专利名称：一种eps轻集料混凝土及其制备方法
技术领域：
本发明属于多孔的砂浆、混凝土、人造石或陶瓷制品及其制造方法领域，具体讲涉及一种EPS轻集料混凝土及其制备方法。
背景技术：
随着我国墙体改革事业的不断推进，以及节能新标准的颁布，粘土砖因其固有的缺陷将逐渐被取缔。目前，为了推动我国墙体改革的开展，适应建筑节能的要求，工作人员一直对墙体材料进行研究，寻找新的墙体材料,并已经研究开发了各种新型砌块代替原有的粘土砖。另外，随着保护环境意识的加强，各国都很重视将垃圾废料作为建筑材料这方面的研究，也发展了许多回收技术，有的已制定出相应的技术规范。而废弃的聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)的化学性能稳定、不易腐蚀，对环境是一种污染；但是，它又是一种保温性能 非常好的轻质材料。所以，用打碎机将聚苯乙烯泡沫塑料打碎成颗粒，并用这种颗粒作为骨料制成的轻集料混凝土，具有造价低，取材容易，轻质、节能、利废，的优点；是一种环保、保温型建筑材料。用该混凝土做成的建筑产品具有保温性能好、整体性好、施工简单、快捷、节能、利废、环保等特点。从以上分析我们可以看出用EPS轻集料混凝土制成的保温砌块是代替粘土砖的一种优秀的产品；它的广泛应用必将大大推动我国墙改工作的进行及建筑业的发展，并具有非常重要的工程实用价值和社会效益。EPS颗粒是一种保温性能非常好的材料，但是这种材料特殊性能也会给混凝土带来一些问题一是EPS颗粒的密度比粉煤灰水泥砂浆小得多，在搅拌成型工艺过程中容易出现EPS颗粒上浮，物料分层现象；二是EPS颗粒的粒径如果太大，可能引起水泥浆体相对不足，造成EPS轻集料混凝土的孔洞较多。这两个方面的因素严重降低了 EPS轻集料混凝土的均匀密实程度。三是EPS颗粒是一种有机材料，其表面具有亲油性，而水泥是一种无机材料，以离子型化合物为主，因而其表面基团具有强烈的吸水性。这两种材料截然不同的表面性质导致了其表面难以及结合。因此，为了提高聚苯乙烯轻集料混凝土的性能，包括力学性能、热工性能和耐久性能，对聚苯乙烯轻集料混凝土的结构进行优化设计，有必要从聚苯乙烯轻集料混凝土的原料配比和制备工艺上进行改进，使得混凝土在宏观上结构均匀密实；在微观上，EPS颗粒和水泥砂浆之间的界面粘结性能较好，并且混凝土的立方体抗压强度能到达一定等级。这对轻集料混凝土的广泛应用具有重大意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种EPS轻集料混凝土及其制备方法，有效的解决了混凝土在结构方面轻质、均匀和密实的要求，同时混凝土具有优异的综合性能；EPS轻集料混凝土容重大于650kg/m3，立方体抗压强度可达到I. 47MPa，强度满足使用要求，且轻集料混凝土具有良好的热工性能和耐久性能；混凝土在抗压试验中，变形破坏前有较大变形，韧性提闻。
为实现上 述发明目的，本发明采取的技术方案为一种EPS轻集料混凝土，其改进之处在于所述轻集料混凝土包括如下重量份原
料
原料重量份
水泥350份
粉煤灰90-120份
硅灰30-70份
河砂120-140份
水190-210 份
EPS颗粒15-21份
珍珠岩40-60份
聚合物乳液12-18份。本发明的另一优选技术方案为轻集料混凝土包括如下重量份原料
原料重量份
水泥350份
粉煤灰90-115份
硅灰30-70份
河砂126-140份
水198-210 份
EPS颗粒15-21份
珍珠岩46-60份
聚合物乳液12-18份。本发明的又一优选技术方案为轻集料混凝土包括如下重量份原料原料重量份
水泥350份
粉煤灰95-115份
硅灰30-60份
河砂126-130份
水198-200 份
EPS颗粒15-21份
珍珠岩40-50份
聚合物乳液12-18份。本发明的再一优选技术方案为轻集料混凝土包括如下重量份原料
原料重量份
水泥350份
粉煤灰95-115份
硅灰30-50份
河砂126份
水198份
EPS颗粒15-21份
珍珠岩46份
聚合物乳液12-18份。其中所述聚合物乳液为聚醋酸乙烯溶液，所述聚合物乳液含固量为48-53%，粘度为 I. 5-4. OPa. s，Ph 值为 4-6。其中所述硅灰的粒度O. I μ m-0. 2 μ m，密度2· 0-2. 4g/cm3,堆积密度200-350kg/m3，比表面积 15000_25000m2/kg。其中所述河砂选用中砂，砂率按体积计为20-25%，堆积密度为1225-1325kg/m3，吸水率为O. 95-1. 05%。其中所述EPS颗粒的堆密度为10 20kg/m3。其中所述珍珠岩为膨胀珍珠岩。一种制备如权利要求1-4任意所述的轻集料混凝土方法，其改进之处在于所述方法包括如下步骤I)造壳、
将聚醋酸乙烯溶液与少量水、水泥、硅灰和粉煤灰一起加入第一强制式搅拌机进行搅拌成糊状；投入EPS颗粒到第一强制式搅拌机搅拌8-15s，使EPS颗粒表面挂有一薄层均匀的水泥混合砂浆；静置1-2天，使混有聚醋酸乙烯溶液的水泥浆在EPS颗粒表面凝结、硬化并产生一定的强度；2)裹浆将砂、珍珠岩和剩余的水、水泥、粉煤灰与硅灰加入第二强制式搅拌机进行搅拌5-20s，得到水泥混合矿物砂浆；将水泥混合矿物砂浆转入到放置有静置后水泥混合砂浆的第一强制式搅拌机中，得裹有水泥混合矿物灰料的骨料；3)混料将裹有水泥混合矿物灰料的骨料在第一强制式搅拌机中搅拌20-40S，得均匀混有 EPS轻集料的混凝土 ；4)成型将步骤3中得到的混凝土转移到放置于振动台上的模具中，在模具上表面用平板覆盖并对平板施加压力，控制振动台使得平板和模具共振3-30s，振动结束后，将平板沿物料平面水平抽出；其中振动频率为2860次/min，振幅为O. 3-0. 6mm ；5)养护带模养护2-5天；其中带模养护温度为25_30°C，养护湿度为60-100% ；脱模，将混凝土浇水后贴膜，进行自然养护14-30天；其中贴膜养护温度为25_30°C，养护湿度为60-100% ；养护结束后，成品混凝土的容重为650-750Kg/m3，含水量为3 5_48Kg/m3。由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括I)轻集料混凝土在结构上满足了轻质、均匀和密实的要求按照本发明的配比和制备工艺得到的轻集料混凝土，在微观组织照片中，没有发现大孔和连通孔，EPS颗粒和水泥混合砂浆的界面粘接状况良好，EPS轻集料混凝土的容重大于650kg/m3,混凝土的孔结构分布均勻；2)轻集料混凝土的力学性能、热工性能和耐久性能匹配良好由于轻集料混凝土在结构上表现良好，所以也对应优异的综合性能，其立方体抗压试验中，抗压强度达到了 I. 3MPa，抗折强度达到了 O. 45MPa ;另外其导热系数大于O. Iff/(m. k)，保温性能良好；3)本发明的轻集料混凝土的制备工艺流程简单，养护工艺简单易实施，降低了对工作人员的要求；4)本发明是一种环保技术方案，有利于废弃材料的利于和能源的节约，且产品性能优异，具有较大的经济价值。此外，本发明的优点还包括EPS颗粒是一种有机材料，其表面具有亲油性，而水泥是一种无机材料，以离子型化合物为主，因而其表面积团具有强烈的吸水性，这两种截然不同材料的表面性质导致了其表面难以结合；采用本专利提出的解决界面粘结性的措施，可以解决EPS颗粒与水泥砂浆粘接不好的难题，进而改善了这种混凝土的力学性能。由于EPS颗粒容重很小，在混凝土搅拌成型过程中容易上浮，发生分层离析，难以形成均匀密实的混凝土。针对这一问题，本专利采用低水灰比加压振动成型工艺，通过控制振动的时间和频率来使EPS颗粒均匀分布在EPS轻集料混凝土中，同时掺入膨胀珍珠岩可使EPS颗粒的分层度进一步降低。
EPS颗粒的掺量和粒径是决定EPS轻集料混凝土热工性能的关键参数，随着EPS颗粒的掺量增多和粒径的增大，可能引起水泥浆体相对不足，造成EPS轻集料混凝土的孔洞较多，容易导致其保温性能变差，力学性能降低。针对这一问题本专利给出了 EPS颗粒的掺量和粒径两个参量的范围，减小EPS轻集料混凝土的气孔尺寸同时增大EPS轻集料混凝土的孔隙率，从而使得该混凝土的导热系数变小，并具有良好的力学性能。
下面结合附图对本发明进一步说明。图I是EPS轻集料混凝土试件制备工艺；图2是EPS轻集料混凝土的微观结构；图3是硅灰的掺量对EPS轻集料混凝土抗压强度影响示意图；图4是未掺入聚醋酸乙烯乳液的EPS轻集料混凝土 ；图5是图2的局部放大图；图6是图4的局部放大图。
具体实施例方式下面结合实例对本发明进行详细的说明。聚苯乙烯轻集料混凝土是一种新型的轻骨料混凝土，它具有优越的热工性能和显著的经济效益越来越受到工程界的重视，本发明根据聚苯乙烯轻集料混凝土结构上的要求和组成材料的特点确定了该混凝土的基本配比和施工工艺。轻集料混凝土的原料包括凝胶材料、骨架材料、水、热工材料和外加剂；胶凝材料包括硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰，河砂是骨架材料，水为该混凝土的拌和材料，EPS颗粒和珍珠岩是保温材料，即热工材料，外加剂是聚合物乳液。其中混凝土中各原料的特性及作用如下凝胶材料普通硅酸盐水泥EPS轻集料混凝土所用的胶凝材料主要是普通硅酸盐水泥。普通硅酸盐水泥是EPS轻集料混凝土最主要的胶凝材料，对其力学性能起主要的作用。普通硅酸盐水泥标号越高，掺量越多，EPS轻集料混凝土的立方体抗压强度越高。水泥采用天津水泥厂生产的骆驼牌低碱普通娃酸盐水泥，标号42. 5。粉煤灰粉煤灰掺入EPS轻集料混凝土后，会对EPS轻集料混凝土的结构和性能产生影响，主要表现在三个基本方面第一，形态效应粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑因此能明显地改善EPS轻集料混凝土的和易性；且密度均小于水泥颗粒，能使EPS轻集料混凝土中浆体的体积增加，因此粉煤灰可以明显地改善EPS轻集料混凝土的和易性。第二，活性效应粉煤灰中的Si02、Al2O3等硅酸盐玻璃体，与水泥、拌和水后产生碱性激发剂Ca(OH)发生化学反应，生成水化硅酸钙等凝胶，对砂浆起到增强作用。第三，微集料效应粉煤灰微粒在水泥浆体中分散状态良好，有助于新拌EPS轻集料混凝土和硬化EPS轻集料混凝土均匀性的改善，粉煤灰微集料填充性的作用，也有助于EPS轻集料混凝土中孔隙和毛细孔的充填和细化。配置EPS轻集料混凝土时，加入粉煤灰的目的主要利用粉煤灰的形态效应，即在不增加EPS轻集料混凝土的容重的情况下，使EPS轻集料混凝土中浆体的体积增加，填充到EPS轻集料混凝土的孔隙中去；从而有利于 EPS轻集料混凝土形成密实的结构。硅灰硅灰是一种非常细的粉末，主要成分是颗粒极细(O. I μ m O. 2 μ m)的无定形二氧化娃。它的平均粒径比水泥小100倍。娃灰颜色在浅灰色与深灰色之间,密度2. 2g/cm3左右，比水泥(31g/cm3)要轻，与粉煤灰相似，堆积密度一般在200 350kg/m3。硅灰比表面积介于15000 25000m2/kg。硅灰物理性质，决定了硅灰的微小颗粒具有高度的分散性，可以充分地填充在水化水泥颗粒之间，提高浆体硬化后的密实度。硅灰在EPS轻集料混凝土中的作用主要有三个方面第一，火山灰效应娃灰的火山灰效应能将对强度不利的氢氧化钙转化成C-S-H凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进了 EPS轻集料混凝土强度增长。同时，硅灰与C-H反应，C-H不断被消耗会加快水泥的水化速率，提高EPS轻集料混凝土的早期强度。硅灰中的SiO2可以和石灰及高碱度的水化硅酸钙产生二次反应，生成强度更高、稳定性更优的低碱度水化硅酸钙。第二，界面效应在EPS颗粒和水泥砂浆界面过滤区形成的氢氧化钙(C-H)要多于其它区域。另外，由于硅灰的火山灰效应可以在EPS颗粒和水泥砂浆界面过滤区生成更多和品质更优的C-S-H凝胶这使得EPS轻集料混凝土中水泥净浆与EPS颗粒的界面粘结强度提高。第三，填充效应在EPS轻集料混凝土中小于水泥颗粒直径100倍的硅灰，填充于水泥浆体的孔隙间，其效果如同水泥颗粒填充在骨料空隙之间和细骨料填充在粗骨料空隙之间一样，从微观尺度上增加了 EPS轻集料混凝土的密实度。从以上分析中我们可以看出由于硅灰含有95%以上的活性化学成分SiO2，在EPS轻集料混凝土可生成更多和品质更优的C-S-H凝胶；既改善了 EPS轻集料混凝土的力学性能，又提高了 EPS轻集料混凝土中水泥净浆与EPS颗粒的界面粘结强度。此外，由于硅灰颗粒极细，可以填充和阻塞EPS轻集料混凝土的孔道。所以，我们在EPS轻集料混凝土应用硅灰的目的为改善EPS轻集料混凝土的力学性能、界面结构和孔结构。EPS颗粒与水泥砂浆的界面过渡区显著的结构特征是C_H晶体(Ca(OH)2)富集并产生取向性，晶体的平均尺寸较大，即界面存在着大量有缺陷的疏松的网络结构。因此要增强EPS颗粒与水泥砂浆界面区，减少界面层和基体之间的差异，必须减少C-H晶体含量、打乱其取向性，降低其孔隙率。本专利选用优质硅灰作为活性矿物掺料加入到EPS轻集料混凝土中，使硅灰中的SiO2和石灰及高碱度的水化硅酸钙产生二次反应，生成强度更高、稳定性更优的低碱度水化硅酸钙(C-S-H);这样就减少了对水泥砂浆和EPS颗粒界面粘接起不利作用的C-H晶体，增加了对水泥砂浆和EPS颗粒界面粘接界面粘接起决定性作用的C-S-H凝胶体(水化硅酸钙)的含量和品质。另外，加入活性矿物掺加料后，随着混凝土龄期的增长，新生的水化物不断的填充界面区孔隙，不仅使总孔隙率降低，而且使界面区的有害大孔减少了。图3反映了加入硅灰后EPS轻集料混凝土立方体抗压强度增长的情况(图中0、A和B代表硅灰的掺量分别为水泥质量的0%、5%和10% )。从图中可以看出当硅灰的掺量为水泥质量的5%时，抗压强度可以提高15%左右；而当硅灰的掺量为水泥质量的10%时抗压强度可以提高20 %左右。这是由于EPS轻集料混凝土掺入硅灰后，改善了水泥砂浆和EPS颗粒之间的界面结构，从而提高了 EPS轻集料混凝土力学性能。
骨架材料河砂是构成EPS轻集料混凝土弹性骨架最重要的材料，它和硅酸盐水泥共同对EPS轻集料混凝土的力学性能起重要的作用。本专利用砂选用洁净圆形颗粒的天然河砂。此河砂的堆积密度为1225-1325kg/m3，吸水率为O. 95-1. 05%。砂的粗细与颗粒级配如下面表所示。所以此砂属于中砂。砂率是一项非常重要的试验参数。因为砂子是本试验容重最大的材料，砂率的选择直接影响到EPS轻集料混凝土的密度和其力学性能。砂率是根据EPS颗粒所形成空隙来确定的，把EPS颗粒按等径球体最紧密堆积模型计算，其空隙率为26%，尽管EPS颗粒不可能成为最紧密堆积，而且砂浆应在整个体系中形成连续相，但考虑到除了砂子以外，粉煤灰等其它材料也填充在空隙中，所以砂率选择在按体积计在20 25%之间。I.河砂的物理性能河砂是构成EPS轻集料混凝土弹性骨架最重要的材料，它和硅酸盐水泥共同对对EPS轻集料混凝土的力学性能起重要的作用。本专利所使用的砂是洁净圆形颗粒的天然河砂。此河砂的堆积密度为1274kg/m3，吸水率为1%。砂的粗细与颗粒级配如下面表所示表I砂样分析结果
筛孔分计筛余累计筛余
尺·寸百分数
(mm) 符号重量(S) (%)符号百分数(％)
5.00_ai_15_3_Ai_32.5a27515A218
1.25_03_70_U_A3_32
0.63a410020A452
0.315_as_120_24_A5_76
0.16_ae_ΗΚ)_20_Ae_96
<0.16_20_4_水在拌合混凝土和养护用的水中，不得含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质，如油脂、糖类、酸碱性等。凡是能饮用的自来水和清洁的天然水，都能用来拌制和养护混凝土。热工材料EPS 颗粒EPS颗粒为EPS轻集料混凝土所用到热工材料，在EPS轻集料混凝土各种组成材料中，对其导热性能影响最大的材料就是EPS颗粒。EPS颗粒的生产工艺使得其内部的气泡形成封闭状，因此即使EPS颗粒长时间浸泡在水中，水也不会浸入气泡内。这样就保证了材料的吸水率小含气量高，受水浸湿时仍具有较好的隔热效果。泡沫聚苯乙烯(EPS)颗粒密度非常低(本次试验所用的破碎EPS颗粒，密度大约为10kg/m3左右；原生EPS颗粒，密度大约为20kg/m3左右)，绝热性能优于其它材料。把它作为混凝土的骨料而制成的轻集料混凝土，具有密度低，导热系数小，隔声、抗震的优点，而且造价低廉，节能利废，是一种经济效益和社会效益都很高的保温材料。EPS材料具有很好的塑性变形的能力。把EPS颗粒掺入到混凝土中，将极大的是该种混凝土的变形的能力大大的提高，成为一种柔性的混凝土。EPS材料的抗压强度是很低的，所以EPS颗粒本身对EPS轻集料混凝土的抗压强度贡献很小，它在混凝土中的作用主要起保温、隔热作用。EPS颗粒掺入量是决定EPS轻集料混凝土热工性能关键因素。EPS颗粒掺量的多少不仅决定着EPS轻集料混凝土的容重，也同时决定着EPS轻集料混凝土的热工性能。表2给出了 EPS颗粒掺入量对EPS轻集料混凝土热工性能的影响。可以看出随着EPS颗粒掺入量的增多EPS轻集料混凝土的密度下降，导热系数减小，但EPS颗粒掺入量过多，将导致EPS轻集料混凝土立方体抗压强度显著减低。本专利选择EPS颗粒掺量的范围是 18Kg/m3 21Kg/m3 之间。表2 EPS轻集料混凝土导热系数的测定试验结果
权利要求
1.一种EPS轻集料混凝土，其特征在于所述轻集料混凝土包括如下重量份原料原料重量份 水泥350份 粉煤灰90-120份 硅灰30-70份 河砂120-140份 水190-210 份EPS颗粒15-21份 珍珠岩40-60份 聚合物乳液12-18份。
2.如权利要求I所述的一种EPS轻集料混凝土，其特征在于所述轻集料混凝土包括如下重量份原料原料重量份 水泥350份 粉煤灰90-115份 硅灰30-70份 河砂126-140份 水198-210 份EPS颗粒15-21份 珍珠岩46-60份 聚合物乳液12-18份。
3.如权利要求2所述的一种EPS轻集料混凝土，其特征在于所述轻集料混凝土包括如下重量份原料原料重量份 水泥350份 粉煤灰95-115份 硅灰30-60份 河砂126-130份 水198-200 份EPS颗粒15-21份 珍珠岩40-50份 聚合物乳液12-18份。
4.如权利要求3所述的一种EPS轻集料混凝土，其特征在于所述轻集料混凝土包括如下重量份原料原料重量份 水泥350份粉煤灰95-115份硅灰30-50份 河砂126份水198份EPS颗粒15-21份 珍珠岩46份聚合物乳液12-18份。
5.如权利要求1-4任意所述的一种EPS轻集料混凝土，其特征在于所述聚合物乳液为聚醋酸乙烯溶液，所述聚合物乳液含固量为48-53%，粘度为I. 5-4. OPa. s, Ph值为4_6。
6.如权利要求1-4任意所述的一种EPS轻集料混凝土，其特征在于所述硅灰的粒度O. I μ m-0. 2 μ m，密度 2. 0-2. 4g/cm3，堆积密度 200_350kg/m3，比表面积 15000_25000m2/kg。
7.如权利要求1-4任意所述的一种EPS轻集料混凝土，其特征在于所述河砂选用中砂，砂率按体积计为20-25%，堆积密度为1225-1325kg/m3，吸水率为O. 95-1. 05%。
8.如权利要求1-4任意所述的一种EPS轻集料混凝土，其特征在于所述EPS颗粒的堆密度为10 20kg/m3。
9.如权利要求1-4任意所述的一种EPS轻集料混凝土，其特征在于所述珍珠岩为膨胀珍珠岩。
10.一种制备如权利要求1-4任意所述的轻集料混凝土方法，其特征在于所述方法包括如下步骤 1)造壳 将聚醋酸乙烯溶液与少量水、水泥、硅灰和粉煤灰一起加入第一强制式搅拌机进行搅拌成糊状； 投入EPS颗粒到第一强制式搅拌机搅拌8-15S，使EPS颗粒表面挂有一薄层均匀的水泥混合砂浆； 静置1-2天，使混有聚醋酸乙烯溶液的水泥浆在EPS颗粒表面凝结、硬化并产生一定的强度； 2)裹浆 将砂、珍珠岩和剩余的水、水泥、粉煤灰与硅灰加入第二强制式搅拌机进行搅拌5-20s，得到水泥混合矿物砂浆； 将水泥混合矿物砂浆转入到放置有静置后水泥混合砂浆的第一强制式搅拌机中，得裹有水泥混合矿物灰料的骨料； 3)混料将裹有水泥混合矿物灰料的骨料在第一强制式搅拌机中搅拌20-40s，得均匀混有EPS轻集料的混凝土； 4)成型 将步骤3中得到的混凝土转移到放置于振动台上的模具中，在模具上表面用平板覆盖并对平板施加压力，控制振动台使得平板和模具共振3-30s，振动结束后，将平板沿物料平面水平抽出； 其中振动频率为2860次/min，振幅为O. 3-0. 6mm ； 5)养护 带模养护2-5天； 其中带模养护温度为25-30°C，养护湿度为60-100% ； 脱模，将混凝土浇水后贴膜，进行自然养护14-30天； 其中贴膜养护温度为25-30°C，养护湿度为60-100% ； 养护结束后，成品混凝土的容重为650-750Kg/m3，含水量为35_48Kg/m3。
全文摘要
本发明提供了一种EPS轻集料混凝土及其制备方法，有效的解决了混凝土在结构方面轻质、均匀和密实的要求，同时具有优异的综合性能；EPS轻集料混凝土容重大于650kg/m3，立方体抗压强度可达到1.6MPa，强度满足使用要求，且轻集料混凝土具有良好的热工性能和耐久性能；混凝土在抗压试验中，变形破坏前有较大变形，韧性提高。所述轻集料混凝土原料包括水泥350份、粉煤灰90-120份、硅灰30-70份、河砂120-140份、水190-210份、EPS颗粒15-21份、珍珠岩40-60份和聚合物乳液12-18份。制备工艺包括造壳、裹浆、混料、成型和养护步骤。由本发明的配比和制备方法得到的轻集料混凝土，结构上均匀密实，各项性能制备满足设计要求，具有较好的应用前景。
文档编号C04B28/00GK102643055SQ20121009874
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者张雪松 申请人:中国电力科学研究院