CN107098637B - 一种生态透水混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型生态透水混凝土材料及其制备方法，所述混凝土材料具有高强度、高透水系数、孔隙率可调控、固化时间较短且制备方法简单等优点，在海绵城市建设过程中具有很好的应用价值，能够实现透水混凝土的可持续发展及维护地下水生态平衡等重大作用。其中，新型生态透水混凝土材料，具体组分及质量配比为：天然集料400～500份、普通硅酸盐水泥75～92份、脱硫石膏4～7份、硅灰4～10份、减水剂0.5～1.5份、水22～36份、粘结性聚合物4～12份、速凝早强剂0.5～1.2份。

Description

一种生态透水混凝土材料及其制备方法
技术领域
本发明属土木工程技术领域，具体涉及一种新型生态透水混凝土材料及其制备方法。
背景技术
在我国新型城镇化建设和地下水资源衰竭恶化的时代背景下，海绵城市作为人与自然和谐共存、发挥城市水生态服务功能，能够引导城市可持续发展，从根本上解决城市阻绝水与生态的问题，被专业领域学者提出和推广，并成为国家和地方政府解决城市雨洪综合管理的战略目标。
透水混凝土的透水透气、吸声降噪、净化水体、改善土壤生态环境、缓解地表径流及缓解热岛效应等优势，在可持续发展、维护生态平衡及海绵城市等思想指导下，透水混凝土技术开始被广泛研究。欧美、日韩等发达国家在50多年前就开始了对透水混凝土进行研究与开发，并且已将其广泛的应用于道路工程、园林工程、环境工程及城市广场等多个领域，取得了良好的社会、环境和生态效果。
虽然关于生态透水混凝土的理论研究我国取得了一定成果，但总体来说，我国透水混凝土的研究仍处于起步阶段，尚未有相关国家标准及规范，还需要更多的突破和完善。由于透水混凝土材料的多孔结构，影响其力学强度，尤其是抗压强度，导致其在对承重有一定要求的绿化工程中推广应用受限；同时，透水混凝土材料因减少胶凝材料因此其产生的强度比一般非透水材料更低，也因此需要更长的固化时间，从而减缓项目进程并且增加了项目成本。因此，亟需一种具有强度高、透水系数高、孔隙率可调且固化时间较短的新型透水混凝土材料。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种新型生态透水混凝土材料及其制备方法，所述混凝土材料具有高强度、高透水系数、孔隙率可调控、固化时间较短且制备方法简单等优点，在海绵城市建设过程中具有很好的应用价值，能够实现透水混凝土的可持续发展及维护地下水生态平衡等重大作用。
具体的，本发明的技术方案如下：
一种新型生态透水混凝土材料，具体组分及质量配比为：天然集料400～500份、普通硅酸盐水泥75～92份、脱硫石膏4～7份、硅灰4～10份、减水剂0.5～1.5份、水22～36份、粘结性聚合物4～12份、速凝早强剂0.5～1.2份。
优选的，所述天然集料为石子，所述石子粒径为4.75～9.5mm及9.5～16mm两种；
优选的，所述普通硅酸盐水泥为符合GB175-1999的普通42.5硅酸盐水泥或52.5硅酸盐水泥；
优选的，所述石膏为水石膏、半水石膏或二水石膏；
优选的，所述硅灰的的SiO2含量超过97％；
优选的，所述减水剂为木质素磺酸盐减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺减水剂或聚羧酸减水剂；进一步优选为聚羧酸减水剂；
优选的，所述粘结性聚合物为聚醋酸乙烯乳液、丙烯酸乳液或EVA乳液，进一步优选为 EVA乳液；
优选的，所述速凝早强剂由三乙醇胺、硅酸钠及碳酸锂组成，进一步优选的，所述三乙醇胺、硅酸钠及碳酸锂的质量比为3:4:3；
由于透水混凝土材料内部是蜂窝状的大孔隙机构，从而造成其抗压强度较低，进一步的，现有技术中，拌制的透水混凝土往往包裹性较差，经震动后，浆体在重力作用下极易下沉，堵塞下部孔隙，影响透水性和透气性，而上部的浆体减少，也会影响集料之间的粘结性，从而进一步导致透水混凝土强度降低。
发明人在实验研究中发现，通过合理比例掺加脱硫石膏、硅灰和聚羧酸减水剂可显著提高透水混凝土的抗压和抗折强度，同时，脱硫石膏和硅灰还可以起到保水、增稠的作用，增加水泥浆体对集料表面的包裹性和粘结性，从而极大减缓浆料下沉速率；
为进一步提高混凝土的粘结性，发明人通过大量试验筛选出EVA乳液，EVA乳液具有良好的粘合特性以及耐老化，耐光和耐皂化特性，既提高透水混凝土的强度，同时也提高混凝土的耐久性，而且EVA乳液安全无毒，给施工人员提供一个安全的操作环境，确保对环境的影响降到最低；
同时，发明人在试验研究中发现，采用三乙醇胺、硅酸钠及碳酸锂作为速凝早强剂在添加量较低的情况下即可有效加速混凝土硬化，从而确保透水混凝土在较短时间内形成足够的强度，保证施工的要求，同时添加速凝早强剂加速混凝土硬化有助于减少浆体下沉速率，从而进一步提高透水混凝土的强度及透气透水性。
一种新型生态透水混凝土材料，其按照天然集料粒径分为上下两层，其中，
上层材料具体组分及质量配比为：天然集料400～500份、普通硅酸盐水泥75～92份、脱硫石膏4～7份、硅灰4～10份、减水剂0.5～1.5份、水22～36份、粘结性聚合物4～12份、速凝早强剂0.5～1.2份，所述天然集料为石子，所述石子粒径4.75～9.5mm；
下层材料具体组分及质量配比为：天然集料400～500份、普通硅酸盐水泥75～92份、脱硫石膏4～7份、硅灰4～10份、减水剂0.5～1.5份、水22～36份、粘结性聚合物4～12份、速凝早强剂0.5～1.2份，所述天然集料为石子，所述石子粒径9.5～16mm；
优选的，所述上层材料与下层材料的体积比为1:1～3，优选为1:2；如前所述，由于受重力作用，浆体不可避免下沉，而下层材料集料粒径较大，自然其形成的孔隙较大，从而减少料浆对下层孔隙堵塞的影响。
本发明还提供所述透水混凝土材料制备方法，包括以下步骤：
(1)严格按比例称取硅酸盐水泥、集料、水、石膏、硅灰、减水剂、粘性聚合物、速凝早强剂；
(2)将先将集料和70％拌合水预搅拌1min，然后加入60％硅酸盐水泥、60％石膏、60％硅灰、减水剂及聚合物乳液，继续搅拌1min；
(3)将30％水、速凝早强剂、剩余40％硅酸盐水泥、40％石膏及40％硅灰加入搅拌机，继续混合搅拌4min，共搅拌6min；
(4)成型时将新拌透水混凝土分层装入模具，每层振捣20次，最后采用0.5～0.9MPa压力进行压力成型；
(5)成型后继续带模具养护，2天后拆模，标准条件下养护至相应龄期；
优选的，所述分层分为两层，其中上层中的集料为4.75～9.5mm的石子；下层中的集料为9.5～16mm的石子；
优选的，所述上层和下层的体积比为1:1～3；进一步优选为1:2；
本发明的有益效果：
(1)本发明制备得到的生态透水混凝土材料，通过合理调配各配比材料，从而有效提高了水泥浆体的粘性和保水性，有效解决了透水混凝土集料表面裹浆性差的问题，使其可应用于海绵城市路面铺装工程，经试验验证，其具有高强度、高透水系数、孔隙率可调控、固化时间较短且制备方法简单等优点，同时其抗折强度、抗压强度、透水系数及孔隙率均可以随配比变化在一定范围内调整，从而极大拓展了其应用范围；
(2)本发明所选材料安全无害，其大鼠经口的半数致死量≧5000mg/kg，可判定为无毒；同时在保证透水混凝土上述优点的同时，通过合理的材料及配比选择，使得制备得到的生态透水混凝土材料内部pH值显著降低，经测算pH值为7.9～8.4，满足绿化植物生长环境的需要，真正实现了透水混凝土的绿色化、生态化。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，由于透水混凝土材料的多孔结构，影响其力学强度，尤其是抗压强度，导致其在对承重有一定要求的绿化工程中推广应用受限；同时，透水混凝土材料因减少胶凝材料因此其产生的强度比一般非透水材料更低，也因此需要更长的固化时间，从而减缓项目进程并且增加了项目成本。
有鉴于此，本申请的一种典型的实施方式中，提供一种新型生态透水混凝土材料，具体组分及质量配比为：天然集料400～500份、普通硅酸盐水泥75～92份、脱硫石膏4～7份、硅灰4～10份、减水剂0.5～1.5份、水22～36份、粘结性聚合物4～12份、速凝早强剂0.5～1.2份。
其中，所述天然集料为石子，所述石子粒径为4.75～9.5mm及9.5～16mm两种；
所述普通硅酸盐水泥为符合GB 175-1999的普通42.5硅酸盐水泥或52.5硅酸盐水泥；
所述石膏为水石膏、半水石膏或二水石膏；
所述硅灰的的SiO2含量超过97％；
所述减水剂为木质素磺酸盐减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺减水剂或聚羧酸减水剂；优选为聚羧酸减水剂；
所述粘结性聚合物为聚醋酸乙烯乳液、丙烯酸乳液或EVA乳液，优选为EVA乳液；
所述速凝早强剂由三乙醇胺、硅酸钠及碳酸锂组成，所述三乙醇胺、硅酸钠及碳酸锂的质量比为3:4:3；
由于透水混凝土材料内部是蜂窝状的大孔隙机构，从而造成其抗压强度较低，进一步的，现有技术中，拌制的透水混凝土往往包裹性较差，经震动后，浆体在重力作用下极易下沉，堵塞下部孔隙，影响透水性和透气性，而上部的浆体减少，也会影响集料之间的粘结性，从而进一步导致透水混凝土强度降低。
发明人在实验研究中发现，通过合理比例掺加脱硫石膏、硅灰和聚羧酸减水剂可显著提高透水混凝土的抗压和抗折强度，同时，脱硫石膏和硅灰还可以起到保水、增稠的作用，增加水泥浆体对集料表面的包裹性和粘结性，从而极大减缓浆料下沉速率；
为进一步提高混凝土的粘结性，发明人通过大量试验筛选出EVA乳液，EVA乳液具有良好的粘合特性以及耐老化，耐光和耐皂化特性，既提高透水混凝土的强度，同时也提高混凝土的耐久性，而且EVA乳液安全无毒，给施工人员提供一个安全的操作环境，确保对环境的影响降到最低；
同时，发明人在试验研究中发现，采用三乙醇胺、硅酸钠及碳酸锂作为速凝早强剂在添加量较低的情况下即可有效加速混凝土硬化，从而确保透水混凝土在较短时间内形成足够的强度，保证施工的要求，同时添加速凝早强剂加速混凝土硬化有助于减少浆体下沉速率，从而进一步提高透水混凝土的强度及透气透水性。
本发明提供的又一具体实施方式中，提供一种新型生态透水混凝土材料，其按照天然集料粒径分为上下两层，其中，
上层材料具体组分及质量配比为：天然集料400～500份、普通硅酸盐水泥75～92份、脱硫石膏4～7份、硅灰4～10份、减水剂0.5～1.5份、水22～36份、粘结性聚合物4～12份、速凝早强剂0.5～1.2份，所述天然集料为石子，所述石子粒径4.75～9.5mm；
下层材料具体组分及质量配比为：天然集料400～500份、普通硅酸盐水泥75～92份、脱硫石膏4～7份、硅灰4～10份、减水剂0.5～1.5份、水22～36份、粘结性聚合物4～12份、速凝早强剂0.5～1.2份，所述天然集料为石子，所述石子粒径9.5～16mm；
其中，所述上层材料与下层材料的体积比为1:1～3，优选为1:2；如前所述，由于受重力作用，浆体不可避免下沉，而下层材料集料粒径较大，自然其形成的孔隙较大，从而减少料浆对下层孔隙堵塞的影响；
本发明提供的又一具体实施方式中，提供所述透水混凝土材料制备方法，包括以下步骤：
(1)严格按比例称取硅酸盐水泥、集料、水、石膏、硅灰、减水剂、粘性聚合物、速凝早强剂；
(2)将先将集料和70％拌合水预搅拌1min，然后加入60％硅酸盐水泥、60％石膏、60％硅灰、减水剂及聚合物乳液，继续搅拌1min；
(3)将30％水、速凝早强剂、剩余40％硅酸盐水泥、40％石膏及40％硅灰加入搅拌机，继续混合搅拌4min，共搅拌6min；
(4)成型时将新拌透水混凝土分层装入模具，每层振捣20次，最后采用0.5～0.9MPa压力进行压力成型；
(5)成型后继续带模具养护，2天后拆模，标准条件下养护至相应龄期；
其中，所述分层分为两层，其中上层中的集料为4.75～9.5mm的石子；下层中的集料为9.5～16mm的石子；
所述上层和下层的体积比为1:1～3；优选为1:2。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例和对比例详细说明本申请的技术方案。
需要说明的是，本发明实施例中所用普通硅酸盐水泥为山东水泥厂生产的42.5水泥，石膏为山东水泥厂提供脱硫石膏，水为普通工业用水，天然集料为山东华森搅拌站提供的石子，硅灰为上海埃肯公司生产的SiO2含量超过97％的硅灰，减水剂为山东建科院生产的NC-J聚羧酸高性能减水剂，EVA乳液济南鲁元化工有限公司提供，速凝早强剂为实验室配制。
实施例1
一种新型生态透水混凝土材料，其重量份比组成：普通硅酸盐42.5水泥83份，石膏5 份、硅灰6份、粘结性聚合物6份，水26份，外掺减水剂0.6份，速凝早强剂0.8份(30％三乙醇胺，40％硅酸钠，30％碳酸锂)，天然集料(石子)400份，集料粒径为4.75～9.5mm及 9.5～16mm。
制备方法，包括以下步骤：
(1)严格按比例称取硅酸盐水泥、集料、水、石膏、硅灰、减水剂、粘性聚合物、速凝早强剂；
(2)将先将集料和70％拌合水预搅拌1min，然后加入60％硅酸盐水泥、60％石膏、60％硅灰、减水剂及聚合物乳液，继续搅拌1min；
(3)将30％水、速凝早强剂、剩余40％硅酸盐水泥、40％石膏及40％硅灰加入搅拌机，继续混合搅拌4min，共搅拌6min；
(4)成型时将新拌透水混凝土分3层装入模具，每层振捣20次，最后采用0.5～0.9MPa 压力进行压力成型，混凝土上层(5cm)集料粒径为4.75～9.5mm的天然集料，下层(10cm)集料粒径为9.5～16mm的天然集料；
(5)成型后继续带模具养护，2天后拆模，标准条件下养护至28天。
实施例2
一种新型生态透水混凝土材料，其重量份比组成：一种新型生态透水混凝土材料，其重量份比组成：普通硅酸盐42.5水泥78份，石膏4份、硅灰8份、粘结性聚合物10份，水28份，外掺减水剂0.5份，速凝早强剂0.8份(30％三乙醇胺，40％硅酸钠，30％碳酸锂)，天然集料(石子)500份，集料粒径为4.75～9.5mm及9.5～16mm。
制备方法，包括以下步骤：
(1)严格按比例称取硅酸盐水泥、集料、水、石膏、硅灰、减水剂、粘性聚合物、速凝早强剂；
(2)将先将集料和70％拌合水预搅拌1min，然后加入60％硅酸盐水泥、60％石膏、60％硅灰、减水剂及聚合物乳液，继续搅拌1min；
(3)将30％水、速凝早强剂、剩余40％硅酸盐水泥、40％石膏及40％硅灰加入搅拌机，继续混合搅拌4min，共搅拌6min；
(4)成型时将新拌透水混凝土分3层装入模具，每层振捣20次，最后采用0.5～0.9MPa 压力进行压力成型，混凝土上层(5cm)集料粒径为4.75～9.5mm的天然集料，下层(10cm)集料粒径为9.5～16mm的天然集料；
(5)成型后继续带模具养护，2天后拆模，标准条件下养护至28天。
实施例3
一种新型生态透水混凝土材料，其重量份比组成：普通硅酸盐52.5水泥78份，石膏4 份、硅灰8份、粘结性聚合物10份，水28份，外掺减水剂0.6份，速凝早强剂0.9份(30％三乙醇胺，40％硅酸钠，30％碳酸锂)，天然集料(石子)450份，集料粒径为4.75～9.5mm 及9.5～16mm。
制备方法，包括以下步骤：
(1)严格按比例称取硅酸盐水泥、集料、水、石膏、硅灰、减水剂、粘性聚合物、速凝早强剂；
(2)将先将集料和70％拌合水预搅拌1min，然后加入60％硅酸盐水泥、60％石膏、60％硅灰、减水剂及聚合物乳液，继续搅拌1min；
(3)将30％水、速凝早强剂、剩余40％硅酸盐水泥、40％石膏及40％硅灰加入搅拌机，继续混合搅拌4min，共搅拌6min；
(4)成型时将新拌透水混凝土分3层装入模具，每层振捣20次，最后采用0.5～0.9MPa 压力进行压力成型，混凝土上层(5cm)集料粒径为4.75～9.5mm的天然集料，下层(10cm)集料粒径为9.5～16mm的天然集料；
(5)成型后继续带模具养护，2天后拆模，标准条件下养护至28天。
对比例1
制备方法同实施例1，唯一区别之处在于速凝早强剂组成成分为三乙醇胺和硅酸钠，二者质量比为1:1。
对比例2
制备方法同实施例1，唯一区别之处在于减水剂为萘系减水剂。
对比例3
制备方法同实施例1，唯一区别之处在于粘性聚合物为聚醋酸乙烯乳液。
对实施例1～3及对比例1～3制备的透水混凝土进行性能检测，检测结果如下表所示。
同时，经试验验证，实施例1-3中的混凝土材料大鼠经口的半数致死量均≧5000mg/kg，可判定为无毒；而对比例1中的混凝土材料大鼠经口的半数致死量为4500mg/kg；对比例2 中的混凝土材料大鼠经口的半数致死量为1500mg/kg；对比例1中的混凝土材料大鼠经口的半数致死量为2400mg/kg；表明本发明制备得到的混凝土材料具有良好的安全性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种生态透水混凝土材料，其特征在于，其按照天然集料粒径分为上下两层，其中，
上层材料具体组分及质量配比为：天然集料400～500份、普通硅酸盐水泥75～92份、脱硫石膏4～7份、硅灰4～10份、减水剂0.5～1.5份、水22～36份、粘结性聚合物4～12份、速凝早强剂0.5～1.2份，所述天然集料为石子，所述石子粒径4.75～9.5mm；
下层材料具体组分及质量配比为：天然集料400～500份、普通硅酸盐水泥75～92份、脱硫石膏4～7份、硅灰4～10份、减水剂0.5～1.5份、水22～36份、粘结性聚合物4～12份、速凝早强剂0.5～1.2份，所述天然集料为石子，所述石子粒径9.5～16mm；所述上层材料与下层材料的体积比为1:1～3；
所述减水剂为聚羧酸减水剂；
所述粘结性聚合物为EVA乳液；
所述速凝早强剂由三乙醇胺、硅酸钠及碳酸锂组成，所述三乙醇胺、硅酸钠及碳酸锂的质量比为3:4:3。
2.如权利要求1所述的一种生态透水混凝土材料，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥为符合GB 175-1999的普通42.5硅酸盐水泥或52.5硅酸盐水泥；
所述石膏为无水石膏、半水石膏或二水石膏；
所述硅灰的SiO2含量超过97％。
3.如权利要求1所述的一种生态透水混凝土材料，其特征在于，所述上层材料与下层材料的体积比为1:2。
4.权利要求1-3任一项所述的生态透水混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)严格按比例称取硅酸盐水泥、集料、水、石膏、硅灰、减水剂、粘性聚合物、速凝早强剂；
(2)将先将集料和70％拌合水预搅拌1min，然后加入60％硅酸盐水泥、60％石膏、60％硅灰、减水剂及聚合物乳液，继续搅拌1min；
(3)将30％水、速凝早强剂、剩余40％硅酸盐水泥、40％石膏及40％硅灰加入搅拌机，继续混合搅拌4min，共搅拌6min；
(4)成型时将新拌透水混凝土分层装入模具，每层振捣20次，最后采用0.5～0.9MPa压力进行压力成型；
(5)成型后继续带模具养护，2天后拆模，标准条件下养护至相应龄期；
所述分层分为两层，其中上层中的集料为4.75～9.5mm的石子；下层中的集料为9.5～16mm的石子；
所述上层和下层的体积比为1:1～3。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述上层和下层的体积比为1:2。
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