CN105753405A - 一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料，该自结晶凝胶材料以硅酸盐水泥为主体，通过复合微膨胀剂、结晶剂、微细弹性胶粒，形成具有自动膨胀和收缩功能的凝胶材料。用于透水混凝土时自结晶形成具有柔性的多孔道钙钒石，不但与粗细骨料具有良好的粘接性，而且自身形成多孔道的透水通道。使用时，自结晶凝胶材料与多孔性细集料配合使用，不会堵塞多孔细集料的微孔。从而可以在透水混凝土中大量使用多孔性的细集料，增加粗骨料之间的粘接界面面积，提升透水混凝土的强度。满足用于城市道路和高速公路等高载荷道路混凝土。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土外加剂技术领域，具体涉及一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料及制备方法和应用。
背景技术
现代城市的地表不断被钢筋混凝土的房屋建筑和不透水的路面所覆盖。与自然的土壤相比，普通混凝土路面缺乏吸收热量和渗透雨水的能力，随之带来了一系列问题。例如：能够渗入地表的雨水明显减少，造成地下水位下降；不透水的路面很难与空气进行热量和湿度的交换，产生“热岛现象”，使气候恶化；同时，当短时间内集中降雨时，由于大量雨水只能通过地下排水设施排入河流，大大加重了排水设施的负担。
不透水的地表给城市的生态循环带来了诸多负面影响，因此，为克服传统混凝土的缺点，人们研究开发了透水混凝土。透水混凝土又称多孔混凝土，是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一种多孔混凝土，它不含细骨料，由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构。一般采用的粗骨料粒径大于5mm，利用骨架产生的孔隙达到渗水的目的，故具有透气、透水特点。由于缺少细骨料，因而透水混凝土的粘接面积少，抗压强度只有15~35MPa，这种混凝土由于孔隙大而多，其载荷强度、耐磨性难以达到要求。目前主要应用在公园、人行道等承载负荷要求不高的区域。因而，阻碍了透水混凝土在城市道路和高速公路的使用。
我国已认识到保护环境、维护生态平衡，走可持续发展道路的重要性，因此，环保生态型的透水性混凝土期望应用于各种道路和承重路面，以改善生态环境，形成“海绵”城市。然而，透水混凝土透水性和强度相矛盾的问题，成为阻碍透水混凝土大规模利用的瓶颈。
为了保证透水性的同时提高透水混凝土强度，目前透水混凝土主要通过使用胶粉、改善分散、提高粘接强度进行技术改进。
中国发明专利CN101857403B公开了一种透水混凝土及其制备方法，该发明利用水泥、砼灰、乳胶粉组成复合胶凝材料，与骨料、水制备出抗压强度大于或等于20MPa的透水混凝土。
中国发明专利CN101182172公开了一种高强高透水性混凝土及其制备方法，该发明采用粒径分别为10.0～13.0MM、5.0～10.0MM、2.5～5.0MM的碎石、沙漠中的风积沙、粉煤灰作为骨料，通过加入JM-SCA型增强剂得到抗压强度可达到35MPa的透水混凝土。
中国发明专利CN102898062A公开了一种卵石型号透水混凝土专用的复合型添加剂，该发明将超细微珠、硅灰、锂渣粉、聚氧化乙烯复合为一种添加剂，通过提高水泥浆体的粘性与保水性来增加水泥浆体对卵石表面的包裹性，以此来提高卵石表面粘结性能，保证混凝土的透水性与力学性能。
中国发明专利CN102432219A公开了一种高强透水混凝土外加剂及透水混凝土，为解决透水混凝土强度低的问题，该发明外加剂重量配比由减水剂、胶粉、颜料、石棉戎、石膏粉、重钙粉组成，通过胶粉的粘接性提高强度。
中国发明专利CN101186481公开了一种透水混凝土用复合胶凝材料及其制备方法，该复合胶凝材料由水泥、矿渣微粉、粉煤灰、乳胶粉、减水剂组成，通过复合凝胶提升透水混凝土的强度。
根据以上分析，尽管通过使用胶粉、提高分散性、利用复合凝胶材料等提升了透水混凝土的强度，但由于透水混凝土主要依靠粗骨料形成较大的孔道和孔隙率达到透水的目的，因此，缺少细集料导致其粘接界面剂小，强度提高极为有限。限制了透水混凝土在城市道路、高速公路等高载荷路面的使用。即使使用细集料，在施工过程中水泥浆体及细集料易出现浆体下沉流动堵塞下部孔隙，影响透水性能，这给透水混凝土的施工造成极大的难度。
发明内容
针对目前透水混凝土强度差、透水性差、施工难以控制的缺陷，本发明提出一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料，该自结晶凝胶材料以硅酸盐水泥为主体，通过复合微膨胀剂、结晶剂、微细弹性胶粒，形成具有自动膨胀和收缩功能的凝胶材料。用于透水混凝土时自结晶形成具有柔性的多孔道钙钒石，不但与粗细骨料具有良好的粘接性，而且自身形成多孔道的透水通道。特别是在透水混凝土路面干燥状态时具有良好的干强度，在遇水时自结晶膨胀形成完全贯通透水微孔，具有可完全透水性，满足用于城市道路和高速公路等高载荷道路混凝土。本发明进一步的目的是提供一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料的制备方法和应用。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料，其特征是：具有自动膨胀和收缩功能的凝胶材料，用于透水混凝土时自结晶形成具有柔性的多孔道透水通道，由如下重量份原料组成：
硅酸盐水泥80-90份，
微膨胀剂5-8份，
结晶剂3-5份，
微细弹性胶粒2-5份,
分散剂0.5-1份,
其中，所述的微膨胀剂选用U型膨胀剂、明矾石膨胀剂、CSA膨胀剂中的至少一种，微膨胀剂遇水后产生微膨胀应力，形成微裂缝，这种微裂缝通过结晶剂的结晶形成多孔道钙钒石。
所述的结晶剂为磷酸二氢铝、柠檬酸、氟化钙以质量比5:1-2:0.5-1组成的复合结晶剂，复合结晶剂利用自动结晶功能使微膨胀剂在硅酸盐水泥体系中遇水自动膨胀结晶形成三维的多孔道结构。
所述的微细弹性胶粒为过120目筛的再生橡胶粉、再生塑料粉、再生沥青粉中的一种，在自结晶凝胶材料中做弹性缓冲材料，辅助形成柔性的多孔道钙钒石。
所述的分散剂为萘系减水剂、木质素减水剂、脂肪族减水剂、密胺减水剂、聚羧酸减水剂中的至少一种，通过将分散剂分散在微膨胀剂微细颗粒表面，用于混凝土时能够快速水合化，形成结构稳定的钙钒石。
优选的，所述的硅酸盐水泥选用早强型R42.5、R52.5、R62.5三个等级的至少一种。
一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料的制备方法，其特征在于：通过纳米微细复合，使结晶剂以纳米尺寸在自结晶凝胶材料中分散，从而实现微膨胀剂在硅酸盐水泥体系中自动膨胀结晶形成多孔道钙钒石，具体制备方法如下：
1）将5-8重量份的微膨胀剂、3-5重量份的结晶剂、0.5-1重量份的分散剂在磨粉机中进行机械微细化复合，使结晶剂镶嵌在微膨胀剂，得到纳米尺寸的微细颗粒；
2）将步骤1）得到的微细颗粒与80-90重量份的硅酸盐水泥、2-5重量份的微细弹性胶粒加入高速混合机中，以1000-1500rpm的高速分散30-45min，得到透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料。
所述的磨粉机选用立式转子磨粉机、对击式转子磨粉机或者气流涡旋磨粉机。
一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料的应用，其特征是自结晶多孔道凝胶材料与粒径小于500μm的多孔性细集料配合使用。
优选的，所述的自结晶多孔道凝胶材料与多孔性细集料配合使用是以1:1的堆积体积比混合使用。
优选的，所述多孔性细集料的粒径为50-100微米。
优选的，所述的多孔性细集料为膨胀蛭石、沸石、硅藻土、膨胀珍珠岩、海泡石、坡缕石、玻化微珠中至少一种。
在透水混凝土中，为了达到透水性能，通常使用粒径在5mm甚至更高的粗骨料，粗骨料形成的大孔洞尽管解决了透水性，但骨料与骨料之间的结合减少，从而粘接界面面积降低，所以导致透水混凝土的强度降低。本发明创造性的提出一种透水混凝土用自结晶多孔道凝胶材料，该自结晶凝胶材料以硅酸盐水泥为主体，通过复合微膨胀剂、结晶剂、微细弹性胶粒，形成具有自动膨胀和收缩功能的凝胶材料，用于透水混凝土时自结晶形成具有柔性的多孔道钙钒石，不但与粗细骨料具有良好的粘接性，而且自身形成多孔道的透水通道。由于自结晶凝胶材料自身形成多孔道结构，使用时，自结晶凝胶材料与多孔性细集料配合使用，不会堵塞多孔细集料的微孔。从而可以在透水混凝土中大量使用多孔性的细集料，增加粗骨料之间的粘接界面面积，提升透水混凝土的强度。
在典型的应用中，本发明自结晶膨胀蛭石凝胶材料与多孔细集料、粗骨料、水直接混合均匀进行施工。由于自结晶凝胶材料自身形成多孔道的透水通道，与多孔细集料组成的浆体填满粗骨料的大空隙后仍然保持良好的透水系数。不会因为浆体沉积阻塞透水通道，极大地方便了施工。
本发明一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、通过复合微膨胀材料、结晶剂、微细弹性胶粒，形成具有自动膨胀和收缩功能的凝胶材料，用于透水混凝土时自结晶形成具有柔性的多孔道钙钒石，不但与粗细骨料具有良好的粘接性，而且自身形成多孔道的透水通道。形成具有均匀贯通孔隙的网络结构，显著提高透水性。
2、自结晶凝胶材料与多孔性细集料配合使用，不会堵塞多孔细集料的微孔，从而可以在透水混凝土中大量使用多孔性的细集料，增加粗骨料之间的粘接界面面积，提升透水混凝土的强度。可添加于城市道路和高速公路等高载荷道路混凝土。
3、自结晶凝胶材料由于自身形成多孔道的透水通道，不会因水泥浆体离析、浆体沉积阻塞透水通道，可与普通混凝土一样施工，克服了目前透水混凝土施工难以控制的缺陷。
4、通过使用自结晶凝胶材料，能够获得高强度、高耐磨性、高透水性的透水混凝土，可广泛用于高速道路、城市道路、园林道路、人行道、停车场、公园等有透水要求的工程和道路，对缓解城市“热岛现象”、减轻城市内涝、恢复城市生态循环具有重要意义。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料，原料重量份组成：R52.5硅酸盐水泥80份；明矾石膨胀剂5份；磷酸二氢铝、柠檬酸、氟化钙以质量比5:1:0.5组成的复合结晶剂5份；过120目筛的再生橡胶粉2份；木质素减水剂1份。
1）将明矾石膨胀剂；复合结晶剂、木质素减水剂在立式转子磨粉机中进行机械微细化复合，使结晶剂镶嵌在微膨胀剂，得到粒径小于100纳米的纳米尺寸的微细颗粒；
2）将步骤1）得到的微细颗粒与R52.5硅酸盐水泥、过120目筛的再生橡胶粉加入高速混合机中，以1000-1500rpm的高速分散30，得到透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料。
将得到的自结晶多孔道凝胶材料与粒径小于500μm的多孔性细集料硅藻土以1:1的堆积体积比混合用于透水混凝土。
参照CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》的要求，将上述实施例得到的自结晶多孔道凝胶材料用于透水混凝土，按照重量比：自结晶多孔道凝胶材料（100kg）:硅藻土（150kg）：水（750kg）：3-5mm的鹅卵石（750kg）进行拌合得到透水混凝土。使用性能检测结果如下表1。
实施例2
一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料，原料重量份组成：R62.5硅酸盐水泥85份；U型膨胀剂6份；磷酸二氢铝、柠檬酸、氟化钙以质量比5:2:1组成的复合结晶剂3份；过120目筛的再生塑料粉2份；脂肪族减水剂0.5份。
1）将U型膨胀剂、复合结晶剂、脂肪族减水剂在气流涡旋磨粉机中进行机械微细化复合，使结晶剂镶嵌在微膨胀剂，得到粒径小于100纳米的纳米尺寸的微细颗粒；
2）将步骤1）得到的微细颗粒与R62.5硅酸盐水泥、过120目筛的再生塑料粉加入高速混合机中，以1000-1500rpm的高速分散45，得到透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料。
将得到的自结晶多孔道凝胶材料与粒径小于100μm的多孔性细集料膨胀蛭石混合用于透水混凝土。
参照CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》的要求，将上述实施例得到的自结晶多孔道凝胶材料用于透水混凝土，按照重量比：自结晶多孔道凝胶材料（100kg）:膨胀蛭石（90kg）：水（650kg）：5-10mm的粗骨料（750kg）进行拌合得到透水混凝土。使用性能检测结果如下表1。
实施例3
一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料，原料重量份组成：R42.5硅酸盐水泥90份；CSA膨胀剂8份；磷酸二氢铝、柠檬酸、氟化钙以质量比5:2:0.5组成的复合结晶剂4份；过120目筛的再生沥青粉5份；密胺减水剂1份。
1）将CSA膨胀剂、复合结晶剂、密胺减水剂在对击式转子磨粉机中进行机械微细化复合，使结晶剂镶嵌在微膨胀剂，得到粒径小于100纳米的纳米尺寸的微细颗粒；
2）将步骤1）得到的微细颗粒与R42.5硅酸盐水泥、过120目筛的再生沥青粉加入高速混合机中，以1000-1500rpm的高速分散40min，得到透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料。
将得到的自结晶多孔道凝胶材料与粒径50-100μm的多孔性细集料海泡石混合用于透水混凝土。
参照CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》的要求，将上述实施例得到的自结晶多孔道凝胶材料用于透水混凝土，按照重量比：自结晶多孔道凝胶材料（100kg）:海泡石（60kg）：水（800kg）：5-10mm的碎石（800kg）进行拌合得到透水混凝土。使用性能检测结果如下表1。
实施例4
一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料，原料重量份组成：R42.5硅酸盐水泥80份；明矾石膨胀剂3份、CSA膨胀剂2份；磷酸二氢铝、柠檬酸、氟化钙以质量比5:1.5:0.5组成的复合结晶剂5份；过120目筛的再生橡胶粉5份；聚羧酸减水剂1份。
1）将明矾石膨胀剂、CSA膨胀剂、复合结晶剂、聚羧酸减水剂在对击式转子磨粉机中进行机械微细化复合，使结晶剂镶嵌在微膨胀剂，得到粒径小于100纳米的纳米尺寸的微细颗粒；
2）将步骤1）得到的微细颗粒与R42.5硅酸盐水泥、过120目筛的再生橡胶粉加入高速混合机中，以1000-1500rpm的高速分散30min，得到透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料。
将得到的自结晶多孔道凝胶材料与粒径50-100μm的多孔性细集料坡缕石混合用于透水混凝土。
参照CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》的要求，将上述实施例得到的自结晶多孔道凝胶材料用于透水混凝土，按照重量比：自结晶多孔道凝胶材料（100kg）:坡缕石（120kg）：水（750kg）：5-10mm的碎石（750kg）进行拌合得到透水混凝土。使用性能检测结果如下表1。
表1：
| 检测项目 | 实施列1 | 实施列2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 耐磨性（磨坑长度），mm | 3 | 2 | 1.5 | 2 |
| 连续孔隙率，% | 25 | 20 | 22 | 28 |
| 透水系数（15℃）,mm/s | 9 | 8 | 10 | 11 |
| 抗压强度（28d）,MPa | 58 | 62 | 50 | 65 |
| 弯拉强度（28d），MPa | 5.4 | 5.9 | 6.2 | 6.0 |
通过对自结晶多孔道凝胶材料的应用，透水混凝土的强度大幅提升，完全满足高载荷道路的使用，通过使用细集料，仍然保持连续的孔隙率和透水性能。
Claims (8)
1.一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料，其特征是：具有自动膨胀和收缩功能的凝胶材料，用于透水混凝土时自结晶形成具有柔性的多孔道透水通道，由如下重量份原料组成：
硅酸盐水泥80-90份，
微膨胀剂5-8份，
结晶剂3-5份，
微细弹性胶粒2-5份,
分散剂0.5-1份,
其中，所述的微膨胀剂选用U型膨胀剂、明矾石膨胀剂、CSA膨胀剂中的至少一种，微膨胀剂遇水后产生微膨胀应力，形成微裂缝，这种微裂缝通过结晶剂的结晶形成多孔道钙钒石；
所述的结晶剂为磷酸二氢铝、柠檬酸、氟化钙以质量比5:1-2:0.5-1组成的复合结晶剂；
所述的微细弹性胶粒为过120目筛的再生橡胶粉、再生塑料粉、再生沥青粉中的一种；
所述的分散剂为萘系减水剂、木质素减水剂、脂肪族减水剂、密胺减水剂、聚羧酸减水剂中的至少一种。
2.根据权利要求1所述一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料，其特征在于：所述的硅酸盐水泥选用早强型R42.5、R52.5、R62.5三个等级的至少一种。
3.权利要求1所述一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料的制备方法，其特征在于：通过纳米微细复合，使结晶剂以纳米尺寸在自结晶凝胶材料中分散，从而实现微膨胀剂在硅酸盐水泥体系中自动膨胀结晶形成多孔道透水通道，具体制备方法如下：
1）将5-8重量份的微膨胀剂、3-5重量份的结晶剂、0.5-1重量份的分散剂在磨粉机中进行机械微细化复合，使结晶剂镶嵌在微膨胀剂，得到纳米尺寸的微细颗粒；
2）将步骤1）得到的微细颗粒与80-90重量份的硅酸盐水泥、2-5重量份的微细弹性胶粒加入高速混合机中，以1000-1500rpm的高速分散30-45min，得到透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料。
4.根据权利要求3所述一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述的磨粉机选用立式转子磨粉机、对击式转子磨粉机或者气流涡旋磨粉机。
5.权利要求1所述一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料的应用，其特征在于：自结晶多孔道凝胶材料与粒径小于500μm的多孔性细集料配合使用。
6.根据权利要求5所述一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料的应用，其特征在于：所述的自结晶多孔道凝胶材料与多孔性细集料配合使用是以1:1的堆积体积比混合使用。
7.根据权利要求5所述一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料的应用，其特征在于：所述多孔性细集料的粒径为50-100微米。
8.根据权利要求5所述一种透水混凝土自结晶多孔道凝胶材料的应用，其特征在于：所述的多孔性细集料为膨胀蛭石、沸石、硅藻土、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、海泡石、坡缕石、玻化微珠中至少一种。
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Date of cancellation: 20220207 Granted publication date: 20171212 Pledgee: China Everbright Bank Limited by Share Ltd. Yantai branch Pledgor: WANHUA ENERGY SAVING (YANTAI) ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2020980000311 |