一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及材料工程及应用专业领域，特别涉及一类用于机场跑道端特性材料拦阻系统(engineeredmaterialarrestingsystem，简称emas)的就地成型或可预制成型的硅酸盐基轻质泡沫混凝土及其制备方法。
背景技术：
：国内外的统计数据均表明，在严重危害民航飞行安全的事故征候中，飞机冲/偏出跑道位列首位，跑道端安全区对降低飞机冲出跑道风险，进而保证飞机和人员的安全至关重要。icao在《附件14-机场》中规定：基准代码为1或2的仪表跑道和基准代码为3或4的跑道，必须设置跑道端安全区。跑道端安全区的长度自升降带向外延伸不得小于90m，建议达到240m。但是，由于地理或者其它环境因素的制约等原因，很多机场难以满足新的跑道端安全区长度要求，造成了极大的飞行安全事故隐患。考虑到飞机冲出跑道可能的造成严重后果，国内外开展了emas系统研究。emas利用emas特性材料(一般为泡沫混凝土材料)在飞机轮胎碾压作用下的溃缩吸收飞机动能，在保证飞机结构和乘员安全的前提下使飞机逐渐减速并最终停止在预定的距离处，避免飞机冲出跑道后进入危险地形(悬崖、水域等)而引发灾难性后果。目前emas已在美国多个机场以及包括我国在内的多国机场应用，并成功拦停10架次飞机，是经实践证明可以提高机场安全保障裕度的有效手段。emas的拦阻功能主要依赖于特性材料的压溃吸能特性，该特性材料的力学性能(例如侵彻条件下的抗压强度、可压溃深度等)是emas设计中计算该系统有效拦阻性能的最重要参数。抗压强度过大将导致在拦阻过程中飞机所受拦阻力和减速度过大，易导致飞机结构破坏和引发机上人员伤亡；抗压强度过小，飞机所受拦阻力较小，则导致emas系统的拦阻性能较差。所以，为保证emas系统的使用安全，该特性材料在使用环境和设计寿命内其力学性能需相对保持稳定，即具备较好的耐候性和耐久性。另外，由于emas系统铺设在跑道端头，使得emas特性材料所处环境较恶劣，对其的耐候性和耐久性提出了更高的要求。基于此应用特点，国内已出台了行业标准(mh/t5111-2015)对emas材料性能及其检测方法提出了系统、详细的指标要求，其中包括：1)力学性能，应力－压溃度曲线应呈三段式，最大压溃度应不小于0.6；2)耐水性能，半溃缩能软化系数应在0.8～1.2范围内；3)抗冻融性能，经25次冻融循环后，质量损失率应不大于5％，抗冻系数应在0.8～1.2范围内；4)阻燃性能，阻燃性能应符合gb/t8624-2012的a级要求。其中，压溃度为压缩深度与试样总高度的比值。然而，目前国内泡沫混凝土主要作为建筑材料被用于节能保温、噪声控制、高层建筑和不规则空间填充等工程场合，材料性能指标主要着眼于降低其密度和传热系数，提高抗压强度等力学性能，以满足其作为建筑材料的结构力学、节能等性能要求，故而与emas对特性材料的力学性能要求相反。此类发泡混凝土密度在400kg/m3以上，密度的增加将导致最大压溃度的减小，显著影响拦阻性能；抗压强度一般大于1mpa，不符合emas特性材料抗压强度要求，故不能满足上述应用领域的使用要求。另外，目前国内泡沫混凝土领域比较成熟的技术主要以硫铝酸盐水泥为主要材料。硫铝酸盐水泥具有早强高强、碱度低等特点，被广泛的应用于泡沫混凝土的制备中。然而，硫铝酸盐水泥存在后期强度倒缩现象，水化产物中的钙矾石对温度敏感性强，容易产生分解或转变而影响基体稳定性；碱度低也导致其抗碳化性能差，而影响水化产物的稳定性。技术实现要素：为解决现有技术中的泡沫混凝土不符合emas特性材料抗压强度要求，故不能满足机场跑道端特性材料拦阻系统的使用要求，并且目前的混凝土主要以硫铝酸盐水泥为主要材料，而硫铝酸盐水泥存在后期强度倒缩现象，水化产物中的钙矾石对温度敏感性强，容易产生分解或转变而影响基体稳定性；碱度低也导致其抗碳化性能差，而影响水化产物的稳定性。本发明提供一种用于emas的就地成型或可预制成型的硅酸盐基轻质泡沫混凝土材料，可有效提升材料的性能稳定性，使其环境适应性和耐久性提升。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，其组成成分包括：硅酸盐水泥、无机掺合料、水、发泡剂以及外加剂；其中，所述无机掺合料与所述硅酸盐水泥的质量比为0.3～1.3；所述水的质量占比为35％～65％；所述发泡剂的质量占比为3％～10％。所述硅酸盐基轻质泡沫混凝土，可有效提升材料的性能稳定性，使其环境适应性和耐久性提升。优选的，所述水的质量占比为45％～60％。优选的，所述发泡剂的质量占比为4％～8％。优选的，所述无机掺合料为碳酸钙或硅质掺合料。优选的，所述硅质掺合料为硅灰、矿粉或粉煤灰。优选的，所述无机掺合料与所述硅酸盐水泥的质量比为0.8～1.1。所述无机掺合料在组成中起到改善浆体工作性、调整浆体凝结时间及硬化速度、改善力学性能的作用。优选的，所述硅酸盐水泥的比表面积为300m2/kg～1400m2/kg。所述硅酸盐水泥在组成中作为胶凝材料，是泡沫混凝土强度的主要来源。优选的，所述外加剂包括以下成分：调凝剂、稳泡剂及减水剂；其中，所述调凝剂的质量占比为3％～15％，所述稳泡剂的质量占比为3％～10％，所述减水剂的质量占比为0.1％～3％。优选的，所述调凝剂的质量占比为5％～12％，所述稳泡剂的质量占比为3％～7％，所述减水剂的质量占比为0.2％～2％。优选的，所述外加剂还包括下面的一种成分或多种成分：抗开裂组分、膨胀剂、防水剂及增泡剂；其中，所述抗开裂组分的质量占比为0％～3％，所述膨胀剂的质量占比为0％～10％，所述防水剂的质量占比为0％～10％，所述增泡剂的质量占比为0％～3％。优选的，所述抗开裂组分的质量占比为0.5～1％，所述膨胀剂的质量占比为4％～6％，所述防水剂的质量占比为4％～6％，所述增泡剂的质量占比为0.5％～1.2％。优选的，所述发泡剂为双氧水，其浓度为15％～70％。优选的，所述发泡剂为浓度为35％或50％的双氧水。所述双氧水在浆体碱性环境和浆体温度作用下能够分解产生氧气，且碱性越强或温度升高，则分解速度加快。优选的，所述调凝剂为水溶性钙盐、钠盐、硫酸铝、高铝水泥及硫铝酸盐水泥中的一种或多种的混合物；其中，所述水溶性钙盐为氯化钙、硝酸钙、甲酸钙或亚硝酸钙；所述钠盐为氯化钠、硅酸钠、硝酸钠、亚硝酸钠、硫酸钠、碳酸钠或碳酸氢钠。优选的，所述调凝剂为硫铝酸盐水泥、氯化钠及氯化钙中的一种或两种的混合物。所述调凝剂主要是用于促进无机胶凝材料的凝结硬化，加快其水化反应，缩短凝结硬化时间，一方面使料浆在发泡结束后及时稠化，加快初凝和终凝，在短时间内把气泡稳定和固定，防止塌模；另一方面，使得料浆的强度加速发展，使拆模时间提前，以加快模具周转，降低模具投资，提高产量。优选的，所述稳泡剂为十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、α-烯基磺酸钠(aos)、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硅酮酰胺、纤维素醚及淀粉醚中的一种或多种的混合物。优选的，所述稳泡剂为硬脂酸钙及硅酮酰胺中的一种或两种的混合物。所述稳泡剂主要用以提升发泡过程中料浆中气泡的稳定性和液膜的抗破裂能力。优选的，所述减水剂为聚羧酸系减水剂、密胺系减水剂、萘磺酸盐减水剂及木质素磺酸盐减水剂中的一种或多种的混合物。优选的，所述减水剂为聚羧酸系减水剂及密胺系减水剂中的一种或两种的混合物。所述减水剂主要用以提高浆体搅拌时的流动度，降低浆体用水量。优选的，所述抗开裂组分为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维硅灰石纤维、海泡石纤维及水镁石纤维中的一种或多种的混合物。优选的，所述抗开裂组分为聚丙烯纤维。使用部分型号的硅酸盐水泥(例如高比表面积、细粒径的硅酸盐水泥)时，由于水化热、干缩率等作用下，轻质泡沫混凝土制品可能会出现开裂，此时可添加抗开裂组分用以提高材料的抗缩抗裂能力。优选的，所述膨胀剂为明矾石类膨胀剂、硫铝酸钙类膨胀剂、氧化钙类膨胀剂及氧化镁类膨胀剂中的一种或多种的混合物。优选的，所述膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂。所述膨胀剂用于补偿硅酸盐水泥材料硬化过程中的收缩，防止制品开裂。优选的，所述防水剂为聚合物乳液、乳胶粉、脂肪酸类防水剂、有机硅类防水剂及硬脂酸盐中的一种或多种的混合物。优选的，所述防水剂为硬脂酸盐，所述硬脂酸盐为硬脂酸钙或硬脂酸镁。添加防水剂可以增强材料的防水性能，降低材料的吸水率。优选的，所述增泡剂用以增大双氧水产气量，可用过渡元素氧化物(如氧化铬、氧化锰、氧化铁等)、过渡元素的盐(硫酸铬、硫酸亚锰等)或强碱(氢氧化钠、氢氧化钾等)，优选过渡元素氧化物，更优选氧化锰。所述增泡剂主要用于在低温环境下催化双氧水分解反应，提升低温环境下的发泡效果和发泡速度。一种上述任一项所述的硅酸盐基轻质泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：1)浆体制备：将硅酸盐水泥、无机掺合料、水及外加剂按照混合比例称量后，加入搅拌机混合搅拌；2)向上述浆体中加入计量的发泡剂，与浆体混合搅拌；3)将搅拌好的浆体注入模具中，通过静止发泡和养护过程，制得硅酸盐基轻质泡沫混凝土。优选的，所述外加剂包括调凝剂、稳泡剂及减水剂，所述外加剂还包括抗开裂组分、膨胀剂、防水剂及增泡剂中的一种成分或多种成分；所述步骤1)进一步包括以下步骤：11)将所述硅酸盐水泥、无机掺合料、水及除去调凝剂外的其它外加剂的成分按照混合比例称量后，加入搅拌机混合搅拌；12)向上述浆体中加入计量的调凝剂，与浆体混合搅拌。本发明的有益效果为：1)本发明所述硅酸盐基轻质泡沫混凝土材料，使用硅酸盐水泥作为胶凝材料，相较硫铝酸盐基材料，其在抗碳化性能、力学性能稳定性、温度耐受性等性能方面得到提升。通过各功能组分(调凝剂、稳泡剂、减水剂、抗开裂组分、膨胀剂等)含量的调整，可适合各种硅酸盐水泥作为基材的制备情况。2)本发明中可使用超细硅酸盐水泥(比表面积＞600m2/kg)作为胶凝材料。该材料具有较高的早期强度，凝结时间较短、水化反应较快、强度增长快等特点，可有效降低塌模率，使拆模时间提前，提高模具周转率。配比中可适量降低调凝剂占比，增加膨胀剂、减水剂和抗开裂组分等组分占比，以制备所述硅酸盐基轻质泡沫混凝土材料。3)本发明中可使用非超细硅酸盐水泥作为胶凝材料，包含pⅰ、pⅱ、p0等多种水泥类型，以及42.5、42.5r、52.5、52.5r、62.5、62.5r等多种水泥型号。4)本发明所述硅酸盐基轻质泡沫混凝土材料，使用双氧水作为发泡剂。通过调整水温、增泡剂、发泡剂等组分含量，可适合在正常或低温度环境下制备所述硅酸盐基轻质泡沫混凝土材料。5)本发明所述硅酸盐基轻质泡沫混凝土材料，通过增加防水剂组分降低材料的吸水率，从而提升其抗冻融等耐候性能。6)本发明所述硅酸盐基轻质泡沫混凝土材料具有以下性能：61)拆模时间≤12小时；62)泡孔分布均匀，泡孔直径≤5mm，密度为150至350kg/m3。63)力学性能满足《特性材料拦阻系统》行业标准(mh/t5111-2015)要求，侵彻抗压强度0.1～0.8mpa，优选0.2～0.45mpa，更优选为0.27～0.42mpa；最大压溃度大于60％，优选大于70％。64)阻燃性能满足《特性材料拦阻系统》行业标准(mh/t5111-2015)要求，符合gb/t8624-2012的a级要求。65)抗冻融性能满足《特性材料拦阻系统》行业标准(mh/t5111-2015)要求，经25次冻融循环后，质量损失率不大于5％，抗冻系数在0.8～1.2范围内。附图说明图1为应力-压溃度曲线及能量吸收效率曲线；图2使用本发明实施例1的硅酸盐基轻质泡沫混凝土所制备单元体的单双孔侵彻应力-压溃深度曲线；图3为本发明实施例1的台架试验结果图；图4为本发明实施例6的台架试验结果图。具体实施方式下面结合附图对本发明的结构进行详细解释说明。如图1至图4所示，本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述各种组分的“质量占比”具体指：各种组分的质量“相对于硅酸盐水泥和无机掺合料总质量的百分比”，也即各种组分的质量除以所述硅酸盐水泥和无机掺合料总质量得到的百分比为各种组分的质量占比。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，其组成成分包括：硅酸盐水泥、无机掺合料、水、发泡剂以及外加剂；其中，所述无机掺合料与所述硅酸盐水泥的质量比为0.3～1.3；所述水的质量占比为35％～65％；所述发泡剂的质量占比为3％～10％。所述硅酸盐基轻质泡沫混凝土，可有效提升材料的性能稳定性，使其环境适应性和耐久性提升。优选的，所述水的质量占比为45％～60％，所述发泡剂的质量占比为4％～8％。所述无机掺合料为碳酸钙或硅质掺合料。所述硅质掺合料为硅灰、矿粉或粉煤灰。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述无机掺合料与所述硅酸盐水泥的质量比为0.8～1.1。所述无机掺合料在组成中起到改善浆体工作性、调整浆体凝结时间及硬化速度、改善力学性能的作用。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述硅酸盐水泥的比表面积为300m2/kg～1400m2/kg。所述硅酸盐水泥在组成中作为胶凝材料，是泡沫混凝土强度的主要来源。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述外加剂包括以下成分：调凝剂、稳泡剂及减水剂；其中，所述调凝剂的质量占比为3％～15％，所述稳泡剂的质量占比为3％～10％，所述减水剂的质量占比为0.1％～3％。优选的，所述调凝剂的质量占比为5％～12％，所述稳泡剂的质量占比为3％～7％，所述减水剂的质量占比为0.2％～2％。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述外加剂还包括下面的一种成分或多种成分：抗开裂组分、膨胀剂、防水剂及增泡剂；其中，所述抗开裂组分的质量占比为0％～3％，所述膨胀剂的质量占比为0％～10％，所述防水剂的质量占比为0％～10％，所述增泡剂的质量占比为0％～3％。优选的，所述抗开裂组分的质量占比为0.5～1％，所述膨胀剂的质量占比为4％～6％，所述防水剂的质量占比为4％～6％，所述增泡剂的质量占比为0.5％～1.2％。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述发泡剂为双氧水，其浓度为15％～70％。优选的，所述发泡剂为浓度为35％或50％的双氧水。所述双氧水在浆体碱性环境和浆体温度作用下能够分解产生氧气，且碱性越强或温度升高，则分解速度加快。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述调凝剂为水溶性钙盐、钠盐、硫酸铝、高铝水泥及硫铝酸盐水泥中的一种或多种的混合物；其中，所述水溶性钙盐为氯化钙、硝酸钙、甲酸钙或亚硝酸钙；所述钠盐为氯化钠、硅酸钠、硝酸钠、亚硝酸钠、硫酸钠、碳酸钠或碳酸氢钠。优选的，所述调凝剂为硫铝酸盐水泥、氯化钠及氯化钙中的一种或两种的混合物。所述调凝剂主要是用于促进无机胶凝材料的凝结硬化，加快其水化反应，缩短凝结硬化时间，一方面使料浆在发泡结束后及时稠化，加快初凝和终凝，在短时间内把气泡稳定和固定，防止塌模；另一方面，使得料浆的强度加速发展，使拆模时间提前，以加快模具周转，降低模具投资，提高产量。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述稳泡剂为十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、α-烯基磺酸钠(aos)、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硅酮酰胺、纤维素醚及淀粉醚中的一种或多种的混合物。优选的，所述稳泡剂为硬脂酸钙及硅酮酰胺中的一种或两种的混合物。所述稳泡剂主要用以提升发泡过程中料浆中气泡的稳定性和液膜的抗破裂能力。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述减水剂为聚羧酸系减水剂、密胺系减水剂、萘磺酸盐减水剂及木质素磺酸盐减水剂中的一种或多种的混合物。优选的，所述减水剂为聚羧酸系减水剂及密胺系减水剂中的一种或两种的混合物。所述减水剂主要用以提高浆体搅拌时的流动度，降低浆体用水量。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述抗开裂组分为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维硅灰石纤维、海泡石纤维及水镁石纤维中的一种或多种的混合物。优选的，所述抗开裂组分为聚丙烯纤维。使用部分型号的硅酸盐水泥(例如高比表面积、细粒径的硅酸盐水泥)时，由于水化热、干缩率等作用下，轻质泡沫混凝土制品可能会出现开裂，此时可添加抗开裂组分用以提高材料的抗缩抗裂能力。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述膨胀剂为明矾石类膨胀剂、硫铝酸钙类膨胀剂、氧化钙类膨胀剂及氧化镁类膨胀剂中的一种或多种的混合物。优选的，所述膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂。所述膨胀剂用于补偿硅酸盐水泥材料硬化过程中的收缩，防止制品开裂。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述防水剂为聚合物乳液、乳胶粉、脂肪酸类防水剂、有机硅类防水剂及硬脂酸盐中的一种或多种的混合物。优选的，所述防水剂为硬脂酸盐，所述硬脂酸盐为硬脂酸钙或硬脂酸镁。添加防水剂可以增强材料的防水性能，降低材料的吸水率。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土，所述增泡剂用以增大双氧水产气量，可用过渡元素氧化物(如氧化铬、氧化锰、氧化铁等)、过渡元素的盐(硫酸铬、硫酸亚锰等)或强碱(氢氧化钠、氢氧化钾等)，优选过渡元素氧化物，更优选氧化锰。所述增泡剂主要用于在低温环境下催化双氧水分解反应，提升低温环境下的发泡效果和发泡速度。本发明实施例提供的硅酸盐基轻质泡沫混凝土，其泡孔分布均匀，泡孔直径≤5mm，密度为150至350kg/m3，优选180～280kg/m3。本发明实施例提供的硅酸盐基轻质泡沫混凝土，具有如下力学性能特点：侵彻抗压强度0.1～0.8mpa，优选0.2～0.45mpa，更优选为0.27～0.42mpa。图1所示的本发明实施例提供的硅酸盐基轻质泡沫混凝土的侵彻试验应力-应变曲线三段式特征，分为初始段、溃缩段(平台段)和压实段。且最大压溃度大于60％，优选大于70％。其具有用于机场跑道端特性材料拦阻系统的用途。在材料力学性能试验中，材料溃缩吸收能量，期间能量吸收效率最高时的压溃度为最大压溃度，能量吸收效率按公式(1)计算：式中：η——试样溃缩时的能量吸收效率；σ——试样的压应力，单位为兆帕(mpa)；ε——试样的压溃度。本发明实施例提供的一种硅酸盐基轻质泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：1)浆体制备：11)将所述硅酸盐水泥、无机掺合料、水、稳泡剂、减水剂、抗开裂组分、膨胀剂、防水剂及增泡剂按照混合比例称量后，加入搅拌机混合搅拌；12)向上述浆体中加入计量的调凝剂，与浆体混合搅拌。2)向上述浆体中加入计量的发泡剂，与浆体混合搅拌。3)将搅拌好的浆体注入模具中，通过静止发泡和养护过程，制得硅酸盐基轻质泡沫混凝土。本发明的目的在于提供一种用于emas的就地成型或可预制成型的硅酸盐基轻质泡沫混凝土材料，其组成成分主要包括硅酸盐水泥、无机掺合料、水、发泡剂以及外加剂(调凝剂、稳泡剂、减水剂、抗开裂组分、膨胀剂、防水剂、增泡剂等)。在下述实施例1-9中，以100份的硅酸盐水泥为基准，其他组分占比以硅酸盐水泥和无机掺合料总质量为基准计算质量占比。实施例1-9各实施例的原料种类见表1所示。表1各实施例的各组分配比见表2所示。表2各实施例制备的硅酸盐基轻质泡沫混凝土材料的性能检测结果见表3所示。表3从上表的性能数据及对比《特性材料拦阻系统》行业标准(mh/t5111-2015)要求可以看出，本发明的发泡组合物能够满足用于机场跑道端特性材料拦阻系统的性能要求。分别将实施例1和实施例6的硅酸盐基轻质泡沫混凝土成型为1000mm×1000mm×500mm的单元体(所述单元体为通过模具成型的实心的长方体块)，将所述单元体进行《特性材料拦阻系统》行业标准(mh/t5111-2015)所规定的台架试验验证。台架试验的部分参数如表4所示。编号材料高度(cm)铺设长度(m)胎压(mpa)负载(ton)速度(m/min)实施例15071.411522实施例65071.417.714.7表4以实施例1为例，测得的试验结果如图3所示。以实施例6为例，测得的试验结果如图4所示。经设计计算，航向载荷的计算结果与测量结果的平均相对误差小于10％。综上，此类硅酸盐基轻质泡沫混凝土材料的性能符合emas标准要求，在emas领域有较好的应用前景。以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12