本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种高强度保温防火泡沫混凝土及其制备方法。
背景技术：
随着国家环保节能政策的推动和人民生活水平的提高，我国对建筑节能的需求也日益迫切。外墙保温是降低建筑能耗的有效手段，但传统的聚苯乙烯泡沫板等有机保温材料存在严重的火灾风险，阻燃保温材料又具有防火性能不佳(达不到a级)等弊端。为满足建筑防火节能性的要求，需要开发新型建筑防火保温材料。
泡沫混凝土作为外墙保温材料，在建筑材料领域得到了广泛关注。泡沫混凝土由胶凝材料、发泡剂和水等基本组分组成，在此基础上加入骨料、添加剂等，再将泡沫加入胶凝材料浆体，制成泡沫料浆，然后成型或现浇，经养护所形成的微孔轻质材料。泡沫混凝土由于密度小、吸水率低、保温隔热性能好等优势逐渐成为了研究重点。但现有的泡沫混凝土的强度较低，且防火性能差。
美国专利us8070876公开了一种防火保温发泡储能胶结复合材料，主要成份包含相转变材料、煅烧石膏、水硬水泥、聚苯乙烯颗粒、粉煤灰、聚合物乳液和泡沫溶液；复合材料中还可以加入增强纤维，表面活性剂，无机阻燃剂和其他添加剂。虽然该发明材料的干表观密度可低至219kg/m3，但强度和保温性能仍然较低，相应的导热系数为0.06w/(m·k)，抗压强度为1.05mpa，并且需要添加阻燃剂来提高阻燃性能。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高强度保温防火泡沫混凝土及其制备方法。本发明提供的高强度保温防火泡沫混凝土强度高，保温和防火性能好。
本发明提供了一种高强度保温防火泡沫混凝土，按质量含量计，由包括以下组分的原料制备得到：水泥20～30％，石膏20～40％，水10～15％，煤矸石10～20％，轻集料0.5～30％，纤维0.2～5％，泡沫0.5～25％，减水剂0.05～2％。
优选的，所述煤矸石为煅烧后的煤矸石。
优选的，所述煅烧的温度为700～800℃，所述煅烧的时间为0.5～2h。
优选的，所述煤矸石的粒径为0.08～2mm。
优选的，所述水泥与石膏的质量比为(1～2):(2～1)。
优选的，所述轻集料的导热系数不高于0.1w/(m·k)，轻集料的密度不高于300kg/m3。
优选的，所述轻集料包括有机轻集料和无机轻集料中的一种或多种。
优选的，所述纤维的直径为0.5～2mm，纤维的长度为5～50mm。
优选的，所述泡沫中泡沫剂的质量含量为0.5～10％。
本发明还提供了上述技术方案所述高强度保温防火泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、石膏、水、煤矸石和减水剂混合，得到浆料；
将所述浆料与纤维混合，得到纤维混合物；
将所述纤维混合物与轻集料混合，得到混凝土前驱体；
将所述混凝土前驱体与泡沫混合，得到泡沫混凝土前驱体；
将所述泡沫混凝土前驱体成型，得到高强度保温防火泡沫混凝土。
本发明提供了一种高强度保温防火泡沫混凝土，按质量含量计，由包括以下组分的原料制备得到：水泥20～30％，石膏20～40％，水10～15％，煤矸石10～20％，轻集料0.5～30％，纤维0.2～5％，泡沫0.5～25％，减水剂0.05～2％。本发明以煤矸石作为矿物掺合料，利用石膏和纤维的增强作用提高强度，通过轻集料提高保温性能，通过控制各组分的含量，得到的高强度保温防火泡沫混凝土强度高，保温和防火性能好。实验结果表明，本发明提供的高强度保温防火泡沫混凝土7天抗压强度为1.31mpa，导热系数为0.044w/(m·k)，燃烧性能可达a级不燃性。
并且，本发明高强度保温防火泡沫混凝土以煤矸石为原料，成本低，并且密度低，耐水性好。试验结果表明，本发明提供的高强度保温防火泡沫混凝土干表观密度为226kg/m3，吸水率为1.33％。
具体实施方式
本发明提供了一种高强度保温防火泡沫混凝土，按质量含量计，由包括以下组分的原料制备得到：水泥20～30％，石膏20～40％，水10～15％，煤矸石10～20％，轻集料0.5～30％，纤维0.2～5％，泡沫0.5～25％，减水剂0.05～2％。
在本发明中，制备高强度保温防火泡沫混凝土的原料包括质量含量为10～15％的水，优选为12～14％。
在本发明中，制备高强度保温防火泡沫混凝土的原料包括质量含量为20～30％的水泥，优选为22～28％，更优选为24～26％。在本发明中，所述水泥优选包括硅酸盐水泥、镁水泥、铝酸钙水泥和膨胀水泥中的一种或多种。在本发明中，所述水泥作为胶凝材料，可通过水化反应与水生成坚硬的非水溶性物质。
在本发明中，制备高强度保温防火泡沫混凝土的原料包括质量含量为20～40％的石膏，优选为25～35％，更优选为28～32％。在本发明中，所述石膏优选为半水合硫酸钙(熟石膏)，更优选包括α或β晶型的半水合硫酸钙。在本发明中，所述石膏与水混合后快速固化生成坚硬的二水合硫酸钙(生石膏)。
在本发明中，所述水泥和石膏的质量比优选为(1～2):(2～1)，更优选为(1.4～1.8):(1.8～1.4)。在本发明中，所述水泥与石膏均为胶凝材料，水泥较好的耐水性、耐久性和机械强度与石膏快速的固化能力、较高的早期强度、较好的耐火及保温性能相结合可以得到优异的胶凝体系。
在本发明中，制备高强度保温防火泡沫混凝土的原料包括质量含量为10～20％的煤矸石，优选为12～18％，更优选为14～16％。在本发明中，所述煤矸石的粒径优选为0.08～2mm，更优选为0.1～1.5mm，最优选为0.5～1mm。在本发明中，所述煤矸石优选为煅烧后的煤矸石。在本发明中，所述煅烧的温度优选为700～800℃，更优选为720～780℃，最优选为740～760℃；所述煅烧的时间优选为0.5～2h，更优选为1～1.5h。在本发明中，所述煤矸石作为体系填料，能够提高混凝土的强度，同时降低成本。在本发明中，所述煅烧后的煤矸石具有火山灰的活性，与胶凝材料之间具有较强的结合力。
在本发明中，制备高强度保温防火泡沫混凝土的原料包括质量含量为0.5～30％的轻集料，优选为1～25％，更优选为5～20％，最优选为10～15％。在本发明中，所述轻集料的导热系数优选不高于0.1w/(m·k)，更优选为0.2～0.8w/(m·k)，最优选为0.4～0.6w/(m·k)；所述轻集料的密度优选不高于300kg/m3，更优选为50～200kg/m3，最优选为100～150kg/m3。
在本发明中，所述轻集料优选包括有机轻集料和无机轻集料中的一种或多种；所述有机轻集料优选包括可发性聚苯乙烯颗粒；所述无机轻集料优选包括膨胀珍珠岩。在本发明中，所述可发性聚苯乙烯颗粒的粒径优选为0.2～5mm，更优选为0.5～4mm，最优选为1～3mm；所述可发性聚苯乙烯颗粒的密度优选为1.6～80kg/m3，更优选为5～60kg/m3，最优选为20～40kg/m3。在本发明中，所述膨胀珍珠岩的粒径优选为0.1～5mm，更优选为0.5～4mm，最优选为1～3mm；所述膨胀珍珠岩的密度优选为16～160kg/m3，更优选为30～120kg/m3，最优选为50～90kg/m3。在本发明中，所述轻集料作为体系填充料，不仅能够降低体系容重也能够提高体系的保温性能。
在本发明中，制备高强度保温防火泡沫混凝土的原料包括质量含量为0.2～5％的纤维，优选为0.5～4％，更优选为1～3％。在本发明中，所述纤维的直径优选为0.5～2mm，更优选为1～1.5mm；所述纤维的长度优选为5～50mm，更优选为10～40mm，最优选为20～30mm。本发明对所述纤维的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的增强纤维即可。在本发明中，所述纤维优选为无机玻璃纤维、聚酯纤维和聚丙烯纤维中的一种或多种。在本发明中，所述纤维作为体系增强材料能够提高混凝土的强度。
在本发明中，制备高强度保温防火泡沫混凝土的原料包括质量含量为0.5～25％的泡沫，优选为1～20％，更优选为5～15％。在本发明中，所述泡沫中泡沫剂的质量含量优选为0.5～10％，更优选为1～8％，最优选为3～5％。在本发明中，所述泡沫剂优选包括阴离子型表面活性剂类泡沫剂和蛋白类泡沫剂中的一种或多种；所述阴离子型表面活性剂类泡沫剂优选包括十二烷基苯磺酸钠和/或十二烷基硫酸钠；所述蛋白类泡沫剂优选包括动物蹄角泡沫剂和/或动物毛泡沫剂。在本发明中，当所述泡沫剂包括阴离子型表面活性剂类泡沫剂和蛋白类泡沫剂时，所述泡沫剂中阴离子型表面活性剂类泡沫剂和蛋白类泡沫剂的质量比优选为(20～80％):(80～20％)，更优选为(40～60％):(60～40％)。
在本发明中，制备高强度保温防火泡沫混凝土的原料包括质量含量为0.05～2％的减水剂，优选为0.1～1.5％，更优选为0.5～1％。本发明对所述减水剂的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混凝土用减水剂即可。在本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸类减水剂。
本发明还提供了上述技术方案所述高强度保温防火泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、石膏、水、煤矸石和减水剂混合，得到浆料；
将所述浆料与纤维混合，得到纤维混合物；
将所述纤维混合物与轻集料混合，得到混凝土前驱体；
将所述混凝土前驱体与泡沫混合，得到泡沫混凝土前驱体；
将所述泡沫混凝土前驱体成型，得到高强度保温防火泡沫混凝土。
本发明将水泥、石膏、水、煤矸石和减水剂混合，得到浆料。本发明对所述水泥、石膏、水、煤矸石和减水剂的混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合物料的技术方案即可。在本发明中，所述水泥、石膏、水、煤矸石和减水剂的混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率优选为200～300r/min，更优选为220～280r/min，最优选为240～260r/min；所述搅拌的时间优选为2～6min，更优选为3～5min。
得到浆料后，本发明将所述浆料与纤维混合，得到纤维混合物。本发明对所述浆料与纤维的混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备纤维混合物的技术方案即可。在本发明中，所述浆料与纤维的混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率优选为200～300r/min，更优选为220～280r/min，最优选为240～260r/min；所述搅拌的时间优选为2～6min，更优选为3～5min。
得到纤维混合物后，本发明得到纤维混合物将所述纤维混合物与轻集料混合，得到混凝土前驱体。在本发明中，所述纤维混合物与轻集料的混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率优选为200～300r/min，更优选为220～280r/min，最优选为240～260r/min；所述搅拌的时间优选为2～6min，更优选为3～5min。
得到混凝土前驱体后，本发明将所述混凝土前驱体与泡沫混合，得到泡沫混凝土前驱体。在本发明中，所述混凝土前驱体与泡沫的混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率优选为200～300r/min，更优选为220～280r/min，最优选为240～260r/min；所述搅拌的时间优选为2～6min，更优选为3～5min。
本发明对所述泡沫的制备的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备泡沫的技术方案即可。在本发明中，所述泡沫的制备优选为：将泡沫剂与水混合，高速分散搅拌得到泡沫。在本发明中，所述高速分散搅拌的速率优选为2000～3000r/min，更优选为2200～2800r/min，最优选为2400～2600r/min；所述高速分散搅拌的时间优选为3～5min，更优选为4min。
得到泡沫混凝土前驱体后，本发明将所述泡沫混凝土前驱体成型，得到高强度保温防火泡沫混凝土。在本发明中，所述成型优选为通过振动成型。在本发明中，所述振动的频率优选为46～53hz，更优选为48～51hz；所述振动的时间优选为5～30s，更优选为7～28s，最优选为9～26s。在本发明中，所述振动的容器优选为模具。在本发明中，所属振动的装置优选为水泥胶砂振动台。
振动完成后，本发明优选将所述振动后的产物进行静置后脱模，然后养护得到高强度保温防火泡沫混凝土。在本发明中，所述静置的温度优选为室温；所述静置的时间优选为22～26h，更优选为24h。
在本发明中，所述养护的温度优选为19～22℃，更优选为20～21℃；所述养护的湿度优选为95～99％，更优选为96～98％；所述养护的时间优选为6～8天，更优选为7天。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的高强度保温防火泡沫混凝土及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:
一种高强度保温防火泡沫混凝土，它是由水、硅酸盐水泥、半水合硫酸钙、煤矸石、聚苯乙烯颗粒、玻璃纤维、泡沫和减水剂混合而成。
泡沫各组分质量比为：
泡沫剂0.3％
水99.7％
高强度保温防火泡沫混凝土，各组分的质量比为：
泡沫3.2％
硅酸盐水泥24％
半水合硫酸钙38％
煤矸石12％
聚苯乙烯颗粒8％
玻璃纤维3.6％
减水剂0.2％
水11％
制备方法:
1)将所述质量分数的泡沫剂及所述质量分数的水混合均匀后，使用高速分散机搅拌5min，制备出泡沫备用，其中，高速分散机转速为3000r/min；
2)将所述重量份数的水、硅酸盐水泥、半水合碳酸钙、煤矸石及减水剂加入搅拌机中以300r/min搅拌6min，得到均匀的混凝土浆料；
3)将所述重量份数的玻璃纤维加入所述搅拌机中以300r/min搅拌6min，得到均匀的混凝土浆料；
4)将所述重量份数的聚苯乙烯颗粒加入所述搅拌机中以300r/min搅拌6min，得到均匀的混凝土浆料，得到混凝土浆料；
5)将备用的泡沫加入混凝土浆料中以300r/min搅拌6min，得到均匀的混凝土浆料；
6)将步骤5)中所述混合物注入模具中，将装有所述混合物的模具置于水泥胶砂振动台上以50hz频率振动10s成型，使用镘刀将模具表面砂浆抹平，室温下静养24小时，脱模；
7)将步骤6)中脱模后的混凝土成型试块放入混凝土养护箱中，在温度20℃、湿度99％条件下养护7天。
经标准测试，所得混凝土成型试块的导热系数为0.045w/(m·k)，燃烧性能为a级不燃性，干表观密度为231kg/m3，7天抗压强度为1.34mpa，吸水率为1.32％。
实施例2:
一种高强度保温防火泡沫混凝土，它是由水、硅酸盐水泥、半水合硫酸钙、煤矸石、聚苯乙烯颗粒、玻璃纤维、泡沫和减水剂混合而成。
泡沫各组分质量比为：
泡沫剂0.3％
水99.7％
高强度保温防火泡沫混凝土，各组分的质量比为：
泡沫3.2％
硅酸盐水泥22％
半水合硫酸钙38％
煤矸石14％
聚苯乙烯颗粒8％
玻璃纤维3.6％
减水剂0.2％
水11％
制备方法同实施例1。
经标准测试，所得混凝土成型试块的导热系数为0.044w/(m·k)，燃烧性能为a级不燃性，干表观密度为226kg/m3，7天抗压强度为1.31mpa，吸水率为1.33％。
实施例3:
一种高强度保温防火泡沫混凝土，它是由水、硅酸盐水泥、半水合硫酸钙、煤矸石、聚苯乙烯颗粒、玻璃纤维、泡沫和减水剂混合而成。
泡沫各组分质量比为：
泡沫剂0.3％
水99.7％
高强度保温防火泡沫混凝土，各组分的质量比为：
泡沫3.2％
硅酸盐水泥24％
半水合硫酸钙36％
煤矸石14％
聚苯乙烯颗粒8％
玻璃纤维3.6％
减水剂0.2％
水11％
制备方法同实施例1。
经标准测试，所得混凝土成型试块的导热系数为0.048w/(m·k)，燃烧性能为a级不燃性，干表观密度为228kg/m3，7天抗压强度为1.29mpa，吸水率为1.35％。
实施例4:
一种高强度保温防火泡沫混凝土，它是由水、硅酸盐水泥、半水合硫酸钙、煤矸石、聚苯乙烯颗粒、玻璃纤维、泡沫和减水剂混合而成。
泡沫各组分质量比为：
泡沫剂0.3％
水99.7％
高强度保温防火泡沫混凝土，各组分的质量比为：
泡沫3.2％
硅酸盐水泥22％
半水合硫酸钙40％
煤矸石12％
聚苯乙烯颗粒8％
玻璃纤维3.6％
减水剂0.2％
水11％
制备方法同实施例1。
经标准测试，所得混凝土成型试块的导热系数为0.50w/(m·k)，燃烧性能为a级不燃性，干表观密度为234kg/m3，7天抗压强度为1.31mpa，吸水率为1.35％。
由以上实施例可以看出，本发明提供的高强度保温防火泡沫混凝土强度高，保温和防火性能好，并且成本低，密度低，耐水性好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。