[发明专利]一种具有定向多孔结构的仿生水泥及其制备方法

说明书

本发明涉及多孔水泥领域，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。

技术领域

本发明涉及多孔水泥领域，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。

背景技术

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。