高性能节能泡沫混凝土及其制备方法

1.本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及高性能节能泡沫混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.混凝土的早期收缩是导致混凝土早期开裂现象的主要原因之一，尤其是对泵送混凝土和低水胶比的高强高性能混凝土来说，早期收缩的影响非常显著，这与混凝土的早期养护和条件具有一定关系。混凝土是水硬性材料，在其强度增长期必须保持构件表面的湿润，以保证水泥充分水化。传统的养护方式，如水养护、喷涂养护剂、塑料膜覆盖等保湿方法，一般很难使水完全湿润到混凝土内部，这就造成低水胶比的高性能混凝土的自收缩变形增大。
3.生物炭是指在无氧或限氧环境下，通过高温裂解将木材、草、玉米秆或其他农作物废物碳化得到的富炭产物。生物炭具有疏松多孔的结构，比表面积大，其分子细密多孔，质地坚硬，有很强的吸附能力，若周围环境湿度大时，可吸收水分；若周围环境干燥，则可释放水分。同时合理利用一些农作物废弃物制备成生物炭也避免了部分环境污染问题，有利于生态环境的友好发展。
4.中国专利cn 113955738 a公开了一种生物炭及其制备方法和一种泡沫混凝土及其制备方法，该发明制备得到一种性能优异的生物炭，再以生物炭和污泥焚烧灰渣为原料制备得到泡沫混凝土：将灰渣、水泥和生物炭进行预混，得到干混料；将所得干混料和水进行湿混，得到湿混料；将所得湿混料和减水剂混合，得到混合料；将所得混合料和泡沫混合，得到浆料；对所得浆料顺次进行预养护和养护，得到所述泡沫混凝土。由实施例可得，该发明成功回收利用了污泥焚烧灰渣，使其资源化，实现了碳元素的固定。所得混凝土孔径分布均匀，物理性能包括抗压、抗折、干密度、耐水性、导热系数等均符合建筑行业标准《泡沫混凝土》(jg/t 266-2011)。
5.中国专利cn 108726955 a公开了一种透水混凝土及其制备方法，所述透水混凝土按照质量份数包括：水泥6～15份、骨料30～45份、生物质炭0.8～1.5份、着色剂0.8～1.5份、减水剂0.1～0.5份以及水2～4份。该发明的透水混凝土通过加入适量的生物质炭，使混凝土内部形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，增强了透水混凝土的通气性和渗水性，能够在雨天及时地吸水、蓄水和渗水的同时过滤和吸附径流水中的有害物质，从而达到净化生态环境的作用，且可以吸附环境中的噪音，解决了城市地表硬化、生态边坡破坏、大气循环不畅、噪声污染和水土流失等生态问题，而且颜色丰富，能够适应市政工程、园林景观和生态道路等多种环境，为多功能透水混凝土的发展奠定了基础。现有技术中多半是将生物炭与水泥直接混合，得到的混凝土抗压抗折效果好，节能环保，但时间久了以后依然容易产生裂缝，因此研发一种高性能、不开裂，同时又节能环保的混凝土显得尤为重要。


技术实现要素：

6.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是采用一种高性能节能
泡沫混凝土的制备方法生产一种节能环保，性能优异的泡沫混凝土材料。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种高性能节能泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：
8.s1制备混合生物料：将废弃的柚子皮晒干，清洗烘干，再粉碎，移至马弗炉中进行碳化，经程序升温至500～550℃，保温3～4h后冷却至室温，冷却结束后，将得到的生物炭用水进行冲洗2～3次后放入101～105℃烘箱中烘干，然后研磨过100～120目筛，再进一步研磨使其粒径在50～100nm，即得到柚子皮生物炭；
9.s2将水泥、泡沫玻璃、纤维素、粘结剂、减水剂和水混合，搅拌均匀，得到混合物；
10.s3将粗骨料和细骨料加入步骤s2的混合物中，搅拌均匀，再边搅拌边缓慢加入步骤s1中的混合生物料、乳酸钙混合均匀得到浆料；
11.s4将步骤s3的浆料浇筑成型，在温度23
±
2℃，80％～95％湿度下养护7～28天，得到所述高性能节能泡沫混凝土。
12.进一步的，一种高性能节能泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：
13.s1制备混合生物料，包括如下步骤：
14.x1将废弃的柚子皮晒干，清洗烘干，再粉碎，移至马弗炉中进行碳化，经程序升温至500～550℃，保温3～4h后冷却至室温，冷却结束后，将得到的生物炭用水进行冲洗2～3次后放入101～105℃烘箱中烘干，然后研磨过100～120目筛，再进一步研磨使其粒径在50～100nm，即得到柚子皮生物炭；
15.x2将枯草芽孢杆菌以2～3wt％的接种量接种于胰蛋白胨大豆肉汤培养基中，然后在36～37℃下培养20～24h，再向其中加入0.001～0.002mmol feso4、1.01～1.05mmol mgso4·
7h2o、13.4～14.2mmol kcl、0.5～1mmol ca(no3)2和0.01～0.02mmol mncl2的营养物质再于36～37℃，175～180rpm的转速培养4～5d，然后将孢子悬液于4000～4500rpm、4～6℃下离心15～20min收集细菌孢子；用无菌蒸馏水配制1.0
×
106～1.2
×
106cfu/ml的细菌溶液，再向其中加入柚子皮生物炭超声处理45～50min得到混合生物料；
16.s2将水泥、泡沫玻璃、纤维素、粘结剂、减水剂和水混合，搅拌均匀，得到混合物；
17.s3将粗骨料和细骨料加入步骤s2的混合物中，搅拌均匀，再边搅拌边缓慢加入步骤s1中的混合生物料、乳酸钙混合均匀得到浆料；
18.s4将步骤s3的浆料浇筑成型，在温度23
±
2℃，80％～95％湿度下养护7～28天，得到所述高性能节能泡沫混凝土。
19.所述胰蛋白胨大豆肉汤培养基的配制方法为：称取3.6g含0.6％酵母浸膏的胰酪胨大豆肉汤粉末溶解于100ml蒸循水中，121℃下高压灭菌15min。
20.进一步的，步骤x2中柚子皮生物炭与细菌溶液的质量体积比为1：(15～20)g/ml。
21.然而发明人在实验过程中发现直接将柚子皮生物炭与枯草芽孢杆菌的固定效果不好，导致枯草芽孢杆菌难以发挥其作用，因此，还需对柚子皮生物炭进行处理以强化其对枯草芽孢杆菌的固定作用。
22.最优选的，所述高性能节能泡沫混凝土及其制备方法，包括以下步骤：
23.s1制备混合生物料，包括如下步骤：
24.x1将废弃的柚子皮晒干，清洗烘干，再用粉碎机粉碎，移至马弗炉中进行碳化，经程序升温至500～550℃，保温3～4h后冷却至室温，冷却结束后，将得到的生物炭用水进行
冲洗2～3次后放入101～105℃烘箱中烘干，然后研磨过100～120目筛，再进一步研磨使其粒径在50～100nm，即得到柚子皮生物炭；称取20～35重量份柚子皮生物炭，加入200～400重量份0.2～0.3mol/l的硝酸铁水溶液，再用0.3～0.5mol/l的naoh和hno3水溶液将悬浮液ph调至7静置2～3h后超声2～3h，再于20～25℃下避光静置20～24h，用无水乙醇和水交替清洗2～3次去除杂质，过滤后取滤渣于65～80℃下烘干10～12h，取出后研磨过100～120目筛得到改性柚子皮生物炭；
25.x2将枯草芽孢杆菌以2～3wt％的接种量接种于胰蛋白胨大豆肉汤培养基中，然后在36～37℃下培养20～24h，再向其中加入0.001～0.002mmol feso4、1.01～1.05mmol mgso4·
7h2o、13.4～14.2mmol kcl、0.5～1mmol ca(no3)2和0.01～0.02mmol mncl2的营养物质再于36～37℃，175～180rpm的转速培养4～5d，然后将孢子悬液于4000～4500rpm、4～6℃下离心15～20min收集细菌孢子；用无菌蒸馏水配制1.0
×
106～1.2
×
106cfu/ml的细菌溶液，再向其中加入改性柚子皮生物炭超声处理45～50min得到混合生物料；
26.s2将水泥、泡沫玻璃、纤维素、粘结剂、减水剂和水混合，搅拌均匀，得到混合物；
27.s3将粗骨料和细骨料加入步骤s2的混合物中，搅拌均匀，再边搅拌边缓慢加入步骤s1中的混合生物料、乳酸钙混合均匀得到浆料；
28.s4将步骤s3的浆料浇筑成型，在温度23
±
2℃，80％～95％湿度下养护7～28天，得到所述高性能节能泡沫混凝土。
29.所述胰蛋白胨大豆肉汤培养基的配制方法为：称取3.6g含0.6％酵母浸膏的胰酪胨大豆肉汤粉末溶解于100ml蒸循水中，121℃下高压灭菌15min。
30.进一步的，步骤x2中改性柚子皮生物炭与细菌溶液的质量体积比为1：(15～20)g/ml。
31.所述高性能节能泡沫混凝土的制备方法中，以重量份计，各原料的组分配比为：1000～1500份的粗骨料、400～800份的细骨料、200～600份的水泥、40～80份泡沫玻璃、50～70份的纤维素、15～35份的粘结剂、6～8份的减水剂、10～15份混合生物料、30～40份乳酸钙和120～150份的水。
32.优选的，所述粗骨料的粒径为4.75～15mm，细骨料粒径为1.6～4.75mm。
33.优选的，所述水泥为硅酸盐水泥。
34.优选的，所述纤维素为多聚合纤维素、木质素纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素中至少一种。
35.优选的，所述粘结剂为环氧树脂、有机硅胶粘剂、聚醋酸乙烯酯、ae丙烯酸酯胶中的至少一种。
36.优选的，所述减水剂为聚羧酸盐或萘系磺酸盐。
37.本发明还提供了一种高性能节能泡沫混凝土采用上述方法制备得到，
38.由于采用了以上的技术方案，与现有技术相比，本发明将柚子皮生物炭与枯草芽孢杆菌相结合，两者的协同密封作用显著提高了混凝土基体的抗压承载力，同时在混凝土中通过细菌代谢作用形成高度热稳定的caco3，能使得混凝土具备一定的自愈合能力，减少裂缝的生成，而改性的柚子皮生物炭是枯草芽孢杆菌密封裂缝、降低孔隙率和加强混凝土断裂性能的绿色优良固化剂，能较好的固定细菌使其发挥特定的功能。
具体实施方式
39.实施例中各主要原料的来源：
40.硅酸盐水泥42.5：灵寿县诚诺矿产品有限公司。
41.泡沫玻璃，粒径：1～3mm，沈阳鑫格绝热节能材料有限公司。
42.木质素纤维素，天津利德凯威筑路材料有限公司。
43.聚醋酸乙烯酯，cas：9003-20-7，山东广申电子科技有限公司。
44.ssf-4000聚羧酸减水剂，湖北山树风建材科技有限公司。
45.实施例1
46.高性能节能泡沫混凝土的制备，包括以下步骤：
47.s1制备柚子皮生物炭：将废弃的柚子皮晒干，清洗烘干，再用粉碎机粉碎，移至马弗炉中进行碳化，以20℃/min升温至550℃，保温3h后冷却至室温，冷却结束后，将得到的生物炭用水进行冲洗3次后放入105℃烘箱中烘干，然后研磨过100目筛，再进一步研磨使其粒径为100nm，即得到柚子皮生物炭；
48.s2将500g硅酸盐水泥、60g泡沫玻璃、50g木质素纤维素、20g聚醋酸乙烯酯、6g ssf-4000聚羧酸减水剂和130ml水混合，搅拌均匀，得到混合物；
49.s3将1200g粗骨料和600g细骨料加入步骤s2的混合物中，搅拌均匀，再边搅拌边缓慢加入步骤s1中的柚子皮生物炭、35g乳酸钙混合均匀得到浆料；
50.s4将步骤s3的浆料浇筑成型，在温度23℃，85％湿度下养护28天，得到所述高性能节能泡沫混凝土。
51.实施例2
52.高性能节能泡沫混凝土的制备，包括以下步骤：
53.s1制备混合生物料，包括如下步骤：
54.x1将废弃的柚子皮晒干，清洗烘干，再用粉碎机粉碎，移至马弗炉中进行碳化，以20℃/min升温至550℃，保温3h后冷却至室温，冷却结束后，将得到的生物炭用水进行冲洗3次后放入105℃烘箱中烘干，然后研磨过100目筛，再进一步研磨使其粒径为100nm，即得到柚子皮生物炭；
55.x2将枯草芽孢杆菌以2wt％的接种量接种于胰蛋白胨大豆肉汤培养基中，然后在37℃下培养24h，再向其中加入0.001mmol feso4、1.01mmol mgso4·
7h2o、13.4mmol kcl、1mmol ca(no3)2和0.01mmol mncl2的营养物质再于37℃，175rpm的转速培养4d，然后将孢子悬液于4000rpm、6℃下离心20min收集细菌孢子；用无菌蒸馏水配制1.2
×
106cfu/ml的细菌溶液，取15g柚子皮生物炭和300ml上述细菌溶液，混合后超声处理50min得到混合生物料；
56.s2将500g硅酸盐水泥、60g泡沫玻璃、50g木质素纤维素、20g聚醋酸乙烯酯、6g ssf-4000聚羧酸减水剂和130ml水混合，搅拌均匀，得到混合物；
57.s3将1200g粗骨料和600g细骨料加入步骤s2的混合物中，搅拌均匀，再边搅拌边缓慢加入步骤s1中的混合生物料、35g乳酸钙混合均匀得到浆料；
58.s4将步骤s3的浆料浇筑成型，在温度23℃，85％湿度下养护28天，得到所述高性能节能泡沫混凝土。
59.所述胰蛋白胨大豆肉汤培养基的配制方法为：称取3.6g含0.6％酵母浸膏的胰酪胨大豆肉汤粉末溶解于100ml蒸循水中，121℃下高压灭菌15min。
60.实施例3
61.高性能节能泡沫混凝土的制备，包括以下步骤：
62.s1制备混合生物料，包括如下步骤：
63.x1将废弃的柚子皮晒干，清洗烘干，再用粉碎机粉碎，移至马弗炉中进行碳化，以20℃/min升温至550℃，保温3h后冷却至室温，冷却结束后，将得到的生物炭用水进行冲洗3次后放入105℃烘箱中烘干，然后研磨过100目筛，再进一步研磨使其粒径为100nm，即得到柚子皮生物炭；称取30g柚子皮生物炭，加入350ml 0.2mol/l的硝酸铁水溶液，再用0.5mol/l的naoh和hno3水溶液将悬浮液ph调至7，静置3h后于300w，40khz下超声3h，再于25℃下避光静置24h，用无水乙醇和水交替清洗3次去除杂质，过滤后取滤渣于80℃下烘干12h，取出后研磨过120目筛得到改性柚子皮生物炭；
64.x2将枯草芽孢杆菌以2wt％的接种量接种于胰蛋白胨大豆肉汤培养基中，然后在37℃下培养24h，再向其中加入0.001mmol feso4、1.01mmol mgso4·
7h2o、13.4mmol kcl、1mmol ca(no3)2和0.01mmol mncl2的营养物质再于37℃，175rpm的转速培养4d，然后将孢子悬液于4000rpm、6℃下离心20min收集细菌孢子；用无菌蒸馏水配制1.2
×
106cfu/ml的细菌溶液，取15g改性柚子皮生物炭和300ml上述细菌溶液，混合后超声处理50min得到混合生物料；
65.s2将500g硅酸盐水泥、60g泡沫玻璃、50g木质素纤维素、20g聚醋酸乙烯酯、6g ssf-4000聚羧酸减水剂和130ml水混合，搅拌均匀，得到混合物；
66.s3将1200g粗骨料和600g细骨料加入步骤s2的混合物中，搅拌均匀，再边搅拌边缓慢加入步骤s1中的混合生物料、35g乳酸钙混合均匀得到浆料；
67.s4将步骤s3的浆料浇筑成型，在温度23℃，85％湿度下养护28天，得到所述高性能节能泡沫混凝土。
68.所述胰蛋白胨大豆肉汤培养基的配制方法为：称取3.6g含0.6％酵母浸膏的胰酪胨大豆肉汤粉末溶解于100ml蒸循水中，121℃下高压灭菌15min。
69.对比例1
70.高性能节能泡沫混凝土的制备，包括以下步骤：
71.s1将500g硅酸盐水泥、60g泡沫玻璃、50g木质素纤维素、20g聚醋酸乙烯酯、6g ssf-4000聚羧酸减水剂和130ml水混合，搅拌均匀，得到混合物；
72.s2将1200g粗骨料和600g细骨料、35g乳酸钙加入步骤s1的混合物中，搅拌均匀，混合均匀得到浆料；
73.s3将步骤s2的浆料浇筑成型，在温度23℃，85％湿度下养护28天，得到所述高性能节能泡沫混凝土。
74.对比例2
75.高性能节能泡沫混凝土的制备，包括以下步骤：
76.s1枯草芽孢杆菌溶液的制备：将枯草芽孢杆菌以2wt％的接种量接种于胰蛋白胨大豆肉汤培养基中，然后在37℃下培养24h，再向其中加入0.001mmol feso4、1.01mmol mgso4·
7h2o、13.4mmol kcl、1mmol ca(no3)2和0.01mmol mncl2的营养物质再于37℃，175rpm的转速培养4d，然后将孢子悬液于4000rpm、6℃下离心20min收集细菌孢子，用无菌蒸馏水配制1.2
×
106cfu/ml的枯草芽孢杆菌细菌溶液；
77.s2将500g硅酸盐水泥、60g泡沫玻璃、50g木质素纤维素、20g聚醋酸乙烯酯、6g ssf-4000聚羧酸减水剂和130ml水混合，搅拌均匀，得到混合物；
78.s3将1200g粗骨料和600g细骨料加入步骤s2的混合物中，搅拌均匀，再边搅拌边缓慢加入步骤s1中的枯草芽孢杆菌溶液、35g乳酸钙混合均匀得到浆料；
79.s4将步骤s3的浆料浇筑成型，在温度23℃，85％湿度下养护28天，得到所述高性能节能泡沫混凝土。
80.所述胰蛋白胨大豆肉汤培养基的配制方法为：称取3.6g含0.6％酵母浸膏的胰酪胨大豆肉汤粉末溶解于100ml蒸循水中，121℃下高压灭菌15min。
81.测试例1
82.抗压强度测试：
83.依照gb/t 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对养护完成的高性能节能泡沫混凝土试件进行测试，所测试试件为100mm
×
100mm
×
100mm的非标准正方体，进行测试时，均测试5个样品，最终取平均值，测试步骤如下：
84.1、试件从养护地点取出后应及时进行试验，将试件表面与上下承压板面擦干净；
85.2、将试件安放在试验机的下压板或垫板上，试件的承压面应与成型时的顶面垂直，试件的中心应与试验机下压板中心对准，开动试验机，当上压板与试件或钢垫板接近时，调整球座，使接触均衡；
86.3、在试验过程中应连续均匀地加荷，混凝土强度等级《c30时,加荷速度取每秒钟0.3～0.5mpa；混凝土强度等级≥c30且《c60时，取每秒钟0.5～0.8mpa；混凝土强度等级≥c60时取每秒钟0.8～1.0mpa；
87.4、当试件接近破坏开始急剧变形时应停止调整试验机油门直至破坏然后记录破坏荷载。
88.抗压强度计算公式如下：
[0089][0090]
式中：fc为试件的抗压强度(mpa)；
[0091]
f为试件所能承受的最大荷载(n)；
[0092]
a为荷载作用于试件的面积(mm2)；
[0093]
β为尺寸换算系数取0.95；
[0094]
试样的测试结果如表1。
[0095]
表1高性能节能泡沫混凝土抗压强度测试结果
[0096][0097]
由表1可知，将柚子皮生物炭加到混凝土中能加强混凝土的抗压强度，纳米级别的柚子皮生物炭填补了各骨料之间的间隙，能与纤维材料及粘结剂充分接触，形成更稳定的结构。而经过改性后的柚子皮生物炭表面和孔道内附着了铁氧化物，其表面粗糙度进一步提高，孔道也因此增加，同时对于芽孢杆菌的固定化效果更好，柚子皮生物炭与枯草芽孢杆菌相结合，两者的协同密封作用显著提高了混凝土基体的抗压承载力，因此实施例3具备最高的抗压强度。
[0098]
测试例2
[0099]
抗开裂测试：
[0100]
参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》gb/t50082—2009，在湿度60％、温度20℃环境下，采用re101040型干燥收缩测量仪(中国建筑材料科学研究院)以接触法测量无约束下的硬化混凝土收缩率。试样的测试结果如表2。
[0101]
表2高性能节能泡沫混凝土抗开裂测试结果
[0102][0103]
通过对比可以发现，在混凝土中加入枯草芽孢杆菌能明显提高混凝土的抗开裂性能，但由于混凝土会长期经历各种恶劣环境，因此单独添加枯草芽孢杆菌其作用不能持久，还需引入固定剂，现有技术常采用普通的石墨烯纳米颗粒对枯草芽孢杆菌进行固定，但其价格昂贵，分散性差、界面粘结性弱、与枯草芽孢杆菌的相容性不够高，同时对人体有害。本发明中引入柚子皮生物活性炭能较好的固定枯草芽孢杆菌，柚子皮生物活性炭为枯草芽孢杆菌提供了良好的生长环境，能提高枯草芽孢杆菌对于裂缝的修复能力。与此同时，柚子皮
生物活性炭与枯草芽孢杆菌共同作用能有效提高混凝土的抗压性能，而且绿色节能环保。
[0104]
测试例3
[0105]
参照gb/t10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》公开的方法，用泡沫混凝土导热系数测试仪(上海和晟仪器科技有限公司，hs-dr-1)进行导热系数测试，导热系数越小，材料的保温性能越好，测试结果如表3。
[0106]
表3高性能节能泡沫混凝土导热系数测试结果
[0107][0108][0109]
由表3可知，柚子皮生物炭的加入能明显提高混凝土的保温性能，柚子皮生物炭的加入使混凝土内部形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，有利于混凝土的保温，而将改性柚子皮生物炭与枯草芽孢杆菌共同作用时，混凝土的保温效果达到了最好。