一种纤维气凝胶泡沫混凝土及其制备方法和应用与流程

本发明属于轻质、保温隔热材料领域，具体涉及一种纤维气凝胶泡沫混凝土及其制备方法和应用。

背景技术：

随着社会经济的快速发展以及人类对能源需求量的不断增大，提高能源利用率与实现节能环保成为国内外的研究热点。同时城镇化速度加快，也使得我国建筑规模持续增大。报告表明，截止到2016年底，我国已建成建筑总面积为545亿m²，在建建筑面积为120亿m²，与此同时，建筑能耗也将不断上升。根据国家建设部科技司研究表明，我国建筑总能耗约占社会总能耗的35％左右。建筑能耗成了制约我国社会经济发展的重要因素。因此，发展建筑节能势在必行，合理选用高效节能建筑材料能够起到很好的节能效果，而建筑保温隔热材料的应用是降低建筑能耗的有效途径。

目前常用的保温隔热材料的种类很多，发泡聚苯乙烯板(eps)、聚异氰酸酯(pir)、聚氨酯(pu)、岩棉板、保温砂浆等都是常用的保温隔热材料。有机保温材料(eps、聚苯乙烯保温板xps、聚氨酯泡沫等)保温隔热性能优异，但易燃烧，甚至发出有毒性气体，严重威胁居民安全；无机保温材料(岩棉板、保温砂浆)防火性能优异，燃烧等级高，但保温隔热性能一般，特别是遇水时其导热系数增大，保温性能下降，影响其工程应用。

泡沫混凝土广泛应用于建筑行业中，因其具有低密度、低导热特性，常作为建筑保温材料或墙体填充材料。以幅员辽阔的我国为例，在我国北方地区，泡沫混凝土常作为建筑保温材料使用，而在南方地区，泡沫混凝土主要应用于墙体的隔热。作为保温隔热材料，泡沫混凝土一般不作为建筑物的主要承载负荷，因此，工程中对超轻泡沫混凝土的强度不作较高要求，而更加注重泡沫混凝土的保温性能、质量密度、使用寿命等方面。

气凝胶是目前密度最小(低至0.003g·cm^-3)及隔热性能最好(常温下低至0.013w·m^-1·k^-1)的新型纳米孔多功能固体材料。气凝胶通过特殊工艺处理后具有接触角可达约160°的超疏水性，同时还具有耐腐蚀、耐高温等特性，是一种优异的隔热保温材料。在物理、热学、光学及电学等领域具有广泛的发展和应用前景。近年来，有文献研究气凝胶保温砂浆、气凝胶毡，气凝胶玻璃等作为建筑保温材料，与普通多孔材料相比，可以得出气凝胶的掺入具有更好的保温隔热性能。因此，将气凝胶掺入泡沫混凝土中具有降低泡沫混凝土的自重和填充气孔孔隙的潜在优势，有望在低孔隙率下制备出低密度，低导热的泡沫混凝土。

由于泡沫含量过大时泡沫混凝土成型性难以保证，因此，单纯加大泡沫的量去降低泡沫混凝土的自重难以实现。文献《气凝胶配比对泡沫混凝土孔结构及性能的影响》制备出气凝胶泡沫混凝土，通过加入超低、超隔热气凝胶粉体可有效的降低泡沫混凝土的密度与导热系数，但同时导致气凝胶与水泥结合度不高，制成泡沫混凝土存在孔径大小不均匀，强度低等缺点，难以获得具有较好力学性能的超轻泡沫混凝土；申请号为201610214836.0的中国发明专利，涉及了一种纤维毡增强气凝胶泡沫混凝土及其制备方法，通过对疏水性气凝胶粉体改性、制备气凝胶泡沫混凝土浆体、再将气凝胶泡沫混凝土浆体浸润至纤维毡上。该技术有效提高了气凝胶泡沫混凝土的强度，但气凝胶粉体需要先通过疏水改性处理，制备过程较复杂；而且，气凝胶泡沫浆体浸润纤维毡的制备过程中，浆体流动性太差，与纤维毡复合不够均匀，难以获得高性能的超轻泡沫混凝土。

技术实现要素：

鉴于以上存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种具有超低密度、超低热导率的纤维气凝胶泡沫混凝土，在具有超级保温隔热性能的同时，也具有一定的抗压强度。

本发明的另一目的在于提供了上述纤维气凝胶泡沫混凝土的制备方法。

本发明的再一目的在于提供了上述纤维气凝胶泡沫混凝土在建筑墙体保温、冷藏运输、道路填充和屏障隔声等领域的应用。

本发明目的通过如下技术方案来实现。

一种纤维气凝胶泡沫混凝土，其制备原料包括胶凝材料、气凝胶粉体、纤维丝、增稠水、发泡剂和水；其中，所述胶凝材料、气凝胶粉体、纤维丝和增稠水的质量比为1:0.01～0.3:0.001～0.01:0.35～1；所述气凝胶粉体的粒径小于250μm、孔隙率为80～99％、孔隙直径为10～50nm；所述纤维丝呈均匀分散状态，直径为10～50μm；所述的水分为两部分，第一部分水用于配制增稠水，该部分水与增稠剂按质量比1000:1～100:1混合并搅拌均匀后得到增稠水；第二部分水用于与发泡剂制备泡沫。

所述纤维气凝胶泡沫混凝土是通过先将胶凝材料、气凝胶粉体、纤维丝和增稠水制成纤维气凝胶混凝土浆体，将发泡剂和水制成泡沫，然后将纤维气凝胶混凝土浆体与泡沫混合得到浆体，再将浆体进行静置及养护后得到。

本发明通过在泡沫混凝土中掺入轻质多孔网络结构、导热系数低于空气(常温下0.023w·m^-1·k^-1)的气凝胶粉体，并通过掺入分散纤维增强气凝胶泡沫混凝土的力学性能和柔韧性；本发明不需要对气凝胶粉体进行疏水改性，大大简化了气凝胶泡沫混凝土的制备工艺；另外分散纤维的掺入不仅减小了纤维间相互搭接造成的热桥，而且有效地改善了气凝胶粉体与水泥间的结合，改善了泡沫混凝土的气孔分布，从而获得具有超低密度(≤200kg/m³)和超低导热系数(～0.03w·m^-1·k^-1)的泡沫混凝土。

本发明所述气凝胶是一种轻质、多孔的非晶体固体材料，呈网络结构，具有超级保温隔热性能，即常温下其热导率可低至0.013w·m^-1·k^-1、比表面积为1000m²·g^-1和密度低至0.003g·cm^-3。

进一步地，所述气凝胶粉体包括二氧化硅气凝胶粉体、黏土气凝胶粉体、碳气凝胶粉体和聚乙烯醇气凝胶粉体中的一种以上。

进一步地，所述纤维丝包括玻璃纤维丝、聚苯烯纤维丝、陶瓷纤维丝、石英纤维丝、碳纤维丝、玄武岩纤维丝、硅酸铝纤维丝、莫来石纤维丝和芳纶纤维丝中的一种以上。

进一步地，所述增稠剂包括钠基膨润土、有机膨润土、硅藻土、棒石土、硅凝胶、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、淀粉和明胶中的一种以上。

使用增稠水的目的是使气凝胶粉体与胶凝材料能够充分、均匀的混合，防止气凝胶粉体与胶凝材料出现分层现象，漂浮在浆体上面。

进一步地，所述发泡剂与第二部分水的质量比为1/80～1/20，发泡剂与水采用机械加压法制成泡沫，制作泡沫的密度控制在50±5kg/m³，实验发现在该范围内泡沫的稳定性能最好；所加入的泡沫与胶凝材料的质量比为0.1～0.3:1；所述发泡剂包括茶皂素发泡剂、皂角苷发泡剂、松香类发泡剂、蹄角发泡剂和毛发角质蛋白发泡剂中的一种以上。

本发明所述机械加压法是通过空气压缩机给发泡机加压发泡，即机械搅拌预制泡沫法，属于物理发泡。

进一步地，所述胶凝材料包括硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氯氧镁水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰质水泥、石灰、石膏、水玻璃、沥青、树脂和聚合物中的一种以上。

一种纤维气凝胶泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将胶凝材料与气凝胶粉体混合，加入增稠水，搅拌均匀得到气凝胶混凝土浆；然后再加入纤维丝，搅拌均匀，得到纤维气凝胶混凝土浆体；

(2)将发泡剂与水混合后进行发泡，然后将泡沫加入纤维气凝胶混凝土浆体中，混合搅拌，得到纤维气凝胶泡沫混凝土浆体；其中，所加入的泡沫与胶凝材料的质量比为0.1～0.3:1；

(3)将纤维气凝胶泡沫混凝土浆体静置和养护后，得到一种纤维气凝胶泡沫混凝土。

进一步的，步骤(3)所述静置和养护，包括将纤维气凝胶泡沫混凝土浆体倒入模具内，使用薄膜封盖，静置12～48小时后拆模，再进行养护。

进一步地，步骤(3)所述养护包括常温常压养护、恒温恒湿箱养护、干燥箱养护、温湿交变箱养护、喷雾养护、浸水养护或蒸压养护中的一种。

进一步地，步骤(3)所述养护的温度为40～80℃，养护的湿度为35～95％rh。

本发明还提供了一种纤维气凝胶泡沫混凝土在建筑墙体保温、冷藏运输、道路填充和屏障隔声等领域的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用气凝胶粉体为泡沫混凝土填充材料，与传统泡沫混凝土相比，具有更低密度、更低导热系数以及低孔隙率等优点，具有良好的保温隔热性能。

(2)本发明采用增稠水替换气凝胶粉体疏水改性步骤，极大的简化气凝胶泡沫混凝土的制备工艺。

(3)本发明制备的纤维气凝胶泡沫混凝土中，分散纤维的掺入不仅可以增强气凝胶泡沫混凝土的强度，而且能使得气凝胶粉体和水泥浆体紧密结合，减少气凝胶颗粒与水泥结合程度不高、气孔增大与分布不均的现象；其次是增加气凝胶泡沫混凝土的成型率，从而制备出超低密度(≤200kg/m³)、超低导热系数(～0.03w·m^-1·k^-1)的泡沫混凝土。

(4)本发明制备的纤维气凝胶泡沫混凝土具有超级保温隔热性能，防火性能好、隔音强及使用寿命长等优点，可广泛应用于建筑墙体保温，道路填充，屏障隔声等领域，有巨大的市场应用前景。

附图说明

图1是制备纤维气凝胶泡沫混凝土的工艺流程图。

图2是纤维气凝胶泡沫混凝土sem图(放大倍数为43倍)，其中的两个插图从左到右放大倍数分别为100倍、400倍。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例制备的纤维气凝胶泡沫混凝土，是以黏土气凝胶粉体为填充材料，其中，黏土气凝胶粉体的粒径为60目(约250μm)、孔隙率为85％和孔隙直径30nm。

本实施例的纤维丝是直径为40μm的玻璃纤维丝，呈分散状态。

一种玻璃纤维气凝胶泡沫混凝土的制备方法，具体步骤如下：

(1)将水与硅藻土按照质量比1000:1进行混合，并搅拌均匀，得到增稠水；

(2)将硅酸盐po42.5水泥与黏土气凝胶粉体进行干混，然后加入步骤(1)得到的增稠水，搅拌均匀，得到黏土气凝胶混凝土浆体；其中复合硅酸盐po42.5水泥、黏土气凝胶粉体和增稠水三者之间的质量比为1:0.15:0.7；

(3)将呈分散状的玻璃纤维丝缓慢加入至步骤(2)得到的黏土气凝胶混凝土浆体中，搅拌均匀，得到玻璃纤维/黏土气凝胶混凝土浆体；其中，复合硅酸盐po42.5水泥、黏土气凝胶粉体和玻璃纤维丝三者之间的质量比为1:0.15:0.004；

(4)将松香类发泡剂与水按照质量比为1/40混合，再采用机械加压进行发泡，得到泡沫的密度为45kg/m³，然后将其加入至步骤(3)得到的玻璃纤维/黏土气凝胶混凝土浆体中，混合搅拌，得到玻璃纤维/黏土气凝胶泡沫混凝土浆体。其中，所加入的泡沫与胶凝材料的质量比为0.15:1。

(5)将步骤(4)得到的玻璃纤维/黏土气凝胶泡沫混凝土浆体倒入模具内，使用薄膜封盖，静置12h后拆模，最后在温度为60℃、湿度为60％rh的恒温恒湿箱内进行养护，28d后取出，得到纤维气凝胶泡沫混凝土样品。

实施例2

本实施例制备的纤维气凝胶泡沫混凝土，是以碳气凝胶粉体为填充材料，其中，碳气凝胶粉体的粒径为70目(约212μm)、孔隙率为90％和孔隙直径为35nm。

本实施例所用纤维丝为石英纤维丝，其直径为35μm，呈分散状态。

一种石英纤维气凝胶泡沫混凝土的制备方法，具体步骤如下：

(1)将水与棒石土按质量比例1000:2进行混合，并搅拌均匀，得到增稠水；

(2)将氯氧镁po42.5水泥与碳气凝胶粉体进行干混，然后加入步骤(1)配制的增稠水，搅拌均匀，得到碳气凝胶混凝土浆体；所述氯氧镁po42.5水泥、碳气凝胶粉体和增稠水三者之间的质量比为1:0.2:0.75；

(3)将呈分散状的石英纤维丝缓慢加入至步骤(2)得到的碳气凝胶混凝土浆体中，搅拌均匀，得到石英纤维/碳气凝胶混凝土浆体；其中，氯氧镁po42.5水泥、碳气凝胶粉体和石英纤维丝三者之间的质量比为1:0.2:0.006；

(4)将蹄角发泡剂与水按照质量比为1/50混合，再采用机械加压进行发泡，得到泡沫的密度为55kg/m³。然后将其加入至步骤(3)得到的石英纤维/碳气凝胶混凝土浆体中，混合搅拌，得到石英纤维/碳气凝胶泡沫混凝土浆体。其中，所加入的泡沫与胶凝材料的质量比为0.2:1。

(5)将步骤(4)得到的石英纤维/碳气凝胶泡沫混凝土浆体倒入模具内，使用薄膜封盖，静置24h后拆模，最后在温度为50℃、湿度为70％rh的恒温恒湿箱内进行养护，28d后取出，得到纤维气凝胶泡沫混凝土样品。

实施例3

本实施例制备的纤维气凝胶泡沫混凝土，是以sio2气凝胶粉体为填充材料，其中，sio2气凝胶粉体的粒径为80目(约180μm)、孔隙率为93％和孔隙直径为40nm。

本实施例所用纤维丝为聚苯烯纤维丝，其直径为30μm，呈分散状态。

一种聚苯烯纤维气凝胶泡沫混凝土的制备方法，具体步骤如下：

(1)将水与钠基膨润土按质量比例1000:3进行混合，并搅拌均匀，得到增稠水；

(2)将硫铝酸盐po42.5水泥与sio2气凝胶粉体进行干混，然后加入步骤(1)配制的增稠水，搅拌均匀，得到sio2气凝胶混凝土浆体；所述硫铝酸盐po42.5水泥、sio2气凝胶粉体和增稠水三者之间的质量比为1:0.25:0.8；

(3)将呈分散状的聚苯烯纤维丝缓慢加入至步骤(2)得到的sio2气凝胶混凝土浆体中，搅拌均匀，得到聚苯烯纤维/sio2气凝胶混凝土浆体；其中，硫铝酸盐po42.5水泥、sio2气凝胶粉体和聚苯烯纤维丝三者之间的质量比为1:0.25:0.08；

(4)将皂角苷发泡剂与水按照质量比为1/60混合，再采用机械加压进行发泡，得到泡沫的密度为50kg/m³。然后将其加入至步骤(3)得到的聚苯烯纤维/sio2气凝胶混凝土浆体中，混合搅拌，得到聚苯烯纤维/sio2气凝胶泡沫混凝土浆体。其中，所加入的泡沫与胶凝材料的质量比为0.24:1。

(5)将步骤(4)得到的聚苯烯纤维/sio2气凝胶泡沫混凝土浆体倒入模具内，使用薄膜封盖，静置36h后拆模，最后在温度为40℃、湿度为80％rh的恒温恒湿箱内进行养护，28d后取出，得到纤维气凝胶泡沫混凝土样品。

实施例4

本实施例制备的纤维气凝胶泡沫混凝土，是以sio2气凝胶粉体为填充材料，其中，sio2气凝胶粉体的粒径为85目(约162μm)、孔隙率为95％和孔隙直径为45nm。

本实施例所用纤维丝为莫来石纤维丝，其直径为20μm，呈分散状态。

一种聚苯烯纤维气凝胶泡沫混凝土的制备方法，具体步骤如下：

(1)将水与有机膨润土按质量比例1000:4进行混合，并搅拌均匀，得到增稠水；

(2)将复合硅酸盐po42.5水泥与sio2气凝胶粉体进行干混，然后加入步骤(1)配制的增稠水，搅拌均匀，得到sio2气凝胶混凝土浆体；所述复合硅酸盐po42.5水泥、sio2气凝胶粉体和增稠水三者之间的质量比为1:0.3:0.85；

(3)将呈分散状的莫来石纤维丝缓慢加入至步骤(2)得到的sio2气凝胶混凝土浆体中，搅拌均匀，得到莫来石纤维/sio2气凝胶混凝土浆体；其中，复合铝酸盐po42.5水泥、sio2气凝胶粉体和莫来石纤维丝三者之间的质量比为1:0.3:0.01；

(4)将茶皂素发泡剂与水按照质量比为1/80混合，再采用机械加压进行发泡，得到泡沫的密度为52kg/m³。然后将其加入至步骤(3)得到的莫来石纤维/sio2气凝胶混凝土浆体中，混合搅拌，得到莫来石纤维/sio2气凝胶泡沫混凝土浆体。其中，所加入的泡沫与胶凝材料的质量比为0.28:1。

(5)将步骤(4)得到的莫来石纤维/sio2气凝胶泡沫混凝土浆体倒入模具内，使用薄膜封盖，静置48h后拆模，最后在温度为45℃、湿度为85％rh的恒温恒湿箱内进行养护，28d后取出，得到纤维气凝胶泡沫混凝土样品。

表1所示为本发明所述实施例1～4制备得到的纤维气凝胶泡沫混凝土的基本性能指标。按照标准《泡沫混凝土》jg/t266-2011测试泡沫混凝土的密度，试验前取三块相同试件放入电热鼓风干燥箱，在105℃下烘干直到质量恒定；取三次结果的平均值，再已知试块体积，利用密度公式计算得出纤维气凝胶泡沫混凝土的密度。试样参照gb10294-2008执行，试验前先将试件放入电热鼓风干燥箱内，在105℃连续烘干4小时，然后取出试件，放至干燥器中冷却至室温，实验采用由瑞典hotdisk公司生产的型号为1500s的热导率分析仪测试其导热系数。

表1

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本发明应用了具体实施例对本发明的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。