本发明涉及混凝土技术领域，具体地指一种高强度超轻质水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术：
超轻质水泥基复合材料是指容重小于1000kg/m3，即密度小于水的一种水泥基材料。现有容重小于水的水泥基材料主要有泡沫混凝土和加气混凝土，即将混凝土中引入空气形成蜂窝空腔，这种空腔结构也导致了该混凝土抗压强度较低，为5mpa左右，无法用于工程承重结构当中。采用空心玻璃微珠作为减轻混凝土密度的组分成为超轻质混凝土的趋势。
cn106007599a公开了一种超轻质混凝土及其制备方法，组分中含有胶凝材料(硅酸盐水泥、粒化高炉矿渣、硅灰)、空心玻璃微珠、减水剂、水、胶乳、聚乙烯醇纤维，密度为650kg/m3，但强度太低为8.1-8.3mpa，无法用于海上建筑材料。
cn107602019a公开了一种超轻质混凝土，组分中含有水泥、漂珠、硅灰、减水剂、水、粉煤灰、石灰岩粉、游离状态氧化钙、聚丙烯纤维或钢纤维或其组合、缩水剂、减水剂，该混凝土密度1179-1380kg/m3，30℃时为50-65.5mpa，900℃时仍有8.2-19.4mpa，因此该混凝土应用于防高温爆裂的建筑构件，而其高于水的密度使其无法应用于海上建筑材料。
海上特殊环境会使混凝土遭受氯离子侵蚀，钢筋锈蚀十分严重，上述的超轻质混凝土均未考虑抵抗氯离子耐腐蚀性能这一重要指标，因此，需要开发出一种密度小、强度高、抗氯离子渗透性能好的超轻质复合材料及其制备方法，促进海上漂浮建筑的建设。
技术实现要素：
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种密度小、强度高、抗渗性能好的超轻质复合材料及其制备方法。
本发明的技术方案为：一种高强度超轻质水泥基复合材料，其特征在于，包括以下组分：胶凝材料、空心玻璃微珠、聚羧酸系高性能减水剂、水，其中胶凝材料、聚羧酸系高性能减水剂、水的质量比为100:1-2.5:100-200，所述胶凝材料与空心玻璃微珠的体积比为1:3-8；
所述胶凝材料包括以下质量百分数的组分：水泥57％～78％、漂珠15％～25％、硅灰3％～10％，磷石膏1％～3％，聚合氯化铝3％～5％，以上水泥、漂珠、硅灰、磷石膏、聚合氯化铝质量百分数之和为100％。本方案采用胶凝材料与空心玻璃微珠配合，由于水泥、漂珠、硅灰、磷石膏和聚合氯化铝之间的相互激发、促进水化，生成的水化产物十分密实，在低密度下极大的提高了其强度和抗氯离子渗透性，最终得到超轻质水泥基复合材料抗压强度为12.6-15.2mpa，密度870-970kg/m3，抗氯离子渗透性3.6×10-12-5×10-12m2/s。
本发明使用磷石膏的目的在于：磷石膏是一种超细酸性的工业固体废弃物，其颗粒越细则其比表面积越大，增加了与水接触的面积，加快了自身ca2+和so42-的溶出速率，也就是加快了钙矾石的晶体成核速率，这对于胶凝材料早期强度的形成有巨大的促进作用，磷石膏加入到超轻质水泥基复合材料中，起到优化颗粒级配和硫酸盐激发硅灰的效果。磷石膏颗粒的细小，可充分发挥其物理密实填充作用；其次，胶凝材料体系中的硅灰在硅酸盐水泥提供的碱激发作用和磷石膏的硫酸盐激发作用下发生水化反应，水化产物为钙矾石和c-s-h凝胶，钙矾石与c-s-h凝胶相互交织在一起，形成空间网状结构，填充了硬化水泥浆体的表面、孔洞和缝隙，形成了一个致密的整体。这是其他材料所不能实现的，将其作为超轻质水泥基复合材料的矿物掺合料，是实现磷石膏有效利用的一种好途径，具有显著的经济效益。
本发明使用聚合氯化铝的目的在于：聚合氯化铝为工业水处理剂聚合铝，掺入聚合氯化铝后，ca(oh)2的消耗速率增加，溶解于孔溶液中的ca(oh)2与矿粉的反应程度提高，生成更多的水化产物。此外，聚合氯化铝中的al3+会进入c-s-h凝胶链间，取代c-s-h凝胶中的si，参与c-s-h凝胶的形成过程，水化产物ca/(si+al)比降低，界面处胶凝材料的水化程度提高，水化产物的量增多，填充了界面空隙，使粘结界面更密实。
本发明使用空心玻璃微珠的目的在于：空心玻璃微珠为空心结构，具有重量轻、体积大、抗压强度高、流动性好等特点，不但可以大幅降低材料的密度，也可赋予其优异的隔热、隔音等性能。
优选的，所述漂珠的平均粒径d50为1-5μm，比表面积为3000～3600m2/kg。
优选的，所述硅灰为sio2质量百分数为92％～98％、比表面积为15000m2/kg～18000m2/kg的非加密硅灰。
优选的，所述空心玻璃微珠的密度在360kg/m3～400kg/m3，抗压强度为38mpa～43mpa，粒径为80μm≤d90≤90μm。
优选的，所述磷石膏为原状磷石膏粉磨至比表面积800m2/kg～900m2/kg。
优选的，所述聚合氯化铝比表面积为180m2/kg～200m2/kg。
优选的，所述胶凝材料、空心玻璃微珠、聚羧酸系高性能减水剂、水，其中胶凝材料、聚羧酸系高性能减水剂、水的质量比为100:1.5-2:150-180，所述胶凝材料与空心玻璃微珠的体积比为1:5-7。
优选的，所述胶凝材料包括以下质量百分数的组分：水泥68％～75％、漂珠18％～20％、硅灰3％～6％，磷石膏1％～2％，聚合氯化铝3％～4％，以上水泥、漂珠、硅灰、磷石膏、聚合氯化铝质量百分数之和为100％。本方案有利于胶凝材料组分间更优的配合，最终得到超轻质水泥基复合材料抗压强度为14.4-15.2mpa，密度870-925kg/m3，抗氯离子渗透性3.6×10-12-4×10-12m2/s。
本发明还提供一种上述的高强度超轻质水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤为：
(1)空心玻璃微珠置于17-23℃的饱和石灰水清液中搅拌碱蚀2小时，然后冲洗至中性，经60℃下烘干、自然冷却后，加入全部水质量10-20％的水混合进行预湿处理，得到a组分；
(2)将胶凝材料组分水泥、漂珠、硅灰、磷石膏、聚合氯化铝进行预混合，得到b组分，将聚羧酸系高性能减水剂和剩余的水混合，得到c组分；
(3)先将a组分置于搅拌机中拌合1分钟，再将b组分加入，拌合1分钟，最后将c组分加入，拌合3～5分钟，待浆体拌合均匀后，注入模具，置于60℃蒸养3天，自然冷却至室温后，得到超轻质水泥基复合材料。本方案将空心玻璃微珠进行预处理是为了通过碱蚀，使空心玻璃微珠表面粗糙化，增大空心玻璃微珠和胶凝材料水化产物之间的粘结力，从而提高强度和抗氯离子渗透性。
本发明的有益效果为：
采用胶凝材料与空心玻璃微珠配合，得到低密度、高强度的超轻质水泥基复合材料，而且抗氯离子渗透性效果极佳，在海上漂浮建筑上有较好的应用前景，有利于促进海上漂浮建筑(人工漂浮岛、浮式平台、工程用浮箱等)的建设。
附图说明
图1为本发明制备方法的工艺流程图
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中：水泥为强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥(42.5、52.5、62.5级均可)；漂珠的平均粒径为1-5μm，比表面积3000～3600m2/kg；硅灰为sio2质量百分数为92％～98％、比表面积为15000m2/kg～18000m2/kg的非加密硅灰；空心玻璃微珠的密度为360kg/m3～400kg/m3，抗压强度为38mpa～43mpa，粒径80μm≤d90≤90μm；磷石膏为原状磷石膏粉磨至比表面积为800m2/kg～900m2/kg；聚合氯化铝比表面积为180m2/kg～200m2/kg；聚羧酸系高性能减水剂减水率大于30％。
实施例1
本实施提供的一种超轻质水泥基复合材料，包括以下组分：胶凝材料、空心玻璃微珠、聚羧酸系高性能减水剂、水，
其中胶凝材料、聚羧酸系高性能减水剂、水的质量比为100:2:100；
胶凝材料与空心玻璃微珠的体积比为1:5；
胶凝材料由以下质量百分数的组分混合得到：水泥62.5％、漂珠25％、硅灰5％，磷石膏2.5％，聚合氯化铝5％。
上述超轻质水泥基复合材料的制备方法的工艺流程如图1所示，具体步骤为：
(1)将空心玻璃微珠置于17-23℃的饱和石灰水清液中搅拌碱蚀2h，然后冲洗至中性，经60℃下烘干、自然冷却后，加入质量分数10％的水(即全部水质量的10％)混合进行预湿处理，得到a组分；
(2)将胶凝材料组分水泥、漂珠、硅灰、磷石膏、聚合氯化铝进行预混合，得到b组分，将聚羧酸系高性能减水剂和剩余的水混合，得到c组分；
(3)先将a组分置于搅拌机中拌合1分钟，再将b组分加入，拌合1分钟，最后将c组分加入，拌合3～5分钟，待浆体拌合均匀后，注入模具，置于60℃蒸养3d，自然冷却至室温后，得到超轻质水泥基复合材料。
实施例2
本实施提供的一种超轻质水泥基复合材料，包括以下组分：胶凝材料、空心玻璃微珠、聚羧酸系高性能减水剂、水，
其中胶凝材料、聚羧酸系高性能减水剂、水的质量比为100:2.5:200；
胶凝材料与空心玻璃微珠的体积比为1:4；
胶凝材料由以下质量百分数的组分混合得到：水泥57％、漂珠25％、硅灰10％，磷石膏3％，聚合氯化铝5％。
上述超轻质水泥基复合材料的制备方法的工艺流程如图1所示，具体步骤为：
(1)将空心玻璃微珠置于17-23℃的饱和石灰水清液中搅拌碱蚀2h，然后冲洗至中性，经60℃下烘干、自然冷却后，加入质量分数15％的水(即全部水质量的15％)混合进行预湿处理，得到a组分；
(2)将胶凝材料组分水泥、漂珠、硅灰、磷石膏、聚合氯化铝进行预混合，得到b组分，将聚羧酸系高性能减水剂和剩余的水混合，得到c组分；
(3)先将a组分置于搅拌机中拌合1分钟，再将b组分加入，拌合1分钟，最后将c组分加入，拌合3～5分钟，待浆体拌合均匀后，注入模具，置于60℃蒸养3d，自然冷却至室温后，得到超轻质水泥基复合材料。
实施例3
本实施提供的一种超轻质水泥基复合材料，包括以下组分：胶凝材料、空心玻璃微珠、聚羧酸系高性能减水剂、水，
其中胶凝材料、聚羧酸系高性能减水剂、水的质量比为100:1.5:160；
胶凝材料与空心玻璃微珠的体积比为1:7；
胶凝材料由以下质量百分数的组分混合得到：水泥69％、漂珠19.5％、硅灰5.5％，磷石膏2％，聚合氯化铝4％。
上述超轻质水泥基复合材料的制备方法的工艺流程如图1所示，具体步骤为：
(1)将空心玻璃微珠置于17-23℃的饱和石灰水清液中搅拌碱蚀2h，然后冲洗至中性，经60℃下烘干、自然冷却后，加入质量分数20％的水(即全部水质量的20％)混合进行预湿处理，得到a组分；
(2)将胶凝材料组分水泥、漂珠、硅灰、磷石膏、聚合氯化铝进行预混合，得到b组分，将聚羧酸系高性能减水剂和剩余的水混合，得到c组分；
(3)先将a组分置于搅拌机中拌合1分钟，再将b组分加入，拌合1分钟，最后将c组分加入，拌合3～5分钟，待浆体拌合均匀后，注入模具，置于60℃蒸养3d，自然冷却至室温后，得到超轻质水泥基复合材料。
实施例4
本实施提供的一种超轻质水泥基复合材料，包括以下组分：胶凝材料、空心玻璃微珠、聚羧酸系高性能减水剂、水，
其中胶凝材料、聚羧酸系高性能减水剂、水的质量比为100:1.8:150；
胶凝材料与空心玻璃微珠的体积比为1:6；
胶凝材料由以下质量百分数的组分混合得到：水泥72.5％、漂珠19％、硅灰3.5％，磷石膏1.5％，聚合氯化铝3.5％。
上述超轻质水泥基复合材料的制备方法的工艺流程如图1所示，具体步骤为：
(1)将空心玻璃微珠置于17-23℃的饱和石灰水清液中搅拌碱蚀2h，然后冲洗至中性，经60℃下烘干、自然冷却后，加入质量分数12％的水(即全部水质量的12％)混合进行预湿处理，得到a组分；
(2)将胶凝材料组分水泥、漂珠、硅灰、磷石膏、聚合氯化铝进行预混合，得到b组分，将聚羧酸系高性能减水剂和剩余的水混合，得到c组分；
(3)先将a组分置于搅拌机中拌合1分钟，再将b组分加入，拌合1分钟，最后将c组分加入，拌合3～5分钟，待浆体拌合均匀后，注入模具，置于60℃蒸养3d，自然冷却至室温后，得到超轻质水泥基复合材料。
实施例5
本实施提供的一种超轻质水泥基复合材料，包括以下组分：胶凝材料、空心玻璃微珠、聚羧酸系高性能减水剂、水，
其中胶凝材料、聚羧酸系高性能减水剂、水的质量比为100:2:180；
胶凝材料与空心玻璃微珠的体积比为1:5；
胶凝材料由以下质量百分数的组分混合得到：水泥68％、漂珠20％、硅灰6％，磷石膏2％，聚合氯化铝4％。
上述超轻质水泥基复合材料的制备方法的工艺流程如图1所示，具体步骤为：
(1)将空心玻璃微珠置于17-23℃的饱和石灰水清液中搅拌碱蚀2h，然后冲洗至中性，经60℃下烘干、自然冷却后，加入质量分数18％的水(即全部水质量的18％)混合进行预湿处理，得到a组分；
(2)将胶凝材料组分水泥、漂珠、硅灰、磷石膏、聚合氯化铝进行预混合，得到b组分，将聚羧酸系高性能减水剂和剩余的水混合，得到c组分；
(3)先将a组分置于搅拌机中拌合1分钟，再将b组分加入，拌合1分钟，最后将c组分加入，拌合3～5分钟，待浆体拌合均匀后，注入模具，置于60℃蒸养3d，自然冷却至室温后，得到超轻质水泥基复合材料。
实施例6
本实施提供的一种超轻质水泥基复合材料，包括以下组分：胶凝材料、空心玻璃微珠、聚羧酸系高性能减水剂、水，
其中胶凝材料、聚羧酸系高性能减水剂、水的质量比为100:1.7:170；
胶凝材料与空心玻璃微珠的体积比为1:5.5；
胶凝材料由以下质量百分数的组分混合得到：水泥75％、漂珠18％、硅灰3％，磷石膏1％，聚合氯化铝3％。
上述超轻质水泥基复合材料的制备方法的工艺流程如图1所示，具体步骤为：
(1)将空心玻璃微珠置于17-23℃的饱和石灰水清液中搅拌碱蚀2h，然后冲洗至中性，经60℃下烘干、自然冷却后，加入质量分数10％的水(即全部水质量的10％)混合进行预湿处理，得到a组分；
(2)将胶凝材料组分水泥、漂珠、硅灰、磷石膏、聚合氯化铝进行预混合，得到b组分，将聚羧酸系高性能减水剂和剩余的水混合，得到c组分；
(3)先将a组分置于搅拌机中拌合1分钟，再将b组分加入，拌合1分钟，最后将c组分加入，拌合3～5分钟，待浆体拌合均匀后，注入模具，置于60℃蒸养3d，自然冷却至室温后，得到超轻质水泥基复合材料。
实施例7
本实施提供的一种超轻质水泥基复合材料，包括以下组分：胶凝材料、空心玻璃微珠、聚羧酸系高性能减水剂、水，
其中胶凝材料、聚羧酸系高性能减水剂、水的质量比为100:2.2:130；
胶凝材料与空心玻璃微珠的体积比为1:8；
胶凝材料由以下质量百分数的组分混合得到：水泥78％、漂珠15％、硅灰3％，磷石膏1％，聚合氯化铝3％。
上述超轻质水泥基复合材料的制备方法的工艺流程如图1所示，具体步骤为：
(1)将空心玻璃微珠置于17-23℃的饱和石灰水清液中搅拌碱蚀2h，然后冲洗至中性，经60℃下烘干、自然冷却后，加入质量分数15％的水(即全部水质量的15％)混合进行预湿处理，得到a组分；
(2)将胶凝材料组分水泥、漂珠、硅灰、磷石膏、聚合氯化铝进行预混合，得到b组分，将聚羧酸系高性能减水剂和剩余的水混合，得到c组分；
(3)先将a组分置于搅拌机中拌合1分钟，再将b组分加入，拌合1分钟，最后将c组分加入，拌合3～5分钟，待浆体拌合均匀后，注入模具，置于60℃蒸养3d，自然冷却至室温后，得到超轻质水泥基复合材料。
实施例8
本实施提供的一种超轻质水泥基复合材料，包括以下组分：胶凝材料、空心玻璃微珠、聚羧酸系高性能减水剂、水，
其中胶凝材料、聚羧酸系高性能减水剂、水的质量比为100:1:190；
胶凝材料与空心玻璃微珠的体积比为1:3；
胶凝材料由以下质量百分数的组分混合得到：水泥62％、漂珠23％、硅灰7％，磷石膏3％，聚合氯化铝5％。
上述超轻质水泥基复合材料的制备方法的工艺流程如图1所示，具体步骤为：
(1)将空心玻璃微珠置于17-23℃的饱和石灰水清液中搅拌碱蚀2h，然后冲洗至中性，经60℃下烘干、自然冷却后，加入质量分数20％的水(即全部水质量的20％)混合进行预湿处理，得到a组分；
(2)将胶凝材料组分水泥、漂珠、硅灰、磷石膏、聚合氯化铝进行预混合，得到b组分，将聚羧酸系高性能减水剂和剩余的水混合，得到c组分；
(3)先将a组分置于搅拌机中拌合1分钟，再将b组分加入，拌合1分钟，最后将c组分加入，拌合3～5分钟，待浆体拌合均匀后，注入模具，置于60℃蒸养3d，自然冷却至室温后，得到超轻质水泥基复合材料。
性能测试
抗压强度实验测试标准：参照国标《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》gbt17671-1999。
抗氯离子渗透性实验测试标准：参照国标《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》gbt50082-2009。
实施例1-8超轻质水泥基复合材料的检测结果如下表1所示。
表1超轻质水泥基复合材料的检测结果
现有的用于海上环境混凝土的抗氯离子渗透性数据约为4×10-12m2/s，从上表可知，本发明得到的复合材料密度小，强度大，抗氯离子渗透性与现有的海上环境使用海工混凝土相当，因此可广泛用于各海上漂浮建筑(人工漂浮岛、浮式平台、工程用浮箱等)的承重结构。