆粒4％
丙烯酸乳液6.8％
磨細高爐粒化礦渣15％
玻璃纖維2.4％
減水劑0.2％
水11％
制備方法同實施例1。
經測試，所得制品的導熱系數為0.05w/(m·k)，燃燒性能達a級不燃性，干表觀密度為221kg/m3，7天抗壓強度為1.12mpa，吸水率為1.09％。
實施例3:
一種低成本高強度泡沫混凝土，它是由水、硅酸鹽水泥、半水合硫酸鈣、煤矸石、聚苯乙烯顆粒、丙烯酸乳液、磨細高爐粒化礦渣、玻璃纖維、泡沫和減水劑混合而成。
泡沫各組分質量比為：
泡沫劑0.5％
水99.5％
低成本高強度泡沫混凝土，各組分的質量比為：
泡沫5.6％
硅酸鹽水泥20％
半水合硫酸鈣20％
煤矸石10％
聚苯乙烯顆粒4％
丙烯酸乳液6.8％
磨細高爐粒化礦渣20％
玻璃纖維2.4％
減水劑0.2％
水11％
制備方法同實施例1。
經測試，所得制品的導熱系數為0.05w/(m·k)，燃燒性能達a級不燃性，干表觀密度為225kg/m3，7天抗壓強度為1.23mpa，吸水率為1.15％。
實施例4:
一種輕質保溫防火泡沫混凝土，它是由水、硅酸鹽水泥、半水合硫酸鈣、煤矸石、聚苯乙烯顆粒、丙烯酸乳液、磨細高爐粒化礦渣、玻璃纖維、泡沫和減水劑混合而成。
泡沫各組分質量比為：
泡沫劑0.5％
水99.5％
低成本高強度泡沫混凝土，各組分的質量比為：
泡沫5.6％
硅酸鹽水泥30％
半水合硫酸鈣10％
煤矸石15％
聚苯乙烯顆粒4％
丙烯酸乳液6.8％
磨細高爐粒化礦渣15％
玻璃纖維2.4％
減水劑0.2％
水11％
制備方法同實施例1。
經測試，所得制品的導熱系數為0.06w/(m·k)，燃燒性能為a級不燃性，干表觀密度為230kg/m3，7天抗壓強度為1.25mpa，吸水率為0.78％。
由以上實施例可以看出，本發明提供的低成本高強度泡沫混凝土的制備成本低且強度高，輕集料與混凝土膠結材料的結合性強，并且密度低，保溫及防火性能好，耐水性好。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，并非對本發明作任何形式上的限制。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。