CN108358570A - 一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑建材技术领域，具体涉及一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土及其制备方法。由磷石膏、粒化高炉矿渣粉、低温烧黏土、生石灰、硫铝酸盐水泥、减水剂、甲基醇硅钠、动物蛋白发泡剂、聚丙烯纤维、稳泡剂、废陶瓷颗粒、淤泥陶粒和水组成，本发明具有较为优异的多孔性与耐湿性，质轻且强度满足要求，施工方便，成本低廉。可广泛应用于广场和停车场，人行道和荷载要求较小的路面等。

Description

一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土及其 制备方法
技术领域
本发明属于建筑建材技术领域，具体涉及一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土及其制备方法。
背景技术
污染物是放错地方的营养物，例如，氮、磷直接排入水体，很可能造成水体富营养化，造成环境污染，反之排入绿地，则可成为植物很好的养料。且在一定范围内，绿地对水系具有一定净化作用，同时可补充地下水。“海绵城市”正是根据污染物质的这一双重属性，建设生态基础设施，增大绿化率，利用大自然净化环境。国家也强调全面推进以建造自然渗透、积存和净化的“海绵城市”，增进生态文明建设和全面推进绿色建筑发展。普通混凝止路面已经不能满足生态可持续发展的需求,所以自2014年10月开始国家大力推行海绵城市建设，这就为拥有生态效益的新型路面材料---透水混凝±迎来了发展机遇。
透水混凝土(Pervious Concrete)用水泥作为胶凝材料，使用单一或不连续级配的粗骨料，含有少量或不含细集料配制而成的多孔结构的混凝主，主要靠包裹在粗骨料表面的胶结材浆体硬化后将骨料颗粒黏在一起而成。其内部存在较多的孔隙，有良好的透水、透气性，但其强度比普通混凝土的弱。常应用于强度要求不高、具有较好透水性的场合，如停车场、公园内的铺路、新型体育场等。可以有效收集雨水或渗透补充地下水，有利于保持地下水资源平衡，预防水位下降和地面下沉，创建舒适的生活环境；由于透气性好有利于地表微生物栖息生存，维持自然生物链；还具有降噪音，吸热量，缓解“热岛效应”等作用。
磷石膏是湿法磷酸生产过程中排放的工业废渣。其主要成分是二水硫酸钙，此外，还含有少量未分解的磷矿粉，未洗涤干净的磷酸、磷酸铁、磷酸铝和氟硅酸盐等杂质。通常每生产1t 磷酸约排放5t 左右的磷石膏。目前全世界磷石膏的年排放量非常可观，在150Mt以上。我国磷石膏的年排放量也达到了20Mt。这不仅占据了大量土地，而且还污染了环境，会导致pH的迅速变化，影响大多数种鱼类，水生生物和植被。磷石膏综合利用工艺研究，一直是国内外环保领域的重要课题。长期来，人们都致力于研究磷石膏的有效利用，如可用于普通硅酸盐水泥的缓凝剂和土壤固化剂中，用于石灰-粉煤灰-磷石膏胶凝体系，高强石膏，也可制成磷石膏板，空心砖。然而，在大多数相关研究上，磷石膏的用量还是太小，不满足大量消耗磷石膏的目的。一些研究满足需求，但他们必须对磷石膏做一些预处理，如热处理或冲洗，会消耗大量能源，产生二次污染，并导致成本增加。因此，迫切需要一个大用量，低成本的磷石膏加工工艺。本发明针对此问题提出了一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土及其制备方法。
经检索，利用磷石膏、低温烧黏土、生石灰、硫铝酸盐水泥、甲基醇硅钠、废陶瓷颗粒和淤泥陶粒等制备透水混凝土，在国内尚属首次。
发明内容
本发明目的在于利用磷石膏、粒化高炉矿渣粉、低温烧黏土、生石灰、硫铝酸盐水泥、减水剂、甲基醇硅钠、动物蛋白发泡剂、聚丙烯纤维、稳泡剂、废陶瓷颗粒和淤泥陶粒制备透水混凝土，提供一种成本低、施工方便、轻质、多孔性与耐湿性好的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土及其制备方法。
本发明提出的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土，由磷石膏、粒化高炉矿渣粉、普通硅酸盐水泥、生石灰、硫铝酸盐水泥、减水剂、甲基醇硅钠、动物蛋白发泡剂、聚丙烯纤维、稳泡剂、废陶瓷颗粒和淤泥陶粒组成，各组分的重量比为：
磷石膏 100
粒化高炉矿渣粉 38-70
低温烧黏土 30-59
生石灰 5-13
硫铝酸盐水泥 2-8
减水剂 1.41-1.94
甲基硅醇钠 0.31-0.95
动物蛋白发泡剂 0.1-0.4
聚丙烯纤维 0.03-0.8
稳泡剂 0.05-0.25
废陶瓷颗粒 250-347
淤泥陶粒 99-160
水 40-100。
各组分较佳的重量比为：
磷石膏 100
粒化高炉矿渣粉 45-66
低温烧黏土 35-55
生石灰 6-10
硫铝酸盐水泥 2.5-6.5
减水剂 1.62-1.83
甲基硅醇钠 0.47-0.88
动物蛋白发泡剂 0.15-0.35
聚丙烯纤维 0.1-0.5
稳泡剂 0.07-0.18
废陶瓷颗粒 279-320
淤泥陶粒 119-146
水 50-90。
本发明中，磷石膏主要作为填充料，只有小部分参与水化反应，生成钙矾石，对抗压强度贡献很小。粒化高炉矿渣粉作为辅助胶凝材料，可在磷石膏与碱性条件下，激发出火山灰活性，提高混凝土的长期力学性能。低温烧黏土是用天然黏土在（600-1000）℃烧成，主要组分为SiO2、Al2O3、Fe2O3等，具有较好的活性，与磷石膏、粒化高炉矿渣粉、生石灰、硫铝酸盐水泥组成复合胶凝材料。生石灰的水化产物是Ca(OH)2，在有害酸性物质（如磷石膏中的可溶性磷）作用下变成不溶性盐，可以使磷石膏试样正常凝结和养护；同时激发矿渣粉和低温烧黏土的活性。加太多易使泡沫破裂，同时Ca(OH)2过饱和，高钙硅比会降低聚合程度，对产物强度产生不利影响。硫铝酸盐水泥是低碱水泥，普通硅酸盐水泥是高碱水泥，少量硫铝酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥，混合体系的碱度降低，加快硅酸三钙的水化，显著缩短凝结时间。硫铝酸盐水泥中的无水硫铝酸钙能快速形成钙矾石晶体，促进低温烧黏土的早期水化。减水剂可在保持流动性及水泥用量不变的情况下，减少拌合水量10％～20％，从而降低了水灰比，使混凝土的强度提高15％～20％，特别是早期强度提高更为显著；可以在减少拌合水量的同时，相应减少水泥用量，可节约胶凝材料用量10％～ 15％；使混凝土的密实度提高，透水性降低，从而可提高抗渗、抗冻、抗化学腐蚀及防锈蚀能力。有机硅材料由于具有很低的表面张力（20-21mN/m），使水难以在有机硅膜上铺展；并能均匀地涂布在基材或混入基材上，而不封闭基材的透气微孔，同时能降低基材的表面能，使其具有憎水性。具有良好的防水性能。甲基硅醇盐易被弱酸分解，当遇到空气中的二氧化碳时，便分解成甲基硅酸，并很快地聚合生成具有防水性能的聚甲基硅醚，因而可在基材表面形成一层极薄的聚硅氧烷膜而具有耐水性。动物蛋白发泡剂能使砂浆分散均匀，同时使砂浆内部产生大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡，能够提高砂浆的抗冻性，提高建筑强度；微小气泡能在水泥水化矿物表面形成疏水膜，能降低毛细管抽吸效应，可以提高抗渗性。聚丙烯纤维作为掺加料，能迅速均匀分散在混凝土中形成一种乱向支撑体系，分散了混凝土的定向应力，阻止混凝土中原生裂缝的发生和发展，消除或减少原生微裂缝的数量和尺度，大大提高了混凝土防裂抗渗能力，改善混凝土韧性，从而延长混凝土的使用寿命。另外由于纤维本身具有一定的强度，纤维均匀分散在混凝土中并形成的锚固作用，其在瞬间可吸收一定的破坏能量。泡沫稳定性主要取决于液体析出的快慢和液膜的强度，增大溶液的粘度和液膜的粘弹性，可以解决泡沫因上述原因造成的自身破裂问题。本发明中采用月桂酰二乙醇胺，提高液膜的粘弹性，从而改善泡沫的稳定时间。废陶瓷片本身强度高，粒径小，其堆积表面积大并且颗粒之间的接触面增加，粘结力也会增加，使混凝土强度增大。所以透水性混凝土的颗粒级配对混凝土强度的影响很大。为了兼顾透水混凝土的强度以及透水性，一般选用粒径较小的单一粒级作为粗骨料。淤泥陶粒采用河底淤泥挤压造粒，在（1000-1300）oC烧成，表面有一层坚硬的陶质或釉质外壳，这层外壳使它具有隔水保气的作用，并且使淤泥陶粒有较高的强度。结构内有许多无毛细现象的蜂窝状多孔结构，使其吸水率小。
本发明中，所述磷石膏取自磷肥厂固体废弃物，原状磷石膏为含水12%~15%的粉状固体，在60℃的烘箱内烘干，平均粒径（d50）为25.3μm，pH值为5.0，其主要矿物组成为CaSO4·2H20。
本发明中，所述粒化高炉矿渣粉为S95 矿渣粉或S105 矿渣粉中的一种，SiO2含量为48.13%，CaO含量为20.74%。
本发明中，所述低温烧黏土是用天然黏土在（600-1000）℃烧成，主要组分为SiO2、Al2O3、Fe2O3等。
本发明中，所述生石灰的CaO有效含量为84.2%，熟化温度为92℃，熟化时间为4min，比表面积为（12-15）m2/kg。
本发明中，所述硫铝酸盐水泥为快硬硫铝酸盐水泥、低碱度硫铝酸盐水泥或自应力硫铝酸盐水泥中的一种。
本发明中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
本发明中，所述动物蛋白发泡剂的质量浓度为5%。
本发明中，所述聚丙烯纤维的长度为6-9mm。
本发明中，所述稳泡剂为月桂酰二乙醇胺或油酸中的一种。
本发明中，所述废陶瓷颗粒粒径选用5-10mm，其视密度ρS=2700kg/m3,紧堆积密度为ρG=1499 kg/m3，含泥量不大于1%，经清洗晒干后使用。
本发明中，所述淤泥陶粒采用河底淤泥挤压造粒，在（1000-1300）oC烧成，表面有一层坚硬的陶质或釉质外壳，粒径（9.5-13.2）mm，堆积密度为ρG=（300-900） kg/m3。
本发明中，所述水为自来水。
本发明提出的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土的制备方法，具体步骤为：按前述的重量比例称量各组份，将原料通过机械搅拌混合均匀，浇注于模具，施加1-3MPa压力，压制成型，养护28d，拆模后即得到所需产品。
本发明的有益效果在于：本发明作为透水混凝土使用，其中含有大量封闭空隙，因而表现出良好的物理学性能和使用功能，如具有较为优异的多孔性与耐湿性，质轻且强度满足要求，施工方便，成本低廉。可广泛应用于广场和停车场，人行道和荷载要求较小的路面等。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1，一种以磷石膏为主要原材料制备的泡沫混凝土按磷石膏100、粒化高炉矿渣粉38、低温烧黏土30、生石灰5、硫铝酸盐水泥2、减水剂1.41、甲基醇硅钠0.31、动物蛋白发泡剂0.1、聚丙烯纤维0.03、稳泡剂0.05、废陶瓷颗粒250、淤泥陶粒99、水40的质量比称取后混合均匀浇注于模具，施加3MPa压力，压制成型，养护28d，拆模后即得到所需产品。。性能测试结果见表1。
实施例2，一种以磷石膏为主要原材料制备的泡沫混凝土按磷石膏100、粒化高炉矿渣粉70、低温烧黏土59、生石灰13、硫铝酸盐水泥8、减水剂1.94、甲基醇硅钠0.95、动物蛋白发泡剂0.4、聚丙烯纤维0.8、稳泡剂0.25、废陶瓷颗粒347、淤泥陶粒160、水100的质量比称取后混合均匀浇注于模具，施加1MPa压力，压制成型，养护28d，拆模后即得到所需产品。性能测试结果见表1。
实施例3，一种以磷石膏为主要原材料制备的泡沫混凝土按磷石膏100、粒化高炉矿渣粉50、低温烧黏土40、生石灰10、硫铝酸盐水泥6、减水剂1.80、甲基醇硅钠0.55、动物蛋白发泡剂0.3、聚丙烯纤维0.4、稳泡剂0.16、废陶瓷颗粒320、淤泥陶粒123、水67的质量比称取后混合均匀浇注于模具，施加2MPa压力，压制成型，养护28d，拆模后即得到所需产品。性能测试结果见表1。
表1实施例性能测试结果

Claims (8)

1.一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土，其特征在于由磷石膏、粒化高炉矿渣粉、低温烧黏土、生石灰、硫铝酸盐水泥、减水剂、甲基醇硅钠、动物蛋白发泡剂、聚丙烯纤维、稳泡剂、废陶瓷颗粒、淤泥陶粒和水组成，各组分的重量比为：
磷石膏 100
粒化高炉矿渣粉 38-70
低温烧黏土 30-59
生石灰 5-13
硫铝酸盐水泥 2-8
减水剂 1.41-1.94
甲基硅醇钠 0.31-0.95
动物蛋白发泡剂 0.1-0.4
聚丙烯纤维 0.03-0.8
稳泡剂 0.05-0.25
废陶瓷颗粒 250-347
淤泥陶粒 99-160
水 40-100。
2.根据权利要求1所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土，其特征在于各组份的重量比为：
磷石膏 100
粒化高炉矿渣粉 45-66
低温烧黏土 35-55
生石灰 6-10
硫铝酸盐水泥 2.5-6.5
减水剂 1.62-1.83
甲基硅醇钠 0.47-0.88
动物蛋白发泡剂 0.15-0.35
聚丙烯纤维 0.1-0.5
稳泡剂 0.07-0.18
废陶瓷颗粒 279-320
淤泥陶粒 119-146
水 50-90。
3.根据权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土，其特征在于所述磷石膏取自磷肥厂固体废弃物，原状磷石膏为含水12%~15%的粉状固体，在60℃的烘箱内烘干，平均粒径（d50）为25.3μm，pH值为5.0，其主要矿物组成为CaSO4·2H20。
4.根据权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土，其特征在于所述粒化高炉矿渣粉为S95 矿渣粉或S105 矿渣粉中的一种，SiO2含量为48.13%，CaO含量为20.74%。
5.根据权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土，其特征在于所述低温烧黏土是用天然黏土在（600-1000）℃烧成，主要组分为SiO2、Al2O3和Fe2O3。
6.根据权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土，其特征在于所述生石灰的CaO有效含量为84.2%，熟化温度为92℃，熟化时间为4min，比表面积为（12-15）m2/kg。
7.根据权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土，其特征在于所述硫铝酸盐水泥为快硬硫铝酸盐水泥、低碱度硫铝酸盐水泥或自应力硫铝酸盐水泥中的一种，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，所述动物蛋白发泡剂的质量浓度为5%，所述聚丙烯纤维的长度为6-9mm，所述稳泡剂为月桂酰二乙醇胺或油酸中的一种，所述废陶瓷颗粒粒径选用5-10mm，其视密度ρS=2700kg/m3,紧堆积密度为ρG=1499 kg/m3，含泥量不大于1%，经清洗晒干后使用，所述淤泥陶粒采用河底淤泥挤压造粒，在（1000-1300）℃烧成，表面有一层坚硬的陶质或釉质外壳，粒径（9.5-13.2）mm，堆积密度为ρG=（300-900） kg/m3。
8.一种如权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的透水混凝土的制备方法，其特征在于具体步骤为：按所述的重量比例称量各组份，将原料通过机械搅拌混合均匀，浇注于模具，施加1-3MPa压力，压制成型，养护28d，拆模后即得到所需产品。
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