一种轻质混凝土

摘要

本申请涉及建筑材料领域，具体公开了一种轻质混凝土。一种轻质混凝土，包括如下重量份的原料：水泥350～420份、多层轻质集料450～600份、细集料200～300份、粗集料300～500份、外加剂18～23份、水160～175份；所述纤维状多层轻质集料是以芳纶纤维为芯材，以聚多巴胺层为次外层，以氨基硅油改性二氧化硅颗粒层为最外层的复合材料；本申请中采用的多层轻质集料能够赋予混凝土较好的施工性能，且在水化反应进程中保持优异的增韧特性，克服传统轻质集料易上浮的缺陷，优化轻质混凝土内部结构，从而使得轻质混凝土具备优异的抗压强度、抗折强度以及较低的吸水率。

权利要求

1.一种轻质混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料：水泥             350～420份

多层轻质集料     450～600份

细集料           200～300份

粗集料           300～500份

外加剂           18～23份

水               160～175份；

所述多层轻质集料是以芳纶纤维为芯材，以聚多巴胺层为次外层，以氨基硅油改性二氧化硅颗粒层为最外层的复合材料；

所述多层轻质集料的具体制备步骤如下：

氨基硅油改性二氧化硅颗粒的制备：将正硅酸乙酯与氨基硅油按照重量比1:(0.15～

0.25）混匀，再加入催化剂、乙醇和水后升温至75～80℃，保温反应6～10h，反应结束后真空干燥得到氨基硅油改性二氧化硅颗粒；

聚多巴胺改性芳纶纤维的制备：配制pH=8.5的三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液，向三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液中加入多巴胺盐酸盐，配制成浓度为2～4g/L的多巴胺溶液；在20～25℃下，向多巴胺溶液中加入芳纶纤维，芳纶纤维和多巴胺的重量比为1:（0.021～0.03），保温搅拌反应24～48h，洗涤干燥后得到聚多巴胺改性芳纶纤维；

多层轻质集料的制备：配制pH=8.5的三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液，向三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液中加入氨基硅油改性二氧化硅颗粒和聚多巴胺改性芳纶纤维，氨基硅油改性二氧化硅颗粒和聚多巴胺改性芳纶纤维的重量比为（0.05～0.15）:1，在25～50℃的温度下反应8～24h，洗涤干燥得到多层轻质集料；

所述氨基硅油中氮含量为0.4wt%～0.6wt%。

2.根据权利要求1所述的一种轻质混凝土，其特征在于：所述正硅酸乙酯与氨基硅油的重量比为1:0.21。

3.根据权利要求1所述的一种轻质混凝土，其特征在于：所述多巴胺溶液的浓度为3g/L，芳纶纤维和多巴胺的重量比为1:0.03。

4.根据权利要求1所述的一种轻质混凝土，其特征在于：所述多层轻质集料、细集料和粗集料的重量比为3:1:2；其中，尺寸为1～4.5mm的多层轻质集料与尺寸为4.5～9.5mm的多层轻质集料重量比为1:2。

5.根据权利要求1所述的一种轻质混凝土，其特征在于：所述外加剂为有机硅表面活性剂。

说明书

一种轻质混凝土

技术领域

[0001] 本申请涉及建筑材料领域，更具体地说，它涉及一种轻质混凝土。

背景技术

[0002] 近年来，装配式房屋的发展推动了轻质混凝土发展，轻质混凝土与传统的水泥砼相比具备自重轻的特点，便于快速施工、组装。轻质混凝土主要分为多孔混凝土和轻骨料混凝土。

[0003] 轻骨料混凝土通过使用轻质集料降低混凝土的自重，而轻质集料的种类较多，相关技术中，常使用的有以下几种：浮石、陶粒、膨胀矿渣与塑料等。轻质集料的加入会带来新的问题：第一，由于轻质集料内存在较多的孔隙，增大了轻质集料与水泥浆料之间的界面强度，从而增加了混凝土的脆性，混凝土的抗折强度的降低；第二，轻质集料本身的强度低于碎石等传统集料，会导致混凝土的抗压强度降低。因此，对于轻质混凝土而言，抗压强度和抗折强度的改善难度大大增加。

[0004] 相关研究中，为了改善轻质混凝土的抗折性能，选择加入钢纤维对轻质混凝土进行增韧，但改善效果不佳。并且钢纤维的密度较大，影响轻质混凝土的自重；同时轻集料密度小，易上浮，对密度较大的钢纤维的分散能力较差。

[0005] 因此，亟需开发一种轻质混凝土，使得轻质混凝土具备较高的抗压强度和抗折强度。

发明内容

[0006] 为了解决轻质混凝土的抗压强度和抗折强度低的问题，本申请提供一种轻质混凝土。

[0007] 本申请提供一种轻质混凝土，采用如下的技术方案：

[0008] 一种轻质混凝土，包括如下重量份的原料：

[0009]

[0010]

[0011] 所述纤维状多层轻质集料是以芳纶纤维为芯材，以聚多巴胺层为次外层，以氨基硅油改性二氧化硅颗粒层为最外层的复合材料。

[0012] 通过采用上述技术方案，多巴胺具有较高的粘附性，在弱碱性环境下自聚合形成聚多巴胺，可以直接包覆于芳纶纤维表面，使得芳纶纤维表面带有多个活性基团，改善芳纶纤维表面活性；氨基硅油改性二氧化硅颗粒与聚多巴胺层可通过席夫碱反应接枝，均匀分布于经过多巴胺改性的芳纶纤维表面，形成多层轻质集料；多层轻质集料表面含有氨基和聚多巴胺层的羟基，具有较好的亲水性和和易性，易于搅拌分散；

[0013] 在水化反应过程中，轻质混凝土内部的强碱性环境破坏多层轻质集料的聚多巴胺层，聚多巴胺层作为保护层，降低内部包覆的芳纶纤维降解的可能性，因此，表面附着有聚多巴胺层的芳纶纤维能够起到较好的增韧、补强作用，且芳纶纤维与砂浆之间的界面相容性较好，在砂浆中保持均匀分散；

[0014] 同时，由于聚多巴胺层降解，氨基硅油改性二氧化硅颗粒能够随着水化反应的进行，逐渐从芳纶纤维表面分离，并均匀分散于砂浆中，克服传统二氧化硅等轻质集料由于密度较小，加工过程中易上浮的缺陷，进一步提高了轻质混凝土的28d抗压强度；

[0015] 因此，多层轻质集料在水化反应过程中与砂浆之间的界面相容性好，能够均匀地、稳定地分散于砂浆中，制得轻质混凝土具备优异的抗压强度和抗折强度；

[0016] 除此之外，多层轻质集料在储存过程中，由于最外层氨基硅油改性二氧化硅颗粒包覆芳纶纤维，氨基硅油改性二氧化硅颗粒可以有效地起到吸收紫外光，降低内部芳纶纤维降解的可能性，多层轻质集料存储性能稳定。

[0017] 可选的，所述多层轻质集料的具体制备步骤如下：

[0018] 氨基硅油改性二氧化硅颗粒的制备：将正硅酸乙酯与氨基硅油按照重量比1:(0.15～0.25)混匀，再加入催化剂、乙醇和水后升温至75～80℃，保温反应6～10h，反应结束后真空干燥得到氨基硅油改性二氧化硅颗粒；

[0019] 聚多巴胺改性芳纶纤维的制备：配制pH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液，向三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液中加入多巴胺盐酸盐，配制成浓度为2～4g/L的多巴胺溶液；在20～25℃下，向多巴胺溶液中加入芳纶纤维，芳纶纤维和多巴胺的重量比为1:(0.021～0.03)，保温搅拌反应24～48h，洗涤干燥后得到聚多巴胺改性芳纶纤维；

[0020] 多层轻质集料的制备：配制pH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液，向三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液中加入氨基硅油改性二氧化硅颗粒和聚多巴胺改性芳纶纤维，氨基硅油改性二氧化硅颗粒和聚多巴胺改性芳纶纤维的重量比为(0.05～0.15):1，在25～50℃的温度下反应8～24h，洗涤干燥得到多层轻质集料。

[0021] 通过采用上述技术方案，氨基硅油改性二氧化硅颗粒的尺寸维持在纳米级，且所得的多层轻质集料表面氨基、羟基等活性基团含量适中，能够使得多层轻质集料充分分散于混凝土砂浆中，且对后续轻质混凝土的吸水率影响较小。

[0022] 优选的，所述氨基硅油中氮含量为0.4wt％～0.6wt％。

[0023] 通过优化氨基硅油中的氨基含量，使得氨基硅油改性二氧化硅表面的氨基含量适中，保证与砂浆界面相容性优越的同时，进一步降低制得的轻质混凝土的吸水率。

[0024] 更优选的，所述正硅酸乙酯与氨基硅油的重量比为1:0.21。

[0025] 通过采用上述技术方案，氨基硅油在此重量比下与硅溶胶的接枝率较高。

[0026] 优选的，所述多巴胺溶液的浓度为3g/L，芳纶纤维和多巴胺的重量比为1:0.03。

[0027] 通过采用上述技术方案，聚多巴胺层对芳纶纤维的包覆率适中，在保证聚多巴胺层在水化反应结束后仍然能够较好地包覆芳纶纤维的前提下，降低聚多巴胺层的亲水性对轻质混凝土的影响，进一步降低制得的轻质混凝土的吸水率。

[0028] 优选的，所述多层轻质集料、细集料和粗集料的重量比为3:1:2；其中，尺寸为1～4.5mm的多层轻质集料与尺寸为4.5～9.5mm的多层轻质集料重量比为1:2。

[0029] 通过优化集料的级配，多层轻质集料在水化反应过程中可以改善轻质混凝土内部的结构，氨基硅油改性二氧化硅颗粒封堵轻质混凝土中的孔隙，轻质混凝土中的毛细孔含量下降，轻质混凝土中的孔隙率降低，使得轻质混凝土的抗压强度进一步提高，同时轻质混凝土的吸水率进一步降低。

[0030] 优选的，所述水泥与水的重量比为0.45。

[0031] 通过采用上述技术方案，优化轻质混凝土的水灰比，进一步提高轻质混凝土的强度。

[0032] 优选的，所述外加剂为有机硅表面活性剂。更优选的，所述外加剂为端羟基聚二甲基硅氧烷。

[0033] 通过采用上述技术方案，有机硅表面活性剂与多层轻质集料联用，在改善轻质混凝土抗压强度、抗折强度和吸水率方面具有协同增效的作用；其原理如下：有机硅表面活性剂能够进一步促进多层轻质集料的分散，且在水化反应的过程中与氨基硅油改性二氧化硅颗粒通过氢键作用附着于细集料和粗集料表面，进一步减少轻质混凝土的有害孔隙数量，优化轻质混凝土内部结构。

[0034] 综上所述，本申请具有以下有益效果：

[0035] 1、本申请中在芳纶纤维表面依次设置聚多巴胺层和氨基硅油改性二氧化硅颗粒层，形成了具备高韧性和高补强作用的多层轻质集料，多层轻质集料由于表面富含氨基、羟基等极性基团，具有较好的施工性能；在水化反应进程中内部的芳纶纤维不易降解，且均匀分散于砂浆中，从而使得轻质混凝土中具备优异的抗折强度；同时，由于聚多巴胺层的降解，氨基硅油改性二氧化硅颗粒可以逐步分散于砂浆中，克服传统二氧化硅等轻质集料易上浮的缺陷，从而提高轻质混凝土的抗压强度。

[0036] 2、本申请中采用优化各个集料的配级、外加剂选择等手段，改善轻质混凝土内部结构，使得轻质混凝土中有害孔隙的数量减少，降低轻质混凝土的吸水率，提高轻质混凝土的抗冻融性能和抗压强度。

具体实施方式

[0037] 若无特殊说明，以下制备例、实施例、对比例的原料来源均如下表1所示。

[0038] 表1.原料来源

[0039]

[0040]

[0041] 多层轻质集料的制备例

[0042] 制备例1

[0043] 一种多层轻质集料，按照如下步骤制得：

[0044] 氨基硅油改性二氧化硅颗粒的制备：

[0045] 称取10kg正硅酸乙酯和1.5kg氨基硅油OFX‑7700(氮含量0.27％)，搅拌混匀后，加入0.2kg催化剂乙二胺、3kg乙醇和10kg水后，搅拌混匀，升温至75℃，保温反应10h，反应结束后，过滤，所得滤渣在40℃的温度下真空干燥得到氨基硅油改性二氧化硅颗粒；

[0046] 聚多巴胺改性芳纶纤维的制备：

[0047] 使用丙酮对1～9mm芳纶纤维抽提24h，放置于40℃下真空干燥6h，得到预处理芳纶纤维；

[0048] 预先配制pH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液，备用；取105L三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液，向其中加入210g多巴胺盐酸盐，配制成浓度为2g/L的多巴胺溶液；

[0049] 在20℃下，向多巴胺溶液中加入10kg预处理芳纶纤维，使得芳纶纤维和多巴胺的重量比为1:0.021，20℃保温反应24h，反应结束后水洗三次，过滤，40℃下干燥，得到聚多巴胺改性芳纶纤维；

[0050] 多层轻质集料的制备：

[0051] 再取50LpH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液，备用；

[0052] 取10kg聚多巴胺改性芳纶纤维和0.5kg氨基硅油改性二氧化硅颗粒，将氨基硅油改性二氧化硅颗粒和聚多巴胺改性芳纶纤维加入至三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液中，升温至25℃，保温反应24h，反应结束后水洗三次，过滤，所得滤渣在40℃下干燥，得到多层轻质集料。

[0053] 制备例2‑4

[0054] 一种多层轻质集料，与制备例1的不同点在于，氨基硅油改性二氧化硅颗粒的制备步骤中使用的氨基硅油含氮量不同：

[0055] 其中，制备例2中使用的氨基硅油为OFX‑8040A(氮含量0.4％)；

[0056] 制备例3中使用的氨基硅油为OFX‑8209(氮含量0.6％)；

[0057] 制备例4中使用的氨基硅油为OFX‑8417(氮含量0.9％)。

[0058] 制备例5‑6

[0059] 一种多层轻质集料，与制备例3的不同点在于正硅酸乙酯与氨基硅油的重量比不同：

[0060] 其中，制备例5中正硅酸乙酯与氨基硅油的重量比为1:0.21；

[0061] 制备例6中正硅酸乙酯与氨基硅油的重量比为1:0.25。

[0062] 制备例7‑9

[0063] 一种多层轻质集料，与制备例5的不同点在于，聚多巴胺改性芳纶纤维的制备步骤中多巴胺溶液的浓度以及芳纶纤维和多巴胺的重量比不同，具体如表2所示：

[0064] 表2.聚多巴胺改性芳纶纤维的制备步骤中的工艺参数

[0065] 制备例 多巴胺溶液的浓度g/L 芳纶纤维和多巴胺的重量比制备例5 2 1：0.021
制备例7 4 1：0.021
制备例8 3 1：0.021
制备例9 3 1：0.03

[0066] 制备例10

[0067] 一种多层轻质集料，与制备例1的不同点在于多层轻质集料的制备工艺参数不同，具体步骤参数如下：

[0068] 氨基硅油改性二氧化硅颗粒的制备：

[0069] 称取10kg正硅酸乙酯和1.5kg氨基硅油OFX‑7700(氮含量0.27％)，搅拌混匀后，加入0.2kg催化剂乙二胺、3kg乙醇和10kg水后，搅拌混匀，升温至80℃，保温反应6h，反应结束后，在40℃的温度下真空干燥得到氨基硅油改性二氧化硅颗粒；

[0070] 聚多巴胺改性芳纶纤维的制备：

[0071] 使用丙酮对1～9mm芳纶纤维抽提24h，放置于40℃下真空干燥6h，得到1～9mm的预处理芳纶纤维；

[0072] 预先配制pH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液，备用；取105L三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液，向其中加入210g多巴胺盐酸盐，配制成浓度为2g/L的多巴胺溶液；

[0073] 在20℃下，向多巴胺溶液中加入10kg预处理芳纶纤维，使得芳纶纤维和多巴胺的重量比为1:0.021，25℃保温反应48h，反应结束后水洗三次，过滤，40℃下干燥，得到聚多巴胺改性芳纶纤维；

[0074] 多层轻质集料的制备：

[0075] 再取50LpH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液，备用；

[0076] 取10kg聚多巴胺改性芳纶纤维和0.5kg氨基硅油改性二氧化硅颗粒，将氨基硅油改性二氧化硅颗粒和聚多巴胺改性芳纶纤维加入至三羟甲基氨基甲烷‑盐酸缓冲溶液中，升温至50℃，保温反应8h，反应结束后水洗三次，过滤，40℃下干燥，得到多层轻质集料。

[0077] 实施例

[0078] 实施例1

[0079] 一种轻质混凝土，其配方如下：

[0080] 水泥3.5kg、由制备例1制得的多层轻质集料4.5kg、粗集料3kg、细集料2.5kg、植物油酸防水剂0.18kg、水1.6kg；

[0081] 其中多层轻质集料由尺寸为1～4.5mm的多层轻质集料与尺寸为4.5～9.5mm的多层轻质集料按照重量比为1:1组成。

[0082] 按照如下制备工艺制得：

[0083] 按照上述重量份称取水泥、多层轻质集料、粗集料、细集料、植物油酸防水剂、水；

[0084] 将多层轻质集料浸泡于水中，浸泡5min后加入水泥、粗集料、细集料、植物油酸防水剂，搅拌共混，得到轻质混凝土。

[0085] 实施例2‑10

[0086] 一种轻质混凝土，与实施例1的区别点在于，多层轻质集料的来源不同，具体来源如下表3所示。

[0087] 表3.多层轻质集料的来源

[0088]

[0089]

[0090] 实施例11‑14

[0091] 一种轻质混凝土，与实施例9的区别点在于，集料的级配不同，具体配比如下表4所示。

[0092] 表4.集料级配

[0093]

[0094] 实施例15‑16

[0095] 一种轻质混凝土，与实施例13的区别点在于，水灰比不同：

[0096] 其中，实施例15水泥的重量4.2kg，水的重量1.75kg，水灰比为0.416；

[0097] 实施例16水泥的重量3.9kg，水的重量1.75kg，水灰比为0.45。

[0098] 实施例17‑19

[0099] 一种轻质混凝土，与实施例16的区别点在于外加剂的种类和重量份不同；

[0100] 其中，实施例17中外加剂为0.18kg聚二甲基硅氧烷；

[0101] 实施例18中外加剂为0.18kg端羟基聚二甲基硅氧烷；

[0102] 实施例19中外加剂为0.23kg端羟基聚二甲基硅氧烷。

[0103] 对比例

[0104] 对比例1

[0105] 一种轻质混凝土，与实施例1的区别点在于，使用0.22kg纳米二氧化硅颗粒和4.28kg芳纶纤维代替多层轻质集料；其中，尺寸为1～4.5mm的芳纶纤维与尺寸为4.5～
9.5mm的芳纶纤维的重量比为1:1。

[0106] 对比例2

[0107] 一种轻质混凝土，与实施例1的区别点在于，使用4.5kg聚多巴胺改性芳纶纤维代替多层轻质集料；其中，尺寸为1～4.5mm的聚多巴胺改性芳纶纤维与尺寸为4.5～9.5mm的聚多巴胺改性芳纶纤维的重量比为1:1。

[0108] 性能检测试验

[0109] 试件的制备:按照实施例1‑19以及对比例1‑2的制备方法和国家规定标准制备试件，试样规格为100mm×100mm×100mm，养护28天后，进行表面清洁干燥。

[0110] 检测方法

[0111] 抗压强度：根据GB/T17671‑2021测试试件的28d抗压强度；

[0112] 抗折强度：根据GB/T17671‑2021测试试件的抗折强度；

[0113] 吸水率：根据JGT266‑2011测试试件的吸水率。

[0114] 表5.试件性能的检测结果

[0115]检测项目 28d抗压强度/Mpa 抗压强度/Mpa 吸水率/％
实施例1 41.32 13.63 3.95
实施例2 46.91 15.69 3.17
实施例3 48.85 16.41 2.90
实施例4 48.98 16.46 4.64
实施例5 50.42 16.99 2.68
实施例6 50.59 17.05 3.65
实施例7 50.80 17.13 2.70
实施例8 51.31 17.32 2.55
实施例9 51.39 17.35 2.54
实施例10 37.35 12.32 3.38
实施例11 51.69 17.46 2.50
实施例12 51.48 17.38 2.53
实施例13 51.94 17.55 2.46
实施例14 51.60 17.43 2.51
实施例15 48.73 16.37 2.91
实施例16 52.15 17.63 2.43
实施例17 51.98 17.57 2.46
实施例18 52.37 17.71 2.08
实施例19 52.45 17.74 1.86
对比例1 13.01 6.16 3.84
对比例2 31.82 10.45 6.81

[0116] 结合实施例1和对比例1‑2并结合表5可以看出，对比例1中将轻质集料纳米二氧化硅粉体和芳纶纤维未经过处理，直接与水泥等砂浆进行混合的效果不佳，纳米二氧化硅粉体和芳纶纤维在混凝土中出现了分层现象，制得的轻质混凝土的抗压强度仅13.01MPa，抗折强度为6.16MPa，吸水率为3.84％；

[0117] 对比例2中以聚多巴胺改性芳纶纤维作为轻质集料，制得的混凝土抗压强度达到31.82MPa，抗折强度为10.45MPa，吸水率高达6.81％，可以看出，聚多巴胺改性芳纶纤维在混凝土中的分散效果较好，但聚多巴胺层会导致轻质混凝土的吸水率急剧上升，性能不佳；

[0118] 而实施例1制得的轻质混凝土抗压强度高达41.32MPa，抗折强度为13.63MPa，吸水率仅为3.95％，表明：多层轻质集料在水化反应过程中与砂浆之间的界面相容性好，能够有效改善轻质混凝土的抗压强度和抗折强度，同时使得轻质混凝土具有较低的吸水率。

[0119] 结合实施例1‑4并结合表5可以看出，氨基硅油中氮含量决定了氨基硅油改性二氧化硅表面的氨基含量，氨基含量适中的情况下，能够使得轻质混凝土的吸水率明显降低，抗压强度和抗折强度提高。

[0120] 结合实施例3、5‑9并结合表5可以看出，优化聚多巴胺层厚度以及氨基硅油改性二氧化硅的接枝率可以有效降低轻质混凝土的吸水率。

[0121] 结合实施例9、11‑16并结合表5可以看出，水灰比以及轻质集料的级配调整可以显著改善轻质混凝土的结构，从而使得轻质混凝土的有害孔减少，吸水率进一步降低，抗压强度和抗折强度进一步提升。

[0122] 结合实施例15、17‑18并结合表5可以看出，端羟基聚二甲基硅氧烷对混凝土的改性效果优于普通有机硅防水剂，其原因可能在于：端羟基聚二甲基硅氧烷含有的端羟基对多层轻质集料的促分散效果更好，同时与水化过程中分离出的氨基硅油改性二氧化硅颗粒在提升混凝土防水方面具有协同增效作用。

[0123] 本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。