一种硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料及其制备方法

1.本发明涉及建筑节能材料领域，特别是涉及一种硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着世界经济的发展和人口增长，能源供应日益紧张，有关部门的统计数据显示，在各国的能源消耗比例中，建筑能耗都占有很高的比重，最高甚至可以达到40％。各国已经意识到降低建筑能耗对节约能源的重大意义，开发出适合我国国情的高效保温隔热材料对于降低建筑能耗、保持我国国民经济的持续高速发展具有极其重要的意义。
3.目前，我国的墙体保温隔热材料主要有有机和无机两大类，其中，有机保温材料，如 xps和eps，具有容重小、保温效果优良、成本低廉等优点，但是易燃性是其致命的缺点，因此无机不燃保温隔热材料日益受到关注。
4.无机不燃保温隔热材料有很多种，从胶凝胶材料来看，大致上分为水泥基、石膏基等几种；从降低材料密度的手段上看，主要有掺加轻质骨料及利用引气法等。目前，虽然单独掺加轻质骨料或者仅采用引气法来降低材料的密度，确实可以获得干密度比较小，导热系数很小的的保温隔热材料，但是，由于一味的追求低干密度，而往往忽视了保温材料的强度及耐久性等性能，造成材料的服役期极短，不仅极大地浪费国家的资源，更是可以带来许多不安全的因素。
5.目前，单独掺加轻质骨料制备的无机保温隔热墙体材料，由于受材料本身密度的限制，最佳产品的导热系数还是较高，但是强度很高；而采用引气法制备的无机保温隔热墙体材料却可以轻易达到比较低密度，但是其孔隙率较高，往往造成其强度很低，无法满足实际生产和使用要求。在这种情况下，开发出密度低且强度高的无机保温隔热材料对于保温隔热材料的广泛应用及对国家节能减排政策的落实具有重大意义。


技术实现要素：

6.基于此，本发明的目的在于，提供一种硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料及其制备方法，本发明综合利用物理和化学引气法的优点，并掺加适量的轻质保温隔热骨料制备了低密度、高强度的轻质保温隔热墙体材料。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料，包括以下质量百分比的原料：
[0009][0010]
本发明所述的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料，以水泥作为主要胶凝材料，掺入硅灰、粉煤灰、偏高岭土这些辅助胶凝材料，一方面硅灰的体积密度远小于水泥，适当的掺入可以降低材料的密度，提高保温隔热性能；另一方面辅助胶凝材料具有火山灰效应，可以提高后期强度，改善材料的耐久性；而且粉煤灰的“滚珠”效应还可以改善制备过程中的工作性。此外，有效地利用这些工业废弃物可以降低材料成本，也利于节能环保。生石灰遇水会产生一定的微膨胀效应，可以下一定程度上补偿材料由于水化产生的收缩。更重要的是，生石灰可以为化学发泡剂提供碱，保证发泡的顺利进行，同时煅烧菱镁矿中氧化镁可以调整生石灰的放热速率，改善发泡的稳定性。减水剂使胶凝材料颗粒分散，改善和易性，降低用水量；憎水剂为一种表面活性剂，可以通过物理或化学作用吸附在轻质骨料或其它物质上，降低表面张力，增大水对材料的接触角而达到憎水目的，降低保温材料的吸水率可以提高保温隔热性能及耐久性；纤维素醚具有保水、增稠的作用，可以改善工作性并保证胶凝材料水化用水，提高强度；纤维在多气泡的浆体中形成无规则的支撑结构起保护泡沫作用，泡沫与料浆混合搅拌时，破裂较少，料浆稳定性提高，不仅可以降低材料密度，又能节省泡沫用量；同时纤维还可以使孔结构得到改善，孔径减小，孔形更圆；纤维还具有阻碍微裂纹扩展的作用，提高材料的抗裂性和耐久性。掺入一定量的轻质骨料一方面可以替代水泥等胶凝材料来降低材料的密度，另一方面轻质骨料为孔结构提供“骨架”结构，可以提高最终产品的强度。本发明的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料通过表面活性剂类发泡剂、化学发泡剂这两种发泡剂在与其他组分的配合使用下，使得本发明的所述的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的结构更均匀，孔结构得到很大改善，孔径大小搭配合理，孔隙率更高，比导热系数更低、比强度更高，即同等密度材料的导热系数更低、强度更高，同时还具有收缩小、吸水率小、软化系数高等优点。
[0011]
进一步地，所述水泥为42.5等级普通硅酸盐水泥和42.5等级硫铝酸盐水泥的混合物。本发明利用普通硅酸水泥的高强度和硫铝酸盐水泥的快硬来保证发泡剂产生气泡的稳定性，最大程度地减少气泡的损失率。一般情况下，产生的大量的气泡在浆体中处于一种气—液—固三相的不稳定状态，而气泡最终要经过浆体的凝结、硬化进而变成一定形状和大小的气孔，从胶凝材料角度考虑，在这一过程中，胶凝材料的早强、速凝可以为气泡的存在提供支持，反之，气泡会由于无法支撑浆体的挤压而合并、消失，甚至塌模而无法浇筑成型。
[0012]
进一步地，所述轻质骨料为玻化微珠或膨胀珍珠岩的一种，所述轻质骨料的吸水率为 20％～80％，堆积密度为90～130kg/m3，粒径为0.2～2.0mm。所述玻化微珠或所述膨胀珍珠岩具有良好的孔结构，提供“骨架”支撑作用。
[0013]
进一步地，所述粉煤灰为燃煤电厂的ⅰ级或ⅱ级粉煤灰中的一种或两种的混合物。
[0014]
进一步地，所述硅灰符合gb\t21236-2007，所述硅灰中sio2质量分数含量＞93％。
[0015]
进一步地，所述偏高岭土由高岭土在850℃煅烧2h后在空气中自然冷却制备而成的，所述偏高岭土中al2o3含量大于40％，sio2含量大于50％。
[0016]
进一步地，所述生石灰中cao质量分数含量为75％～85％。
[0017]
进一步地，所述煅烧菱镁矿中mgo含量为70％～95％，所述煅烧菱镁矿的煅烧温度为 500-800℃。
[0018]
进一步地，所述减水剂为萘系减水剂或聚羧酸减水剂中的一种。
[0019]
进一步地，所述憎水剂为石蜡或有机硅中的一种。
[0020]
进一步地，所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚(hpmc)或羟乙基甲基纤维素醚(hemc) 中的一种，粘度范围为50000～100000mpa
·
s。所述纤维素醚优选为可再分散性粉状。
[0021]
进一步地，所述纤维为聚丙烯纤维或木质素纤维中的一种；所述纤维的长度范围为 2mm～5mm。
[0022]
进一步地，所述表面活性剂类发泡剂为自制zk型蛋白类发泡剂或十二烷基硫磺酸钠中的一种或两种。所述自制zk型蛋白类发泡剂为质量比为松香：明胶：氢氧化钾或氢氧化钠：水＝1：(0.4～0.8)：(3～8)：(10～20)，在温度为60～90℃下反应2～5h后过滤去除固体颗粒而获得，反应过程中持续搅拌，搅拌速率为150～250r/min。
[0023]
进一步地，所述化学发泡剂为铝粉，细度为100～200目。
[0024]
一种上述任一所述的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的制备方法，利用复合引气法制备，包括以下步骤：
[0025]
(1)凝胶材料预处理：
[0026]
按配比将水泥和粉煤灰混合均匀，在80
±
5℃下烘干2h，用球磨机粉磨至比表面积为 3800～4500cm2/g；待用；
[0027]
按配比将硅灰、偏高岭土混合均匀，在80
±
5℃下烘2h，用研钵磨细，过200目筛；
[0028]
以处理后的水泥和粉煤灰、硅灰和偏高岭土作为凝胶材料待用；
[0029]
(2)轻质骨料预处理：
[0030]
将轻质骨料于105℃下烘干24h，分别用2.36mm、1.18mm、0.6mm的标准筛用振动摇筛机过筛20min，直至每分钟通过量不超过试样总量的0.1％剂；取每号筛的筛余轻质骨料
混合均匀作为试验使用轻质骨料；
[0031]
(3)化学引气剂预处理：
[0032]
按配比将化学发泡剂、减水剂、生石灰、煅烧菱镁矿混合均匀，用研钵磨细20min，研磨过程中不能遇水，研磨后作为化学引气剂密封待用；
[0033]
(4)混合成型：
[0034]
按配比依次将预处理后的凝胶材料、轻质骨料及化学引气剂、纤维素醚、憎水剂、表面活性剂类发泡剂、纤维加入水中，搅拌3～5min，得到均匀分散的砂浆，成型，放在恒温、恒湿的环境中养护，得到所述硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料。
[0035]
轻质骨料预处理中，针对轻质骨料的粒径大小分布不均匀，先对轻质骨料进行筛分，以保证所用轻质骨料级配合理。化学引气剂预处理中，为保证铝粉与碱的充分反应，预先将铝粉在减水剂的分散作用下，与生石灰和煅烧菱镁矿进行充分研磨混合。
[0036]
进一步地，放在所述恒温为20℃、所述恒湿rh≥95％的环境中养护至28d。
[0037]
进一步地，凝胶材料预处理中，水泥、粉煤灰按质量比(6～7)：1混合均匀，硅灰、偏高岭土按质量比1：(1～1.2)混合均匀；化学引气剂预处理中，化学发泡剂、减水剂、生石灰、煅烧菱镁矿按质量比1：(1～6)：(10～70)：(5～10)混合均匀。
[0038]
本发明所述的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的制备方法最大的特点是利用物理引气法(即表面活性剂类发泡剂通过搅拌产生气泡)和化学引气法(即化学发泡剂通过化学反应产生气泡)复合引气来优化材料的结构，并掺入一定的轻质骨料为结构提供“骨架”支撑作用，通过不同的引气方法获得不同孔径的孔，使得材料的亚微观、微观结构更加合理，获得保温效果良好，强度高、成本合理的无机不燃轻质保温隔热墙体材料。
[0039]
与传统单一降低密度方法生产的轻质保温隔热墙体材料相比，本发明综合利用物理法 (即通过表面活性剂类发泡剂与空气的搅拌产生气泡)和化学反应法(化学发泡剂通过化学反应产生气泡)向浆体中引入气体。目前，物理搅拌法产生气泡是多孔材料引气的主要方法，气泡大小一般在200μm左右，但是产生气泡的形状、大小及稳定性受到引气剂性能及实际操作的限制，最终产品的性能往往与原始设计有较大差距。铝粉或其他化学气泡剂通过化学反应产生气体的方法很早就应用到加气混凝土等轻质建筑材料上，这一方法产生的气孔孔径一般在500μm左右，且气孔在材料中分布均匀，气孔的形状、大小等比较易于控制，但产生的气孔数量远低于物理法。本发明综合利用两种方法可以优化材料的结构，从而获得性能优良的保温隔热材料，并且通过适当的化学引气法来降低成本较高的表面活性剂类发泡剂的加入量，可以降低材料的成本。
[0040]
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
[0041]
1.采用复合引气法制备的隔热保温墙体材料结构更均匀，孔结构得到很大改善，孔径大小搭配合理，孔隙率更高。加入轻质骨料为多孔结构提供“骨架”支撑作用，所制备材料的比导热系数更低、比强度更高，即同等密度材料的导热系数更低、强度更高，收缩小、吸水率小、软化系数高等优点，具有较好的应用前景和市场竞争力。
[0042]
2.较大量地使用粉煤灰、硅灰等工业废弃物，降低了材料的制备成本。
[0043]
3.目前，表面活性剂类发泡剂，尤其是第五代蛋白类发泡剂价格较高，利用技术成熟、成本相对较低的化学发泡剂复合发泡，可以降低材料的生产成本。
[0044]
4.本发明的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的制备方法包括原料预处理、浆体的
均匀搅拌和最终产品的制备步骤，本发明对于降低建筑能耗、创造舒适的生存环境具有重要的意义，同时提供的高性能、超轻质保温隔热墙体材料具备制备简单、生产周期短、低成本的优势，经济效益显著。
附图说明
[0045]
图1为本发明实施例1的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的气孔示意图；
[0046]
图2为本发明实施例2的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的气孔示意图；
[0047]
图3为本发明实施例3的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的气孔示意图；
[0048]
图4为本发明实施例4的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的气孔示意图；
[0049]
图5为本发明实施例5的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的气孔示意图；
[0050]
图6为本发明实施例6的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的气孔示意图；
[0051]
图7为实施例7的传统无机保温隔热墙体材料的气孔示意图。
具体实施方式
[0052]
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不仅仅局限于下面的实施例。
[0053]
在下列实施例中：
[0054]
所述水泥为42.5等级普通硅酸盐水泥和42.5等级硫铝酸盐水泥的混合物。
[0055]
所述轻质骨料为玻化微珠或膨胀珍珠岩的一种，所述轻质骨料的吸水率为20％～80％，堆积密度为90～130kg/m3，粒径为0.2～2.0mm。
[0056]
所述粉煤灰为燃煤电厂的ⅰ级或ⅱ级粉煤灰中的一种或两种的混合物。
[0057]
所述硅灰符合gb\t21236-2007，所述硅灰中sio2质量分数含量＞93％。
[0058]
所述偏高岭土由高岭土在850℃煅烧2h后在空气中自然冷却制备而成的，所述偏高岭土中al2o3含量大于40％，sio2含量大于50％。
[0059]
所述生石灰为市售产品，所述生石灰中cao质量分数含量为75％～85％。
[0060]
所述煅烧菱镁矿为市售产品，所述煅烧菱镁矿中mgo含量为70％～95％，所述煅烧菱镁矿的煅烧温度为500-800℃。
[0061]
所述减水剂为萘系减水剂或聚羧酸减水剂中的一种。
[0062]
所述憎水剂为石蜡或有机硅中的一种。
[0063]
所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚(hpmc)或羟乙基甲基纤维素醚(hemc)中的一种，粘度范围为50000～100000mpa
·
s。所述纤维素醚优选为可再分散性粉状。
[0064]
所述纤维为聚丙烯纤维或木质素纤维中的一种；所述纤维的长度范围为2mm～5mm。
[0065]
所述表面活性剂类发泡剂为zk型蛋白类发泡剂或十二烷基硫磺酸钠中的一种或两种。所述zk型蛋白类发泡剂为自制，由质量比为松香：明胶：氢氧化钾或氢氧化钠：水＝1： (0.4～0.8)：(3～8)：(10～20)，在温度为60～90℃下反应2～5h后过滤去除固体颗粒而获得，反应过程中持续搅拌，搅拌速率为150～250r/min，其中松香和明胶均为市售产品。
[0066]
所述化学发泡剂为铝粉，细度为100～200目。
[0067]
实施例1
[0068]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料按照下述质量百分比配制：水泥22％
(硫铝酸盐水泥占水泥总重量的25％)、玻化微珠10％、硅灰3％、偏高岭土4％、粉煤灰4％、生石灰5％、煅烧菱镁矿2％、聚羧酸减水剂0.2％、有机硅0.4％、100000mpa
·
s的hpmc 0.2％、聚丙烯纤维0.2％、zk型蛋白类发泡剂1.1％、铝粉0.2％、水47.7％。
[0069]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的制备方法如下：
[0070]
(1)凝胶材料预处理：
[0071]
按配比将水泥和粉煤灰混合均匀，在80
±
5℃下烘干2h，用球磨机粉磨至比表面积为 3800～4500cm2/g；待用；
[0072]
按配比将硅灰、偏高岭土混合均匀，在80
±
5℃下烘2h，用研钵磨细，过200目筛；
[0073]
以处理后的水泥和粉煤灰、硅灰和偏高岭土作为凝胶材料待用；
[0074]
(2)轻质骨料预处理：
[0075]
针对轻质骨料的粒径大小分布不均匀，先对轻质骨料进行筛分，以保证所用轻质骨料级配合理。
[0076]
将轻质骨料即玻化微珠于105℃下烘干24h，分别用2.36mm、1.18mm、0.6mm的标准筛用振动摇筛机过筛20min，直至每分钟通过量不超过试样总量的0.1％；取每号筛的筛余玻化微珠混合均匀作为试验使用轻质骨料；
[0077]
(3)化学引气剂预处理：
[0078]
为保证铝粉与碱的充分反应，预先将铝粉在减水剂的分散作用下，与生石灰和煅烧菱镁矿进行充分研磨混合。按配比将铝粉、聚羧酸减水剂、生石灰、煅烧菱镁矿混合均匀，用研钵磨细20min，研磨过程中不能遇水，研磨后作为化学引气剂密封待用；
[0079]
(4)混合成型：
[0080]
按配比依次将预处理后的凝胶材料、轻质骨料及化学引气剂、hpmc、有机硅、zk型蛋白类发泡剂、聚丙烯纤维加入水中，搅拌3～5min，得到均匀、无大块颗粒或结团现象的砂浆，成型，放在恒温(20℃)、恒湿(rh≥95％)的环境中养护，得到所述硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料。
[0081]
实施例2
[0082]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料按照下述质量百分比配制：水泥19％(硫铝酸盐水泥占水泥总重量的25％)、玻化微珠15％、硅灰1.5％、偏高岭土2％、粉煤灰4％、生石灰4％、煅烧菱镁矿2％、聚羧酸减水剂0.2％、有机硅0.5％、100000mpa
·
s的hpmc 0.2％、聚丙烯纤维0.2％、zk型蛋白类发泡剂1％、铝粉0.2％、水50.2％。
[0083]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的制备方法同实施例1，不同在于采用本实施例的原料配比。
[0084]
实施例3
[0085]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料按照下述质量百分比配制：水泥18％(硫铝酸盐水泥占水泥总重量的25％)、玻化微珠10％、硅灰2.5％、偏高岭土3％、粉煤灰5％、生石灰4％、煅烧菱镁矿2％、奈系酸减水剂0.5％、有机硅0.4％、50000mpa
·
s的hpmc 0.3％、木质素纤维0.3％、zk型蛋白类发泡剂1％、铝粉0.2％、水52.8％。
[0086]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的制备方法同实施例1，不同在于采用本实施例的原料配比。
[0087]
实施例4
[0088]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料按照下述质量百分比配制：水泥22％(硫铝酸盐水泥占水泥总重量的35％)、玻化微珠10％、硅灰1.5％、偏高岭土2％、粉煤灰4.2％、生石灰4.2％、煅烧菱镁矿2％、奈系减水剂0.6％、有机硅0.4％、100000mpa
·
s的hemc 0.3％、木质素纤维0.2％、zk型蛋白类发泡剂2.1％、铝粉0.2％、水50.3％。
[0089]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的制备方法同实施例1，不同在于采用本实施例的原料配比。
[0090]
实施例5
[0091]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料按照下述质量百分比配制：水泥20％(硫铝酸盐水泥占水泥总重量的25％)、膨胀珍珠岩10％、硅灰1.5％、偏高岭土2％、粉煤灰4％、生石灰6％、煅烧菱镁矿2％、聚羧酸减水剂0.2％、石蜡0.6％、50000mpa
·
s的hemc 0.3％、聚丙烯纤维0.2％、zk型蛋白类发泡剂1％、铝粉0.4％、水51.8％。
[0092]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的制备方法同实施例1，不同在于采用本实施例的原料配比。
[0093]
实施例6
[0094]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料按照下述质量百分比配制：水泥22％(硫铝酸盐水泥占水泥总重量的25％)、玻化微珠10％、硅灰1.5％、偏高岭土2％、粉煤灰4.2％、生石灰4.2％、煅烧菱镁矿2％、聚羧酸减水剂0.3％、有机硅0.4％、100000mpa
·
s的hpmc 0.2％、木质素纤维0.2％、发泡剂(zk型蛋白类发泡剂：十二烷基苯磺酸钠＝1:1)1.1％、铝粉 0.1％、水51.8％。
[0095]
本实施例的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的制备方法同实施例1，不同在于采用本实施例的原料配比。
[0096]
对比例1
[0097]
本对比例为传统无机保温隔热墙体材料，按照下述质量百分比配制：普通硅酸盐水泥54.2％、粉煤灰6.5％、聚羧酸减水剂0.5％、聚丙烯纤维0.2％、发泡剂3.2％、水35.4％。
[0098]
本对比例的传统无机保温隔热墙体材料的制备方法同实施例1，不同在于采用本对比例的原料配比。
[0099]
对实施例1-6和对比例1所得的样品测试，测试参照gbt 20473-2006《建筑保温砂浆》，，测试结果见下表。同时请参阅图1-7，与对比例1的传统无机保温隔热墙体材料相比，本实施例1-6的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料的孔分布更加均匀。
[0100]
样品测试结果
[0101][0102]
由样品测试结果可以看出，本发明所制备的硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料具有密度小、比强度(单位密度强度)高、比导热系数(单位密度导热系数)低、吸水率低、干燥收缩率小、软化系数高等优点。
[0103]
相对于现有技术，本发明采用复合引气法制备的隔热保温墙体材料结构更均匀，孔结构得到很大改善，孔径大小搭配合理，孔隙率更高。加入轻质骨料为多孔结构提供“骨架”支撑作用，所制备材料得比导热系数更低、比强度更高，即同等密度材料的导热系数更低、强度更高，收缩小、吸水率小、软化系数高。
[0104]
上述实施例仅为本发明的优选例，凡在本发明的原则之内，所做的任何等同替代、修改和变化，均在本发明的保护范围之内。
[0105]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。