混凝土组合物 【发明领域】
本发明涉及轻质混凝土，特别地但不仅仅涉及用作夹心墙板芯料填充物的轻质混凝土。
背景技术
在生产和泵送轻质混凝土中涉及的工艺在现有技术中是众所周知的。一般使用两种密度调节剂，即泡沫和轻质集料，来获得轻质混凝土。
通过向浆料中引入水基充气泡沫制造泡沫混凝土，所述浆料一般用水和单独的波特兰水泥或者带有细轻质集料的波特兰水泥制成。通过向波特兰水泥浆料中加入加气剂，或者把预先形成的水基泡沫混入水泥浆料中获得低于1000kg/m3的密度，来产生泡沫结构。
后一种方法要求把波特兰水泥与用工业发泡剂(如水解蛋白质)产生的预先形成的水基泡沫混合。这种方法需要一种在现场产生泡沫的发泡机。
泡沫与混凝土的正确比例，特别是在工作现场，是难以保持的。这种困难可能导致最终的泡沫混凝土的不均匀性，以及可变的混合质量、可泵送性能、可挤出性和最终的特性。因为泡沫不是自生的，所以，由于泡沫从其开始形成的时候就开始破裂的事实加重了这些问题。
通过把轻质集料(如发泡聚苯乙烯、珍珠岩和蛭石)与砂浆混合在一起制成地轻质集料混凝土，主要用于混凝土密度大于1000kg/m3的用途。然而，因为其固有的组成和低比重，集料有堵塞和离析的趋势，所以，在混合水泥浆和轻质集料时出现困难。
为了使这种聚苯乙烯混凝土可以泵送，有必要增大混合料中的水含量，以克服在管道中的摩擦。这趋于加剧伴随轻质混凝土生产所产生的离析和堵塞问题。
这样的轻质混凝土(即泡沫混凝土和轻质集料混凝土)已经用作夹心墙板的芯料填充物，但是产生了一些问题。
泡沫混凝土在芯料填充过程中出现高静压，这有时需要在夹心墙的芯料填充过程中使用结构模板支撑。在从墙的高处顶部向墙的内腔泵送或倾倒过程中，混合料也可能严重塌落。
至于轻质集料混凝土，芯料填充需要表现出1000kg/m3或更低的密度，这超出了轻质集料混凝土的正常密度范围。为了达到这个密度，在混合料中，对每份体积混合料需要加入高达1份的散装轻质集料。由于存在的砂浆体积不足，这导致轻质集料的可覆盖性产生困难，因此导致混合料均匀性差且混合料组分间结合不够。
为了改善抗冻结/解冻耐久性，提高可泵送性，改善可加工性，并降低混凝土的密度，而引入加气剂(AEAs)在现有技术中已经实践了很久。混合料中AEA用量通常在5-9％空气体积范围内，ASTM C150确定空气含量极限为最大22％。通常避免空气含量高于该数值，特别是在泵送的混凝土中，一些原因包括：
在泵送高加气量的混凝土过程中，在与管壁、弯管、模板等撞击时，气泡趋于破裂，导致在灌筑的混凝土中产生可变的空气含量；
泵送的冲量可能被管线中包裹的可压缩的空气吸收，导致泵送失效；
在输送过程中多余的空气的可压缩性将降低其作为工作介质的有效性并使其更难施工；
由于空气-空隙体系的不稳定性，混合料中多余的空气可能导致所浇灌的湿混凝土坍塌；并且高加气量混凝土可能导致硬化产品的强度过分降低。
本发明的目的是克服或改正现有技术的缺点的一个或多个，或者至少提供一种工业上可以使用的替代物。
【发明内容】
因此，第一方面，本发明提供一种用于制备轻质混凝土的添加剂，所述添加剂包括约40-99％的有机聚合物材料和1-约60％的加气剂的混合料。
另一方面，本发明包含一种轻质混凝土组合物，包括一份胶结剂、按胶结剂体积计算，0.5-约1.5份体积的惰性填料、2-约6份体积的轻质集料，以及最多约2％重量的添加剂。
所述添加剂可以生产轻质混凝土混合料，该混合料含有优选最多约60％的加气体积。理想的是，所述混凝土混合料含有在25％-约50％之间的加气体积。由于难以控制所述混合料，所以，这种超高含量在混凝土混合料中是不常用的。这种高加气量通常还产生可加工性、密度一致性方面的困难，并趋于坍塌，特别是在垂直泵送或高压泵送过程中。
从上述水泥组合物生产的混凝土，密度范围最高到1200kg/m3，然而，由混合添加剂提供的改进的空气稳定性使得可以生产密度远低于1000kg/m3(如450-650kg/cm3)，且轻质集料的体积小于类似密度的传统混合料的轻质混凝土。通过对比，在一个实施方案中，混合料添加剂的使用使得1m3混合料中的聚苯乙烯体积从约1m3降低到约0.7-0.8m3。这种降低还产生了聚苯乙烯集料的更好的覆盖性(即有助于保证每个珠子表面被覆盖)，改进了混合料的工作性能，并且改进了在混合料中轻质砂浆组分与聚苯乙烯组分之间的结合性。
在本发明的一种优选的形式中，使用混合添加剂生产的轻质混凝土可以用作夹心墙应用的芯料填充物，而不需要内部或外部的震动或模板支撑。它还使得可以在钢架构件上使用纤维增强水泥面板的钉子固定而不会过分弯曲或爆裂。
优选的是，在所述添加剂中有机聚合物的比例在60-约90％之间，更优选的是在70-约85％之间。
优选的是，在所述混合料有10-约50％的加气剂，更优选的是在20-40％之间。
在所述混合料中可以使用许多种有机聚合物。优选的是，所述有机聚合物包括一种或多种触变剂，或者溶解在水中或者至少在水存在下形成胶态悬浮体，增大粘度。合适的有机聚合物包括纤维素衍生物，如羟甲基纤维素、羟乙基纤维素或羟丙基甲基纤维素；多糖如淀粉或藻酸盐；合成的亲水聚合物或共聚物，如聚乙烯醇、聚氧化乙烯或聚氧化丙烯。
可以使用任何合适的加气剂。术语加气剂是指在其与水混合和/或泵送时，起在组合物中引入空气作用的表面活性剂。合适的加气剂包括一种或多种非离子、阳离子和阴离子表面活性剂，如α烯烃磺酸的钠盐和十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠。
所述添加剂可以与多种胶结剂混合，这些胶结剂包括表现出水硬性，即在水存在下固化变硬的包含钙、铝、硅、氧和/或硫的化合物的所有无机材料。众所周知的这类胶结剂包括普通波特兰水泥、快速凝固或超快速凝固的、抗硫酸盐水泥、改性水泥、钒土水泥、高钒土水泥、铝酸钙水泥和含有粉煤灰、火山灰等第二组分的水泥。术语“胶结剂”包括其它熟知的结合剂，如粉煤灰、矿渣和其与波特兰水泥的混合料。
合适的轻质集料在现有技术中也是熟知的。包括一些天然的和合成的轻质集料，如珍珠岩、蛭石和发泡聚苯乙烯。发泡聚苯乙烯可以是球、珠、团粒或再生颗粒。
所述轻质混凝土也可以包括50-100％的颗粒形式的惰性致密化成分或惰性颗粒材料，按胶结剂重量计算。术语“惰性颗粒材料”表示对于组合物的其它组分为惰性的材料，密度大于轻质集料，尺寸小于5mm。优选的惰性颗粒材料是天然建筑砂。
另一方面，本发明提供一种建造墙体的方法，包括下列步骤：提供一个框架，它具有多个基本平行的相互隔开的框架组件；把面板贴在所述框架上，在所述面板之间形成的空腔中填充轻质混凝土；所述轻质混凝土含有胶结剂、轻质集料和最多2％的添加剂，所述添加剂含有40-99％的有机聚合物或其混合料和1-60％的加气剂的混合物。
再另一个方面，本发明提供一种形成可泵送的轻质混凝土混合料的方法，包括下列步骤：先把添加剂与水混合形成水溶液；再向水溶液中加入发泡聚苯乙烯集料，然后加入胶结剂。
尤其在用聚苯乙烯作为轻质集料填料时，产生了另外的意想不到的好处。在本文中，用聚苯乙烯有一种熟知的问题，即单个颗粒容易产生表面静电荷。这导致集料聚集在一起，原位飘浮在混合料的顶部，产生不均匀分散，降低了结构完整性，大幅度降低预期的效果。为了克服这个问题，通常必须预处理聚苯乙烯集料以便使其呈中性。这需要另外的化学试剂、另外的处理步骤，并且通常还需要随后的干燥过程。然而，本申请人已经发现，通过使用上述添加剂，可以避免这种聚集问题。在这方面，所述添加剂先与水混合形成水溶液，然后向这种水溶液中加入聚苯乙烯。意想不到的是，已经发现这中和了聚苯乙烯上的表面电荷，而不需要任何附加的化学试剂或处理步骤。然后作为最终步骤向混合料中加入固体组分。通过取消对聚苯乙烯集料的单独预处理工艺的需要，可以显著实现材料成本节约并提高生产效率。
在与聚苯乙烯轻质集料结合使用时，本发明产生的另一个优点是在聚苯乙烯和混凝土之间的结合强度。由于不完全清楚的原因，聚苯乙烯通常不能与胶结剂良好结合。怀疑这可能是由于聚苯乙烯集料的憎水性。不希望受限于任何特定理论，本申请人已经发现，使用上述添加剂还提高了聚苯乙烯与周围胶结剂之间的结合强度。这可能是由于聚苯乙烯集料被变成亲水性或者目前还不能完全分析的其它机理。无论如何，正如下面将要讨论的，在聚苯乙烯轻质集料和周围的胶结材料之间的结合强度有了明显的改善。
除非本文清楚地要求，否则，在整个说明书和权利要求书中，术语“包含”、“含有”等被限定为一种包括含义，而不是排除性的或者穷举式的意思；也就是说，是“包括，但不限于”的意思。
实施本发明最佳方式
现参考下列实施例进行描述，以便更清楚地理解本发明。
实施例1-3描述使用聚苯乙烯集料、珍珠岩和蛭石作为轻质集料，用砂和粉煤灰作为填料的轻质混凝土的各种混合料。
实施例1：用EPS作为轻质集料，用砂作为填料。混合料成分配料量单位·水泥50kg·砂40kg·聚苯乙烯集料(50％固体/体积比)200升·水35升·混合料：加气剂(阴离子表面活性剂)有机聚合物 0.1％0.3％ 水泥重量的水泥重量的·新混合料的密度500kg/m3·新混合料的产量250升·加气的百分比30％
实施例2：用聚苯乙烯作为轻质集料，用粉煤灰+砂作为填料。混合料成分配料量单位·水泥30kg·砂20kg·粉煤灰45kg·聚苯乙烯集料(50％固体/体积比)225升·水45升·混合料：加气剂(阴离子表面活性剂)有机聚合物 0.1％0.3％ 水泥重量的水泥重量的·新混合料的密度500kg/m3·新混合料的产量280升·加气的百分比30％
实施例3：用珍珠岩作为轻质集料。混合料成分配料量单位·水泥40kg·砂40kg·珍珠岩(50％固体/体积比)40升·水30升·混合料：加气剂(阴离子表面活性剂)有机聚合物 0.3％0.3％ 水泥重量的水泥重量的·新混合料的密度700kg/m3·新混合料的产量160升·加气的百分比50％
实施例1-3的评价
把根据这些配方制备的混合料泵送到一些纤维增强水泥衬的夹心墙的腔体中，尺寸为2400mm×2400mm×75mm。在观察时，发现混合料是：
·可泵送的，即没有观察到管线的堵塞或混合料的离析。
·稳定的，即引入空气的混合料在墙的腔体中保持其水平且不会塌落。
新混合料的产量表示在一批料中产生的混合料体积。
重要的是在混凝土的泵送和浇注后仍然保持该产量，这表明了混合料的稳定性。
新混合料的密度表示固化前的混凝土的密度，这是墙体芯料填充用途中的一个最重要的指标。
实施例1和2：
加气剂为十二烷基硫酸钠
有机聚合物为羟丙基甲基纤维素
实施例3：
加气剂为Myristamine Oxide
有机聚合物为羟丙基甲基纤维素
本申请人发现，在使用混合添加剂生产轻质集料混凝土时，所得的混合料与传统的轻质集料混合料具有相似的可泵送性能。
下面的实施例4比较了含有相同体积聚苯乙烯集料的两种轻质混凝土混合料的可泵送性能，一种加气，另一种没有。生产了16批每种混合料，泵送到第8层的楼层，用作FRC盖面的夹心墙的芯料填充。两种混合料背对背操作，以减小位置、设备和人为因素对产生的芯料填充速度的干扰。可以看出，对于每种混合料的芯料填充速度(用泵送时间(小时)去除芯料填充面积(m2)表示)是可比的。
实施例4：加气和没加气的轻质集料(聚苯乙烯)混凝土的泵送性能。混合料的成分非加气的传统混合料加气的混合料混合料设计·水泥50kg 50kg·砂90kg 45kg·聚苯乙烯集料150升200升·水37升35升·混合添加剂加气剂(阴离子表面活性剂)无水泥重量的0.1％·有机聚合物(纤维素醚)无水泥重量的0.3％·加气剂(通过产量和密度测量计算)2％25％ ·聚苯乙烯集料％(通过产量和密度测量计算)47％47％·在混合地点·新混合料的密度1075kg/m3525kg/m3 ·新混合料的产量170升240升 ·拌合/泵送时间(16批)100分钟75分钟·在第8楼层 ·新混合料的密度1100kg/m3575kg/m3·产量损失2％9％ ·墙芯填充速度28.8m2/小时26.4m2/小时
由于在混合料种引入混合添加剂，降低了管道中的摩擦，产生了明显更好的混合料可泵送性。同时，由于改进了混合料的均匀性、更好的珠子覆盖性及其无离析的特性，将更少出现管道的堵塞。
本申请人已经发现，使用混合添加剂所得的轻质集料混凝土不仅提高了明显更低的密度，而且在芯料填充过程中能降低静压和动态推力。
实施例5：芯料填充墙中的弯曲程度对比。
把实施例4中所示的两种混合料泵送到400mm宽、2.4m高的墙体空腔内，并使用线性电压位移转换器(LVDTs)测量在芯料填充过程中，在6mm纤维增强水泥(FRC)面板上的中心挠度(弯曲)。测量结果表示于下表中：轻质混凝土混合料离墙基300mm的挠度离墙基600mm的挠度传统的1000kg/m3混合料4.00mm 3.8mm加气的500kg/m3混合料1.7mm 1.6mm
从上面的挠度测量可以看出，代替传统的1000kg/m3密度的混合料，加气的500kg/m3密度的混合料在用作芯料填充时，能使FRC面板的弯曲减小50％。
实施例6：芯料填充墙的动态推力对比
把实施例4中的两种混合料泵送到400mm宽、2.4m高的墙体空腔中，用安装在墙基部附近(下面的图1和2)的加速度计测量在芯料填充过程中的动态响应(推力)。可以看出，与传统的不加气的聚苯乙烯集料混合料相比，轻质混凝土(加气的)混合料表现出明显更小的动态推力。
图1传统混合料的动态响应——密度1100kg/m3
图2 加气混合料的动态响应——密度500kg/m3
与现有技术相比，在实施例6中表示的静压力降低有明显的优点。它能消除对控制墙板弯曲和爆裂的外加模板支架的需求。由于可以使用射钉枪而不是用螺栓固定把纤维增强水泥面板固定在框架上，所以，它能使建筑更快进行。在芯料填充过程中静压力和动态推力的减小由于更小的刚度/扭转要求，还使得使用更轻的规准钢架结构成为可能。
已经发现来自本发明的一些其它意料之外的优点，包括所得的轻质集料混凝土的均匀性改善。轻质混合料是自由流动的、自均化的、无离析的，并且可以填充例如夹心墙的空腔中而不需要通过内部震动或外部敲打来使混合料密实化。
实施例7：保水性对比
把实施例4中所示的两种混合料倒入以相同间距用相同规格的框架墙构件建造的2400mm×1200mm×75mm的墙中，并使其在室温条件下固化两星期。然后把墙放入干燥室中，经过20次360分钟的循环，一半时间在室温下，另一半时间在45℃。然后再进行10次60分钟在70℃加热，10分钟在室温下的循环。干燥后，取出芯料样品，在每个墙的相同位置测定每个墙的含水量。
水分分析结果表明，轻质混凝土(加气的)混合料保持了9.38％的水分，相比之下，传统的聚苯乙烯集料不加气的混合料的水分为5.13％。这表明，即使在苛刻的长期干燥之后，根据本发明的轻质混合料表现出的保水性能几乎高达传统混合料中保持的水分的2倍。
从上面可以看出，与传统的轻质(聚苯乙烯)混凝土相比，轻质混凝土混合料表现出优良的保水性能。这限制了在墙体空腔中的混合料释放出的水的体积，导致纤维增强水泥面板的受潮降低。
因此，面板在其结构性能方面退化更小。特别是保持了其刚度和螺栓固定能力，在芯料填充过程中产生更少的弯曲和爆裂。同时，更干的面板使其在墙体干燥过程中产生更小的和更循序渐进的面板收缩。这在板之间的连接缝隙处产生更小的应变(更小的缝隙)。
芯料混合料保水性改进作用的另一个结果是由于从混合料中放出并通过接缝扩散的多余自由水减少，降低了连接性能的退化。这使得基础混合料能够更好粘结，并且在相邻的面板之间的纸面接缝带的损坏和变形更小。同时，更干的接缝能使墙体接缝在现场更快更早地连接，减少由于胶泥水中溶解的任何碱渗入接缝区产生的性能恶化。
实施例8：结合强度对比
在实施例7中经过干燥的墙体测试在纤维增强水泥面板与实施例4所示的两种混合料之间的结合强度。
通过对FRC/芯料界面在沿墙高度的不同位置施加张应力获得这种测量。结果表示于下表：沿着墙高度的试验位置 结合 强度(Mpa)传统的1100kg/m3 混合料 失效模式加气的500kg/m3 混合料失效模式 300mm 900mm 1800mm 2100mm 0.12 0.07 0.08 0.00 粘合的 粘合的 粘合的 粘合的 0.14 0.11 0.08 0.06 内聚的 内聚的 内聚的 内聚的
可以看出，在循环干燥时，与传统的轻质混合料相比，加气的混合料的结合强度降低更小。还可以看出，两种混合料表现出截然不同的失效模式。传统的混合料以“粘连”方式失效，即FRC组件与芯料沿其界面分开。另一方面，引入空气的混合料以“内聚”的方式失效，即FRC/芯料界面保持结合，失效在芯料中发生。
从上面可以看出，根据本发明的轻质混合料表现出对纤维增强面板的优异结合性。也就是说，板/混凝土/板的复合强度被改善，导致夹心墙体的总体性能改善。这是非常出乎意料的，因为根本没有想到用于生产所述轻质混凝土组合物的添加剂或工艺会表现出这种优异的结合性。对于熟悉该领域的技术人员，这种“内聚”失效是对于传统技术的明显改进。
实施例9；锚钉拉出对比
试验经过实施例7的干燥的墙，测定其锚钉拉出负载能力。钻出锚孔并把两种锚钉插入两种墙内，通过对锚钉头施加轴向负荷直至达到确定锚钉塑变的最大负荷。结果表示于下表中：锚固类型 拔出负荷(KN)传统的1100kg/m3混 合料加气的500kg/m3混合 料HIL TI HGN 12(10mm螺栓尺寸) 2.11 0.71HIL TI HHD 6/19(6mm螺栓尺寸) 0.90 1.30
可以看出，在使用传统轻质混凝土用的锚钉，即HILTI HGN12时，与传统混合料相比，加气混合料的拉出负荷低65％。由于这种锚钉依赖芯料密度来获得其拉出负荷特性，轻质混凝土的密度低55％，对应于降低了抗张强度，因此降低了拉出强度。
另一方面，在使用腔体墙锚钉HILTI HHD 6/19时，表中表明，对于两种混合料来说，拉出力的趋势是相反的，即加气混合料的拉出负荷比传统混合料高44％。该结果被认为与加气混合料的结合强度改善有关，由于锚钉在被加载之前所要求的预凝固作用，这种结合强度的改善有助于直接将拔出力传递到面板。当设置HHD型锚钉时，主体塌落成与面层接触的四个径向取向的臂。简言之，芯料混合料的负荷能力/密度比得以显著提高。
该结果的确出人意料。轻质混凝土不仅因高的加气量提供了优良的隔绝性能，而且它同时满足悬挂水盆、橱柜等所需的可接受的悬挂能力要求。
实施例10：密度变化
示出用于密度1200kg/m3和450kg/m3的轻质混凝土的典型组合物。采用聚苯乙烯集料，两实例显示优异的分散和结合强度。混合料密度 1200 1200 升 Kg 体积比 重量比粘结剂 253 354 100.00％ 100.00％惰性填料 394 630 155.56％ 177.78％聚合集料 295 3 116.67％ 0.83％水 211 211 83.46％ 59.61％添加剂 7 2 2.72％ 0.68％混合料密度 450 450 升 Kg 体积比 重量比粘结剂 108 151 100.00％ 100.00％惰性填料 95 151 87.50％ 100.00％聚合集料 946 9 875.00％ 6.25％水 140 140 129.85％ 92.75％添加剂 6 2 5.25％ 1.31％
在所有这些方面，本发明给出了一种对现有技术的实用的有商业价值的明显改进。
虽然参考特定实施例描述了本发明，但是，熟悉该领域的技术人员将会清楚，本发明可以用许多其它形式实施。