一种轻质多孔碳酸钙材料及其制备方法与流程

本发明属于材料领域，涉及一种碳酸钙泡沫材料及其制备方法，特别涉及一种用于机场跑道端特性材料拦阻系统(engineeredmaterialsarrestingsystem，简称emas)的可预制成型的轻质多孔碳酸钙材料及其制备方法。

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(一般为轻质泡沫材料)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己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11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)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。基于此应用特点，国内已经出台了行业标准(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，其中力学性能的要求包括：应力压溃度曲线应呈三段式，最大压溃度应不小于0.6。其中，压溃度为压缩深度与试样总高度的比值。

目前，国内外主要的emas产品主要以水泥基泡沫混凝土作为emas特性材料，该类混凝土材料是以水泥(硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等)为胶凝材料。首先，基于水泥主要用于建筑工程领域的特点，目前相关的行业标准均是对水泥的各项性能进行单项要求，比如重要的强度指标中，对28天龄期的强度进行最低值要求，后龄期的强度范围和稳定性均未做具体的要求。其次，基于水泥的多矿物组成和原料来源复杂的特点，不同批次、不同厂家、不同存储时间的水泥材料的性能均不一致。另外，水泥作为胶凝材料，其强度来源于水泥中多种矿物的水化、碱骨料等反应，该反应的进行是一个持续的反应动力学过程，反映在强度上是逐渐增长的过程，很难在短时间内达到稳定的状态。以上特点使得水泥基泡沫混凝土作为emas特性材料使用时，工艺稳定性差，成品率低，养护周期长。因此，开发出组分单一、性能稳定的泡沫混凝土材料对改善emas的使用效果、提高其服役寿命具有重大意义。

技术实现要素：

为了解决以上现有技术中的问题，本发明公开了一种轻质多孔碳酸钙材料及其制备方法，使用胶凝材料及无机掺合料的组合，经气硬反应后得到的材料主要成分为碳酸钙，可用于机场跑道端特性材料拦阻系统。

本发明的目的之一是提供一种多孔碳酸钙材料，由包括以下组分的原料制备得到，以重量份计：

其中，所述胶凝材料为熟石灰或生石灰中的至少一种。

所述无机掺合料为碳酸钙或硅质掺合料中的至少一种，所述硅质掺合料优选为硅灰、矿粉或粉煤灰中的至少一种。

所述发泡剂为双氧水，双氧水浓度为15％～70％，优选为30％～50％。

所述稳泡剂采用本领域常用的稳泡剂，优选为十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、α-烯基磺酸钠、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硅酮酰胺、纤维素醚或淀粉醚中的至少一种。

所述减水剂采用本领域常用的减水剂，优选为聚羧酸系减水剂、密胺系减水剂及木质素磺酸盐减水剂中的至少一种。

所述调凝剂采用本领域常用的调凝剂，优选为硫酸铝、高铝水泥、硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥中的至少一种。

所述多孔碳酸钙材料还可以包括以下组分中的至少一种，以100重量份胶凝材料为计：

防水剂1～10份；优选4～8份

抗开裂组份0.3～2份；优选0.5～1.5份。

所述抗开裂组分采用本领域常用的抗开裂组分，优选为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、硅灰石纤维、海泡石纤维中的至少一种。

所述防水剂采用本领域常用的防水剂，优选为聚合物乳液、乳胶粉、有机硅类防水剂及硬脂酸盐中的至少一种。

本发明的目的之二是提供一种轻质多孔碳酸钙材料的制备方法，包括以下步骤：

1)浆体制备：按所述用量将原料称量，将除发泡剂以外的原料混合得到浆体；

2)向步骤1)得到的浆体中加入发泡剂，搅拌混合得到预发泡浆体；

3)将预发泡浆体注入模具中，通过发泡和养护过程，制得所述轻质多孔碳酸钙材料。

以上所述发泡和养护过程均采用本领域中的常用工艺。

优选的，所述制备方法可采用下述步骤：

1)浆体制备：按所述用量将原料称量，将固体组分慢搅30～60s，混合均匀，将除发泡剂以外的液体组分加入干混粉体内，快速搅60～120s得到浆体；

2)向上述浆体中加入发泡剂，快速搅拌混合8～10s得到预发泡浆体；

3)将预发泡浆体注入模具中，静置发泡40～70s后，将发泡成型的浆体置于环境条件为co2浓度3～10％，温度30～50℃，湿度(90±5)％的养护箱内养护成型24～48h；脱模，将试块置于水泥标准养护室内养护至28d，制得所述轻质多孔碳酸钙材料。

本发明的有益效果为：

1)所述轻质多孔碳酸钙材料，使用胶凝材料及无机掺合料的组合，经过气硬反应后材料主要成分为碳酸钙，相较常见的水泥基轻质多孔混凝土材料，由于本发明原料的矿物组份单一，在养护阶段材料反应程度高。

2)相较常见的水泥基轻质多孔混凝土材料，本发明轻质多孔碳酸钙材料的抗碳化性能、龄期内力学性能稳定性、温度耐受性等性能均得到提升。

3)通过各功能组份(稳泡剂、减水剂、调凝剂、防水剂、抗开裂组份等)含量的调整，可实现材料性能及工艺稳定性的调整。

4)本发明所述轻质多孔碳酸钙材料可以通过增加憎水组份降低材料的吸水率，从而提升其抗冻融等耐候性能。

5)本发明所述轻质多孔碳酸钙材料具有以下性能：

密度为150～350kg/m³；

力学性能可满足《特性材料拦阻系统》行业标准(mh/t5111-2015)要求，侵彻抗压强度0.1～0.6mpa，优选0.2～0.45mpa，更优选0.3～0.4mpa；最大压溃度大于60％，优选大于70％；

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；

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为实施例2多孔碳酸钙泡沫材料由压头直径为50.8mm、侵彻速度为500mm/min的压杆压缩的应力-应变曲线。

具体实施方式

本发明实施例中所用原料均为市售产品。

实施例1

一种轻质多孔碳酸钙泡沫材料，各原料以质量百分比计为：100份ca(oh)2粉体、0.75份聚丙烯纤维、10份硅灰、7份发泡剂(浓度为35％的双氧水)、50份水、1份稳泡剂(十二烷基硫酸钠)、1.5份减水剂(聚羧酸系减水剂)、5份防水剂(硬脂酸钙)、5份调凝剂(硅酸盐水泥)。

上述一种轻质多孔碳酸钙泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照上述原料配比称取各原料；

2)将各粉状原料、纤维置于水泥砂浆搅拌锅内慢搅30s，使固体原料混合均匀；

3)将拌合水、防水剂、稳泡剂等加入干混粉体内，快速搅拌120s制得新拌浆体；

4)加入发泡剂，快速搅拌10s，制得新拌预发泡浆体，将浆体倒入模具内，静置发泡60s；

5)将成型好的浆体在环境条件为co2浓度(4.5±0.5)％，温度(40±2)℃，湿度(90±5)％下带模养护成型36h；

6)脱模，经试块置于水泥标准养护室内养护至28d，得到轻质多孔碳酸钙材料，进行侵彻实验，即可得到其力学性能曲线。

实施例2

一种轻质多孔碳酸钙泡沫材料，各原料以质量百分比计为：100份ca(oh)2粉体、0.75份聚丙烯纤维、20份碳酸钙粉体、8份硅灰、10份发泡剂(浓度为35％的双氧水)、45份水、5份p.ⅰ42.5水泥、1.5份稳泡剂(硬脂酸钙)、2份减水剂(密胺系减水剂)、5份防水剂(有机硅类防水剂)。

上述一种轻质多孔碳酸钙泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照上述原料配比称取各原料；

2)将各粉状原料、纤维置于水泥砂浆搅拌锅内慢搅30s，使固体原料混合均匀；

3)将拌合水、防水剂、稳泡剂等加入干混粉体内，快速搅拌120s制得新拌浆体；

4)加入发泡剂，快速搅拌10s，制得新拌预发泡浆体，将浆体倒入模具内，静置发泡60s；

5)将成型好的浆体在环境条件为co2浓度(8.5±0.5)％，温度(45±2)℃，湿度(90±5)％下带模养护成型24h；

6)脱模，经试块置于水泥标准养护室内养护至28d，得到轻质多孔碳酸钙材料，进行侵彻实验，即可得到其力学性能曲线。

实施例3

一种轻质多孔碳酸钙泡沫材料，各原料以质量百分比计为：100份ca(oh)2粉体、0.75份聚丙烯纤维、30份碳酸钙粉体、10份硅灰、10份发泡剂(浓度为35％的双氧水)、45份水、2.5份稳泡剂(羟甲基纤维素醚)、2.5份减水剂(聚羧酸系减水剂)、5份防水剂(硬脂酸钙)、7份调凝剂(高铝水泥)。

上述一种轻质多孔碳酸钙泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：

7)按照上述原料配比称取各原料；

8)将各粉状原料、纤维置于水泥砂浆搅拌锅内慢搅30s，使固体原料混合均匀；

9)将拌合水、防水剂、稳泡剂等加入干混粉体内，快速搅拌120s制得新拌浆体；

10)加入发泡剂，快速搅拌10s，制得新拌预发泡浆体，将浆体倒入模具内，静置发泡60s；

11)将成型好的浆体在环境条件为co2浓度(6.0±0.5)％，温度(40±2)℃，湿度(90±5)％下带模养护成型36h；

12)脱模，经试块置于水泥标准养护室内养护至28d，得到轻质多孔碳酸钙材料，进行侵彻实验，即可得到其力学性能曲线。

本发明涉及的各原料和工艺参数的上下限取值、区间值都能实现本发明，基于本体系提出的各种改进和变化在此不一一列举实施例，这些改进和变化将包括在本申请的精神实质和范围以及所附的权利要求范围内。