一种具有定向多孔结构的仿生水泥及其制备方法技术

本发明专利技术涉及多孔水泥领域，具体为一种主要用作建筑材料的具有定向多孔结构的仿生水泥及其制备方法。该仿生水泥具有多孔结构，其孔隙率为10％～90％，孔径为0.5μm～500μm，并且孔道沿特定方向择优排列。该水泥的制备方法包括浆料配制、冷冻铸造和坯体养护三个步骤，其中浆料中水和水泥粉体的质量比为0.25～3。本发明专利技术的仿生水泥具有轻质、比强度和比刚度高、保温隔热、隔音降噪、防火、不易开裂等优异性能，特别是沿孔道方向具有良好的透水、透气性能和力学性能，并且其性能可以通过调整浆料配比和制备工艺进行有效控制。本发明专利技术的仿生水泥的制备方法工艺简单、流程短、成本低，并且节能环保，适于规模化生产。

A bionic cement with directional porous structure and its preparation method

The invention relates to the field of porous cement, in particular to a bionic cement with directional porous structure mainly used as building material and a preparation method thereof. The biomimetic cement has porous structure, its porosity is 10%-90%, pore size is 0.5-500 micron, and the pore channels are arranged preferentially in a specific direction. The preparation method of the cement includes three steps: slurry preparation, Freeze-casting and green body maintenance. The mass ratio of water to cement powder in the slurry is 0.25-3. The bionic cement of the invention has excellent properties such as light weight, high specific strength and stiffness, thermal insulation, sound insulation, noise reduction, fire prevention, non-cracking, etc., especially good permeability, air permeability and mechanical properties along the channel direction, and its performance can be effectively controlled by adjusting the slurry ratio and preparation process. The preparation method of the bionic cement has the advantages of simple process, short process flow, low cost, energy saving and environmental protection, and is suitable for large-scale production.

【技术实现步骤摘要】
一种具有定向多孔结构的仿生水泥及其制备方法
本专利技术涉及多孔水泥领域，具体为一种主要用作建筑材料的具有定向多孔结构的仿生水泥及其制备方法。
技术介绍
随着高层化、大型化和现代化的建筑物的逐渐兴起，在满足安全服役所需的力学性能的前提下，发展轻质、保温、防裂、隔音的新型建筑材料对于实现建筑物的安全、高效、节能和轻量化设计具有重要意义。例如，与传统的墙体材料相比，水泥泡沫砖因其多孔结构而具有轻质、保温、隔音等优异性能，同时与树脂保温材料相比具有高强、防火等优势，因此在建筑领域(特别是作为非承重墙用砖)得到广泛应用。此外，随着我国经济社会和城乡一体化进程的发展，城市“热岛效应”、地下水位下降、路面积水严重等问题变得愈发突出，这很大程度上与传统路面的透水性差有关。与传统路面相比，透水路面因具有微观多孔结构而表现出良好的透水性能，因此有利于缓解城市“热岛效应”和城市地下水资源逐年衰减的趋势，并且在雨水天气能够促进路面积水的及时渗透，减轻城市排水系统负荷的同时也给人们的出行带来方便。因此，多孔水泥可用作泡沫砖、透水砖等建筑材料，在墙体、路面等建筑工程领域具有广阔的市场需求和应用前景。然而，传统的多孔水泥中的孔状结构通常是杂乱无序和各向同性的，其孔道的尺寸和分布的均匀性较差，因而虽然具有保温、隔音、轻质等优点，但也为此付出水泥本身具有的良好力学性能的代价，从而体现出保温、隔音、轻质等性能与强度、刚度等力学性能无法兼得的限制。特别是，由于微观结构具有各向同性，传统的多孔水泥的性能优势无法集中在某些特定的方向上得以发挥。然而，在实际服役条件下，多孔水泥的性能往往仅沿某些特定方向获得应用(如：沿承重方向的强度和沿热传导方向的保温隔热性能等)。因此，传统多孔水泥的性能特点与实际应用需求仍存在较大偏差。此外，由于传统多孔水泥中孔道的分布和取向具有随机性并且连续性较差，因此其透水、透气性能仍然有待进一步提升。与具有各向同性组织结构的多孔材料相比，自然界中的多孔生物材料(如骨头、木材等)往往具有沿特定方向择优排列的孔道结构，从而表现出各向异性的性能特点，特别是沿受力方向具有最优的力学性能。通过模仿天然生物材料的微观结构，设计制备具有定向多孔结构的仿生水泥，有望解决传统多孔水泥存在的上述问题，显著提升多孔水泥的性能，从而更好地满足实际应用需求。作为一种新兴的多孔材料制备技术，冷冻铸造工艺是利用水基浆料在定向凝固的过程中，沿凝固方向生长的冰晶将浆料中混有的粉体和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而实现其定向排列。该工艺可通过调整浆料浓度、冷却速度、添加剂种类和含量等对最终得到的多孔材料的微观组织结构进行有效控制。通过冷冻铸造工艺可以制备得到具有定向结构的多孔材料，其孔道的体积分数、尺寸、形状等都可以通过调整制备工艺进行人为的控制，并且工艺简单、节能环保，制备的多孔材料能够实现较高的孔隙率和优良的力学性能。因此，冷冻铸造工艺为新型定向多孔仿生水泥的制备提供有效的途径。中国专利(公开号CN103739306A)公开一种定向多孔特种水泥的制备方法，包括水泥基浆料的制备、冷冻坯体的制作、通过冷冻干燥法制作水泥基多孔素坯以及素坯的养护四个步骤。中国专利(公开号CN106892674A)公开一种基于二相造孔剂体系冷冻塑型技术制备梯度定向多孔水泥的方法，通过将水泥粉料与基于二相造孔剂体系的混合溶液搅拌混合成均匀体系，依次经过冷冻成型、冷冻干燥、养护得到梯度定向多孔水泥材料。中国专利(公开号CN107619226A)公开一种多孔水泥膜及其制备方法和用途，其制备过程包括以下步骤：1)将去离子水、分散剂和粘结剂机械搅拌混合，加入水泥粉体并球磨得到水泥基浆料；2)将浆料除气后注入自制模具中进行定向冷冻塑型，待浆料冻实后将其脱出，然后通过冷冻干燥得到水泥素坯；3)对水泥素坯进行养护，然后冲刷清洗，得到具有定向片层状孔道结构的多孔水泥膜。分析现有的基于冷冻铸造技术制备多孔水泥的方法可知，尽管水泥中的孔道能够按照一定的取向实现择优排列，但其制备工序多、流程长、工艺复杂，特别是冷冻铸造制作的冷冻的水泥浆料需要通过真空冷冻干燥处理得到水泥素坯，该步骤不仅效率低、耗时长，而且需要消耗大量能源，无法满足节能环保的要求，同时对所制备的水泥素坯的尺寸提出严格的限制，难以用于生产大尺寸的多孔水泥，并且显著提高多孔水泥的制备成本，因此非常不适用于大规模的工业化生产。此外，由于冷冻干燥过程导致水泥坯体中的水分被去除，多孔水泥的后续养护需要重新施加水分，这不仅增加多孔水泥的制备工序，延长其生产周期，也对多孔水泥的养护过程造成影响，降低最终得到的多孔水泥的强度和刚度。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种具有定向多孔结构的仿生水泥的制备方法，目的之二在于基于冷冻铸造技术制备一种具有定向多孔结构和轻质、高比强度、高比刚度保温隔热、隔音降噪、透水、防裂等优异性能的新型仿生水泥。为实现上述目的，本专利技术所采取的技术解决方案如下：一种具有定向多孔结构的仿生水泥，该水泥具有多孔结构，其孔隙率为10％～90％，孔径为0.5μm～500μm，并且孔道在水泥中沿制备时的冷冻方向择优排列。所述的具有定向多孔结构的仿生水泥的制备方法，包括以下步骤：1)浆料配制：将水泥粉体、水和添加剂混合均匀，得到均匀分散的水泥浆料；2)冷冻铸造：利用冷冻铸造工艺处理浆料，使浆料中的水发生定向凝固，从而将水泥粉体和添加剂排挤到冰层之间，使其定向排列；3)坯体养护：将凝固的水泥浆料缓慢融化，得到定型的多孔水泥坯体，对坯体进行养护，得到具有定向多孔结构的仿生水泥。所述的具有定向多孔结构的仿生水泥的制备方法，步骤1)中，所述的水泥粉体为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的一种或一种以上，浆料中水和水泥粉体的质量比为0.25～3。所述的具有定向多孔结构的仿生水泥的制备方法，步骤1)中，所述的添加剂包括减水剂、增稠剂和缓凝剂的一种或一种以上；其中，减水剂为聚羧酸系高性能减水剂、三聚氰胺系高效减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂、萘系高效减水剂、木质素磺酸钙减水剂中的一种或一种以上，添加量为水泥粉体质量的0％～3％；增稠剂为纤维素醚、羟丙基甲基纤维素、聚氨酯类增稠剂、聚丙烯酸酯增稠剂中的一种或一种以上，添加量为水泥粉体质量的0％～3％；缓凝剂为柠檬酸、酒石酸、水杨酸、葡糖糖酸钠、三聚磷酸钠中的一种或一种以上，添加量为水泥粉体质量的0％～2％。所述的具有定向多孔结构的仿生水泥的制备方法，步骤1)中，所述的水泥浆料的混合工艺为机械搅拌或球磨；机械搅拌的搅拌速度为5～500rpm，搅拌时间大于3min；球磨速度为10～600rpm，球磨时间大于5min，磨球和浆料的质量比大于0.05。所述的具有定向多孔结构的仿生水泥的制备方法，步骤2)中，所述的冷冻铸造工艺为：将混合均匀的浆料倒入模具中，通过对模具一端进行冷却，使得浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将浆料中的水泥粉体和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而使其发生定向排列；模具的冷却通过将模具与一端浸于冷却剂中的铜板相连接来实现，冷却剂为液氮或干冰。所述的具有定向多孔结构的仿生水泥的制备方法，步骤3)中，所述的凝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有定向多孔结构的仿生水泥，其特征在于，该水泥具有多孔结构，其孔隙率为10％～90％，孔径为0.5μm～500μm，并且孔道在水泥中沿制备时的冷冻方向择优排列。

【技术特征摘要】
1.一种具有定向多孔结构的仿生水泥，其特征在于，该水泥具有多孔结构，其孔隙率为10％～90％，孔径为0.5μm～500μm，并且孔道在水泥中沿制备时的冷冻方向择优排列。2.一种权利要求1所述的具有定向多孔结构的仿生水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)浆料配制：将水泥粉体、水和添加剂混合均匀，得到均匀分散的水泥浆料；2)冷冻铸造：利用冷冻铸造工艺处理浆料，使浆料中的水发生定向凝固，从而将水泥粉体和添加剂排挤到冰层之间，使其定向排列；3)坯体养护：将凝固的水泥浆料缓慢融化，得到定型的多孔水泥坯体，对坯体进行养护，得到具有定向多孔结构的仿生水泥。3.根据权利要求2所述的具有定向多孔结构的仿生水泥的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的水泥粉体为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的一种或一种以上，浆料中水和水泥粉体的质量比为0.25～3。4.根据权利要求2或3所述的具有定向多孔结构的仿生水泥的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的添加剂包括减水剂、增稠剂和缓凝剂的一种或一种以上；其中，减水剂为聚羧酸系高性能减水剂、三聚氰胺系高效减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂、萘系高效减水剂、木质素磺酸钙减水剂中的一种或一种以上，添加量为水泥粉体质量的0％～3％；增稠剂为纤维素醚、羟丙基甲基纤维素、聚氨酯类增稠剂、聚丙烯酸酯增稠剂中的一种或一种以上，添加量为水泥粉体质量的0％～3％；缓凝剂为柠檬酸、酒石酸、水杨酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘增乾，王法衡，张哲峰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21