本發(fā)明涉及建筑材料制備與施工，尤其關(guān)注于一種摻入憎水性氣凝膠的水泥基建筑保溫、防火功能復(fù)合梯度材料的制備方法。

背景技術(shù)：

目前減排與節(jié)能已經(jīng)成為制約社會(huì)發(fā)展的兩大主要問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上研究多功能節(jié)能保溫材料具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值。氣凝膠是一種低密度的多孔材料，孔隙率可以達(dá)到80％-99.8％，比表面積在500-1200m²/g之間，密度的變化范圍可達(dá)0.001-0.5g/cm³，具有很低的熱導(dǎo)率，可達(dá)到0.005w/(mk)[1]，還具有很好的耐火性，所以摻入氣凝膠為輕質(zhì)骨料的混凝土是非常有前景的發(fā)展方向[2]。韓國(guó)s.kim[3]將顆粒狀的氣凝膠摻入到普通的波特蘭水泥中，結(jié)果表明，當(dāng)氣凝膠摻量為2％時(shí)，氣凝膠水泥的熱導(dǎo)率為0.135w/(mk)，而未摻入氣凝膠的水泥砂漿試塊的熱導(dǎo)率為0.533w/(mk)，相比較熱導(dǎo)率減少了75％，具有低的導(dǎo)熱系數(shù)。此外，德國(guó)dlr的l.ratke[4]研究了氣凝膠水泥的耐火性，在1150℃高溫下，氣凝膠水泥仍然很穩(wěn)定，是一種很好的阻燃材料。挪威b.p.jelle等[5]成功的制備出了輕質(zhì)保溫隔熱的氣凝膠混凝土，當(dāng)氣凝膠含量為60％時(shí)，氣凝膠混凝土的密度為1.0g/cm³,熱導(dǎo)率為0.26w/(mk)，抗壓強(qiáng)度為8.3mpa。氣凝膠混凝土對(duì)于改進(jìn)傳統(tǒng)建筑材料，制備新型保溫隔熱體系具有非常重要的意義，是新穎而有前景的開(kāi)發(fā)方向，國(guó)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)利有熊鳳鳴等的中國(guó)專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)cn203742009u)，史繼超等的中國(guó)專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)cn104829196a)，汪宗來(lái)等的中國(guó)專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)cn102910870a)，郝利煒等的中國(guó)專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)cn103553502a)，劉國(guó)強(qiáng)等的中國(guó)專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)cn105000834a)，熊吉如等的中國(guó)專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)cn104876497a)，田雷等的中國(guó)專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)cn105884313a)，劉朝輝等的中國(guó)專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)cn105439505a)，楊卓舒等的中國(guó)專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)cn105669123a)[6-14]。而國(guó)外專(zhuān)利主要有p.j.andersen美國(guó)專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)us5641584)，l.ratke的世界專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)wo2006032655a2)和s.shah的世界專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)wo2013166603a1)[15-17]，上述專(zhuān)利除內(nèi)容涉及的領(lǐng)域和配方有所不同，關(guān)于氣凝膠混凝土或氣凝膠砂漿或氣凝膠水泥基材料，主要是通過(guò)復(fù)合方式將氣凝膠均勻摻入水泥基內(nèi)部，達(dá)到復(fù)合化的效果，或是犧牲混凝土的強(qiáng)度來(lái)制備輕質(zhì)水泥基材料用于建筑保溫，或是直接作為保溫砂漿使用，通過(guò)少量摻入氣凝膠達(dá)到一定的保溫效果并保留一定的力學(xué)性能，這些專(zhuān)利報(bào)道并沒(méi)有綜合體現(xiàn)出氣凝膠和水泥基材料的優(yōu)點(diǎn)，所以目前尚無(wú)氣凝膠功能復(fù)合混凝土梯度材料的文獻(xiàn)和專(zhuān)利報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有建筑在節(jié)能環(huán)保方面的不足，開(kāi)發(fā)一種氣凝膠復(fù)合水泥基梯度功能材料的制備工藝。該技術(shù)可以用來(lái)將水泥基材料與各種憎水性氣凝膠結(jié)合，制備相應(yīng)的功能性建筑材料，用來(lái)解決建筑保溫防火的問(wèn)題、開(kāi)發(fā)處理空氣中或雨水中污染物的新型水泥基材料，為未來(lái)新型綠色建筑的實(shí)現(xiàn)提供一種途徑。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種摻入憎水性氣凝膠的水泥基梯度功能材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將骨料(天然砂或天然砂和石子)、水泥、摻合料、外加劑以及纖維混合干拌5～100秒。

(2)在步驟(1)干拌得到的拌合物中加入水和外加劑濕拌20～200秒。

(3)在步驟(2)攪拌好的砂漿中加入憎水性氣或水凝膠攪拌均勻20～300秒。

(4)將步驟(3)攪拌好的含有憎水凝膠的砂漿裝模，通過(guò)機(jī)械強(qiáng)力振搗，強(qiáng)制輕質(zhì)憎水的氣凝膠或水凝膠層上浮，從而形成強(qiáng)度層-界面過(guò)度層-復(fù)合凝膠砂漿層的梯度功能結(jié)構(gòu)的復(fù)合水泥基材料。

(5)對(duì)于步驟(4)中水凝膠復(fù)合水泥基材料，通過(guò)常壓環(huán)境干燥得到最終氣凝膠復(fù)合水泥基材料。

作為本發(fā)明的限定，本發(fā)明所述的水泥為普通硅酸鹽水泥或高貝利特水泥。

作為對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定，步驟(1)中的摻合料可為硅灰、粉煤灰、礦渣，外加劑主要指在外摻纖維的情況下的穩(wěn)定劑；步驟(2)中的外加劑可為減水劑、緩凝劑；步驟(3)中憎水凝膠可為粉狀或顆粒狀氣凝膠或水凝膠；步驟(4)中的機(jī)械振動(dòng)可通過(guò)振動(dòng)臺(tái)或振動(dòng)棒。

采用上述的技術(shù)方案后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，取得的效果是：

(1)摻入功能材料可為水凝膠或氣凝膠，與其他氣凝膠混凝土相比，降低了復(fù)合水泥基材料的施工難度和微粉塵釋放。

(2)通過(guò)配方控制和強(qiáng)制振搗制備功能梯度水泥基材料，與其他氣凝膠水泥基材料相比，工藝簡(jiǎn)單，依據(jù)不同的功能性氣凝膠，復(fù)合材料具有較好的保溫、防火性能或污染物降解性能。

(3)本發(fā)明利用氣凝膠的輕質(zhì)、憎水特征，通過(guò)部分分層工藝，使得各功能層發(fā)揮最大的功效，水泥基材料可以起到承重作用，強(qiáng)度28天可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，氣凝膠層性能優(yōu)良，密度0.08～0.30g/cm³，比表面積500～800m²/g，孔隙率80～98％，平均孔徑10～150nm，氣凝膠層導(dǎo)熱系數(shù)0.20～0.80w/(m·k)。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為有可見(jiàn)光催化活性的tio2-sio2氣凝膠復(fù)合水泥基梯度功能材料對(duì)污染物的吸附/降解示意圖。(具有可見(jiàn)光催化活性的憎水氣凝膠復(fù)合水泥基梯度功能材料對(duì)污染物的吸附/降解示意圖如圖1所示)；圖2為本發(fā)明所述的方法的工藝流程圖(氣凝膠復(fù)合水泥基材料的工藝流程圖如圖2所示)。

具體實(shí)施案例：

以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1：

(1)水泥基材料的前期制備

將天然砂、52.5普通硅酸鹽水泥、硅灰、甲基纖維素醚、分散劑以及聚丙烯纖維放入砂漿攪拌器中干拌15s，然后加入水和減水劑濕拌120s，向攪拌好的砂漿中加入憎水sio2氣凝膠攪拌均勻。表1為憎水sio2氣凝膠水泥基材料配合比。

表1憎水sio2氣凝膠水泥基材料配合比

注：細(xì)骨料體積占砂漿總體積的60％，氣凝膠體積占細(xì)骨料體積的30％

(2)水泥基材料分層處理

將攪拌好的憎水sio2氣凝膠砂漿裝模，通過(guò)機(jī)械強(qiáng)力振搗10分鐘，使輕質(zhì)憎水sio2氣凝膠層上浮，從而形成強(qiáng)度層-界面過(guò)度層-復(fù)合氣凝膠砂漿降解層的梯度功能結(jié)構(gòu)的氣凝膠水泥基材料。

以下是實(shí)驗(yàn)室對(duì)產(chǎn)品性能的檢測(cè)數(shù)據(jù)：

抗壓強(qiáng)度45.21mpa，抗折強(qiáng)度4.23mpa，表觀密度1895kg/m³，導(dǎo)熱系數(shù)低于0.54w/(mk)。

實(shí)施例2

(1)水泥基材料的前期制備

將天然砂、42.5高貝利特低熱型水泥、硅灰放入砂漿攪拌器中干拌15s，然后加入水和減水劑濕拌120秒，向攪拌好的砂漿中加入憎水sio2-tio2氣凝膠攪拌均勻。表2為憎水sio2-tio2氣凝膠水泥基材料配合比。

表2氣凝膠水泥基材料配合比

注：細(xì)骨料體積占砂漿總體積的60％，氣凝膠體積占細(xì)骨料體積的40％

(2)憎水sio2氣凝膠水泥基材料分層處理

將攪拌好的憎水sio2氣凝膠砂漿裝模，通過(guò)機(jī)械強(qiáng)力振搗15分鐘，使輕質(zhì)憎水sio2氣凝膠層上浮，從而形成強(qiáng)度層-界面過(guò)度層-復(fù)合氣凝膠砂漿降解層的梯度功能結(jié)構(gòu)的氣凝膠水泥基材料。

以下是實(shí)驗(yàn)室對(duì)產(chǎn)品性能的檢測(cè)數(shù)據(jù)：

抗壓強(qiáng)度40.57mpa，抗折強(qiáng)度5.02mpa，表觀密度1740kg/m³，導(dǎo)熱系數(shù)低于0.70w/(mk)，甲基橙200分鐘降解率70％。

實(shí)施例3

(1)水泥基材料的前期制備

將天然砂、卵石、52.5普通硅酸鹽水泥、硅灰放入混凝土攪拌器中干拌30秒，然后加入水和減水劑濕拌120s，向攪拌好的砂漿中加入sio2氣凝膠攪拌均勻。表3為tio2-sio2氣凝膠水泥基材料配合比。

表3tio2-sio2氣凝膠水泥基材料配合比

注：骨料體積占砂漿總體積的60％，氣凝膠體積占骨料體積的50％

(2)水泥基材料分層處理

將攪拌好的sio2氣凝膠砂漿裝模，通過(guò)機(jī)械強(qiáng)力振搗，使輕質(zhì)憎水的sio2氣凝膠層上浮，從而形成強(qiáng)度層-界面過(guò)度層-復(fù)合氣凝膠砂漿保溫層的梯度功能結(jié)構(gòu)的氣凝膠水泥基材料。

以下是實(shí)驗(yàn)室對(duì)產(chǎn)品性能的檢測(cè)數(shù)據(jù)：

抗壓強(qiáng)度35.89mpa，抗折強(qiáng)度3.43mpa，表觀密度1500kg/m³，導(dǎo)熱系數(shù)低于0.33w/(mk)。

參考文獻(xiàn)：

[1]m.a.aegerter,n.leventis,m.m.koebel,aerogelshandbook.,springer,2011.

[2]w.li-jiu,z.shan-yu,y.mei,structuralcharacteristicsandthermalconductivityofambientpressuredriedsilicaaerogelswithone-stepsolventexchange/surfacemodification,materialschemistryandphysics,113(2009)485-490.

[3]s.kim,j.seo,j.cha,s.kim,chemicalretreatingforgel-typedaerogelandinsulationperformanceofcementcontainingaerogel,constructionandbuildingmaterials,40(2013)501-505.

[4]l.ratke,herstellungundeigenschafteneinesneuenleichtbetons:aerogelbeton,beton-undstahlbetonbau,103(2008)236-243.

[5]t.gao,b.p.jelle,a.gustavsen,s.jacobsen,aerogel-incorporatedconcrete:anexperimentalstudy,constructionandbuildingmaterials,52(2014)130-136.

[6]熊鳳鳴,陳志惠,王艷茹,譚鎮(zhèn)東,劉川,陳建,一種氣凝膠板預(yù)制面層樓地面保溫一體化板,in,中國(guó)專(zhuān)利,中國(guó),2014.

[7]史繼超,辛春華,阮豐樂(lè),一種氣凝膠改性的無(wú)機(jī)保溫砂漿及其使用方法,in,中國(guó)專(zhuān)利,中國(guó),2015.

[8]汪宗來(lái),楊曉峰,納米硅氣凝膠/?；⒅閺?fù)合保溫砂漿,in,中國(guó)專(zhuān)利,中國(guó),2012.

[9]郝利煒,楊飛華,吳學(xué)謙,王翌,路國(guó)忠,一種含二氧化硅氣凝膠的無(wú)機(jī)輕質(zhì)保溫板及其制備方法,in,中國(guó)專(zhuān)利,中國(guó),2013.

[10]劉國(guó)強(qiáng),楊卓舒,鄺清林,馮強(qiáng),蔡世楷,武曉博,陳庚,劉建波,疏水氧化硅氣凝膠保溫材料及其制備方法,in,中國(guó)專(zhuān)利,中國(guó),2015.

[11]熊吉如,方寅生,王猛,一種氣凝膠grc面層干粉砂漿材料及制備方法,in,中國(guó)專(zhuān)利,中國(guó),2015.

[12]田雷,劉忠,何靜,高元,董海兵,高性能二氧化硅氣凝膠保溫砂漿及其制備方法,in,中國(guó)專(zhuān)利,中國(guó),2015.

[13]劉朝輝,王飛,賈藝凡,葉圣天,班國(guó)東,丁逸棟,林銳,楊宏波,陶睿,氣凝膠砂漿及其制備方法,in,中國(guó)專(zhuān)利,中國(guó),2015.

[14]楊卓舒,劉建波,劉國(guó)強(qiáng),鄺清林,馮強(qiáng),張磊,陳賡,車(chē)君超,一種二氧化硅和氧化鈦氣凝膠發(fā)泡水泥,in,中國(guó)專(zhuān)利,中國(guó),2015.

[15]p.j.andersen,s.k.hodson,highlyinsulativecementitiousmatricesandmethodsfortheirmanufacture,in,uspatents,1997.

[16]l.ratke,s.brueck,j.krampe,fire-protectingmaterialcontainingaerogel,in,wopatents,2006.

[17]s.shah,a.lowrie,e.alymov,thermalinsulatingconcretecomposition,in,wopatents,2013.