CN111978047A - 一种高性能透水混凝土及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能透水混凝土，按质量份数包括以下组分：饱和面干粗骨料400‑590份，胶凝材料100份，水27‑31份，减水剂0.6‑1.1份，增稠剂0.005‑0.01份。本发明利用减水剂与增稠剂的耦合作用，在提高净浆流动度的同时增加净浆的粘度，从而提高浆体在透水混凝土中的均匀性，保持透水混凝土的工作性能，改善透水混凝土力学性能与透水性能的矛盾。本发明进行了不同强度岩石与混凝土的匹配性设计与重载条件下结构设计，从而有效利用矿石资源，提高透水混凝土的强度，改善透水混凝土力学性能与透水性能的矛盾。

Description

一种高性能透水混凝土及其应用
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体地说，涉及一种高性能透水混凝土及其应用。
背景技术
近年来，国家倡导发展建设具备较好吸收水、储存水、净化水和渗透水能力的“海绵城市”。透水混凝土的多孔隙结构，成为城市建设中的关键性材料之一。
但透水混凝土力学性能与透水性能存在矛盾，现阶段存在高强度、高渗透难以同时满足的问题，其动力力学性能较差，易堵塞，耐久性能差等问题，极大的限制了透水混凝土的推广应用，特别是在常规公路和重负荷条件中的使用。故如何同时提高其力学性能和透水性能是透水混凝土推广应用的关键。
一方面，由于透水混凝土为新兴技术，标准规范较少；另一方面，由于透水混凝土一般无细骨料，透水混凝土骨料颗粒之间呈“点接触”，组成材料的特殊性，导致其拌和物工作性无法用常规方法评价，拌和物定量评价困难、缺乏统一评价标准，混凝土拌和物性能等部分关键指标采用定性判断，对施工人员的技术经验要求高，导致现阶段透水混凝土应用过程中显著存在力学性能低、耐久性能差、堵塞严重、服役寿命短等一系列问题，限制其大范围推广应用的同时，也违背了绿色材料建设使用理念。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能透水混凝土，有效改善了现有透水混凝土的力学性能和透水性能相矛盾的问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高性能透水混凝土，按照质量份数，包括以下组分：饱和面干粗骨料400-590份，胶凝材料100份，水27-31份，减水剂0.6-1.1份，增稠剂0.005-0.01份。
优选地，胶凝材料按照质量百分比，包括水泥85-95％、超细硅灰5-10％和粉煤灰0-5％，上述质量百分比之和为100％。
优选地，水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
优选地，粗骨料为石灰岩骨料、花岗岩骨料或玄武岩骨料，粗骨料的粒径为5-10mm。
优选地，减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥25％，增稠剂为粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺。
优选地，该高性能透水混凝土的净浆流动度为160-200mm、表观粘度大于等于7000mPa·s。
本发明还公开了一种高性能透水混凝土的应用，该高性能透水混凝土适用于对广场、步行街道两边及中央隔离带、公园道路及停车场、轻载机动车道、中载机动车道路面的铺设。
优选地，当高性能透水混凝土设计强度大于等于C40时，宜在高性能透水混凝土底层摊铺前铺设经防锈处理的网格型结构钢架，钢架高度低于或等于底层高度，厚度大于等于3mm，钢架单个网格间距小于等于300mm。
优选地，当高性能透水混凝土设计强度大于等于C35时，宜在透水混凝土底层摊铺后、面料摊铺前铺设HRP235钢筋网，钢筋直径大于等于8mm，编织间距小于等于300mm。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明公开的高性能透水混凝土，利用减水剂与增稠剂的耦合作用，在提高净浆流动度的同时增加净浆的粘度，从而改善透水混凝土浆体与骨料的微观粘结界面，提高浆体在透水混凝土中的均匀性，保持透水混凝土的工作性能，最终改善透水混凝土力学性能与透水性能之间的矛盾。本发明进行了不同强度岩石与混凝土的匹配性设计，从而有效利用矿石资源，提高透水混凝土的强度，改善透水混凝土力学性能与透水性能的矛盾。本发明进行了重载条件下结构设计，通过使用PFC3D透水混凝土颗粒接触模型，对所建立模型进行三轴压缩试验，经离散元数值计算，当围压为5-20MPa时，高性能透水混凝土强度提高了2-3倍。
2)本发明公开的高性能透水混凝土，其混凝土拌和物具有适宜的流动性、较高的粘聚性和保水性，三方面性能协调统一，即可满足施工操作要求，又能确保透水混凝土后期工程质量良好。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明高性能透水混凝土的离散元模型；
图2是0MPa围压下高性能透水混凝土最终状态图，其中a为颗粒接触力，b为单轴压缩位移，c为单轴压缩破坏状态；
图3是20MPa围压下高性能透水混凝土最终状态图，其中a为颗粒接触力，b为单轴压缩位移，c为单轴压缩破坏状态。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种高性能透水混凝土，按照质量份数，包括以下组分：饱和面干粗骨料400-590份，胶凝材料100份，水27-31份，减水剂0.6-1.1份，增稠剂0.005-0.01份。
本发明中以拌和水为载体，由减水剂和增稠剂耦合成为可以提高净浆流动性和净浆表观粘度的外加剂，该外加剂不仅能提高混凝土拌和物的均匀性，而且还可有效提高透水混凝土的粘聚性，从而提高其透水性能。
本发明高性能透水混凝土，具有较高工作性能的透水混凝土，其混凝土拌和物具有适宜的流动性，较高的粘聚性和保水性，三方面性能协调统一，即可满足施工操作要求，又能确保透水混凝土后期工程质量良好。
优选地，胶凝材料按照质量百分比，包括水泥85-95％、超细硅灰5-10％和粉煤灰0-5％，上述质量百分比之和为100％。水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
硅灰为常见的混凝土矿物掺合料，其粒径小于1μm，平均比表面积大于1.5×104m2/kg，可有效减少新拌混凝土浆体的离析，降低拌和物坍落度，提高浆体的粘聚性。
粉煤灰，能够提高新拌混凝土的流动性和密实性，减少单位体积用水量、泌水、离析以及坍落度损失的问题，作为矿物掺合料应用于混凝土中。另外，粉煤灰的火山灰反应速度较慢，使混凝土的热量释放率降低，温度释放时间延长，温度升高峰值降低，有效降低微裂缝的产生。二次水化反应后，提高了混凝土的密实度，改善了硬化浆体-骨料界面，从而进一步提高混凝土的后期强度。
优选地，粗骨料为石灰岩骨料、花岗岩骨料或玄武岩骨料，粗骨料的粒径为5-10mm。
优选地，减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥25％，增稠剂为粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺。本发明利用聚羧酸减水剂与聚丙烯酰胺增稠剂的耦合作用，在提高净浆流动度的同时增加净浆的粘度，从而改善透水混凝土浆体与骨料的微观粘结界面，提高浆体在透水混凝土中的均匀性，保持透水混凝土的工作性能，以减少透水混凝土浆体沉底现象，最终改善透水混凝土力学性能与透水性能之间的矛盾。
本发明在透水混凝土保证拌和均匀的同时，提高浆体与骨料的结合力，确保透水混凝土工作状态的定量评价。
优选地，该高性能透水混凝土的净浆流动度为160-200mm、表观粘度大于等于7000mPa·s。
本发明高性能透水混凝土的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，按质量份数分别称取饱和面干粗骨料400-590份，胶凝材料100份，水27-31份，聚羧酸减水剂0.6-1.1份，粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂0.005-0.01份，其中胶凝材料按照质量百分比，包括水泥85-95％、超细硅灰5-10％和粉煤灰0-5％，上述质量百分比之和为100％；
步骤2，将粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂与净浆需水量按小于等于1：200的比例投入强力搅拌器，混合均匀，得到增稠剂溶液；
步骤3，将步骤2得到的增稠剂溶液与聚羧酸减水剂混合均匀，得到净浆性能改善剂；
步骤4，将饱和面干粗骨料和胶凝材料加入强制式搅拌机中干拌30s，然后加入水和步骤3得到的净浆性能改善剂，搅拌时间大于等于180s，得到高性能透视混凝土。
本发明高性能透水混凝土适用于对力学性能和透水性能要求高的广场、步行街道两边及中央隔离带、公园道路及停车场、轻载机动车道、中载机动车道路面的铺设。
本发明高性能透水混凝土设计方法具体分为以下三步：
(一)净浆性能指标的设计
基于宾汉流体模型，复配不同的混凝土用外加剂，可有效降低流体的屈服应力，迅速提升流体的粘性系数，结合设计优选的净浆性能指标，获得净浆流动度、较高粘度的高性能透水混凝土专用净浆。在透水混凝土保证拌和均匀的同时，提高浆体与骨料的结合力，解决透水混凝土工作状态无法定量评价的问题。
1、净浆性能指标的设计
透水混凝土在拌和过程中要求混料均匀、具有一定的流动性和较高的粘度，在成型过程中浆体可均匀、有效的包裹骨料，以免出现底部堵塞现象，导致成型后混凝土透水性差、抗压强度不均匀等一系列问题。
本方法通过净浆流动度、粘度指标的设计，选取较优性能的净浆，提高其对骨料的包裹力，增强透水混凝土的综合性能。
1.1净浆流动性指标设计
利用净浆的流动性情况，设计符合满足净浆流动性的指标，经设计和选择，高性能透水混凝土净浆流动度指标为13.2cm～26.3cm，设计和选择试验数据如表1。
表1净浆流动性指标设计与选择
Figure BDA0002665854000000061
Figure BDA0002665854000000071
1.2净浆粘度指标设计
利用净浆的粘度情况，设计符合满足净浆粘聚性的指标，结合成型后试件上、中、下切面的孔隙率分布，进行粘度指标的确定。经设计和选择，高性能透水混凝土净浆粘度指标为不小于7000mPa·s。净浆流动性指标设计过程见表2、表3。
表2净浆粘聚性指标设计
Figure BDA0002665854000000072
Figure BDA0002665854000000081
表3净浆粘聚性指标选择
Figure BDA0002665854000000082
根据设计优选掺合料及内掺比例，调整净浆性能改善剂至净浆流动度160mm～200mm，表观粘度大于等于7000mPa·s。
(二)基于高性能透水混凝土专用净浆的高性能透水混凝土配合比设计及原材料匹配性设计。
基于高性能透水混凝土专用净浆指标的设计范围，添加相应用量的混凝土用外加剂，采用体积法进行高性能透水混凝土配合比设计。兼顾不同高性能透水混凝土力学、透水性能设计要求，进行不同岩性骨料的匹配性设计。以减少透水混凝土浆体沉底现象，改善透水混凝土流动性与硬化后透水性能之间的矛盾。
透水混凝土内部骨料接近紧密堆积状态，具有显著的骨架效应，骨料间形成点接触，在受压过程中，骨料母料的自身强度很大程度上直接影响着透水混凝土的强度。因此在设计透水混凝土配合比时，需进行不同骨料类型的匹配设计。
推荐的不同强度等级混凝土的推荐设计孔隙率及岩石种类与标准差见表4。
表4不同强度等级混凝土的推荐设计孔隙率及岩石种类与标准差
Figure BDA0002665854000000091
(三)重载条件下高性能透水混凝土的结构设计。
通过基于PFC3D颗粒接触模型的三轴压缩试验为基础，模拟不同围压下透水混凝土的力学性能试验，从而实现重载条件下高性能透水混凝土的结构设计。
本发明进行了重载条件下高性能透水混凝土的结构设计，具体如下：
本方法基于二维计算方法PFC2D进行计算分析，得到颗粒-颗粒及颗粒-墙体接触关系，进一步获得离散元PFC2D计算循环。以PFC2D本构模型为基础，延伸至PFC3D建立三轴压缩数值试验模型。获得透水混凝土的离散元模型，如图1所示。
通过使用PFC3D透水混凝土颗粒的接触模型，对所建立数值模型进行三轴压缩试验和劈裂试验，模拟不同围压下透水混凝土的力学性能试验，0MPa围压下透水混凝土最终状态如图2，20MPa围压下透水混凝土最终状态如图3。
经离散元数值计算，当围压为5MPa～20MPa时，高性能透水混凝土强度提高了2～3倍。
当高性能混凝土设计强度大于等于C40时，宜在透水混凝土底层摊铺前铺设经防锈处理的网格型结构钢架，钢架高度不超过底层高度，厚度不小于3mm，钢架单个网格间距小于等于300mm。
当高性能混凝土设计强度大于等于C35时，宜在透水混凝土底层摊铺后、面料摊铺前HRP235钢筋网，钢筋直径大于等于φ8mm，编织间距小于等于300mm。
实施例1
高性能透水混凝土，按质量份数包括以下组分：饱和面干粗骨料(粒径为5-10mm的石灰岩骨料)1345kg，胶凝材料300kg，水81kg，聚羧酸减水剂3kg，粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂15g；其中胶凝材料中包括硅酸盐水泥255kg、超细硅灰(粒径小于1μm)30kg和粉煤灰15kg。
制备方法具体包括以下步骤：
步骤1，将粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂与净浆需水量按1：200的比例投入强力搅拌器，混合均匀，得到增稠剂溶液；
步骤2，将步骤1得到的增稠剂溶液与聚羧酸减水剂混合均匀，得到净浆性能改善剂；
步骤3，将饱和面干粗骨料和胶凝材料加入强制式搅拌机中干拌30s，然后加入水和步骤2得到的净浆性能改善剂，搅拌时间200s，得到高性能透视混凝土。
对实施例1制备得到的高性能透水混凝土进行测试，结果显示，高性能透水混凝土的净浆流动度为200mm，表观粘度为7460mPa·s，其流动性能良好。
实施例2
高性能透水混凝土，按质量份数包括以下组分：饱和面干粗骨料(粒径为5-10mm的花岗岩骨料)1484kg，胶凝材料300kg，水81kg，聚羧酸减水剂2.4kg，粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂30g；其中胶凝材料中包括硅酸盐水泥270kg、超细硅灰(粒径小于1μm)15kg和粉煤灰15kg。
制备方法具体包括以下步骤：
步骤1，将粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂与净浆需水量按1：198的比例投入强力搅拌器，混合均匀，得到增稠剂溶液；
步骤2，将步骤1得到的增稠剂溶液与聚羧酸减水剂混合均匀，得到净浆性能改善剂；
步骤3，将饱和面干粗骨料和胶凝材料加入强制式搅拌机中干拌30s，然后加入水和步骤2得到的净浆性能改善剂，搅拌时间1850s，得到高性能透视混凝土。
对实施例2制备得到的高性能透水混凝土进行测试，结果显示，高性能透水混凝土的净浆流动度为188mm，表观粘度为9780mPa·s，其流动性能良好。
实施例3
高性能透水混凝土，按质量份数包括以下组分：饱和面干粗骨料(粒径为5-10mm的玄武岩骨料)1483kg，胶凝材料300kg，水87kg，聚羧酸减水剂1.8kg，粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂30g；其中胶凝材料中包括硅酸盐水泥285kg、粉煤灰15kg。
制备方法具体包括以下步骤：
步骤1，将粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂与净浆需水量按1：185的比例投入强力搅拌器，混合均匀，得到增稠剂溶液；
步骤2，将步骤1得到的增稠剂溶液与聚羧酸减水剂混合均匀，得到净浆性能改善剂；
步骤3，将饱和面干粗骨料和胶凝材料加入强制式搅拌机中干拌30s，然后加入水和步骤2得到的净浆性能改善剂，搅拌时间180s，得到高性能透视混凝土。
对实施例3制备得到的高性能透水混凝土进行测试，结果显示，高性能透水混凝土的净浆流动度为171mm，表观粘度为8526mPa·s，其流动性能良好。
实施例4
高性能透水混凝土，按质量份数包括以下组分：饱和面干粗骨料(粒径为5-10mm的石灰岩骨料)1301kg，胶凝材料300kg，水93kg，聚羧酸减水剂2.7kg，粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂15g；其中胶凝材料中包括普通硅酸盐水泥285kg、超细硅灰(粒径小于1μm)15kg和粉煤灰0kg。
制备方法具体包括以下步骤：
步骤1，将粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂与净浆需水量按1：196的比例投入强力搅拌器，混合均匀，得到增稠剂溶液；
步骤2，将步骤1得到的增稠剂溶液与聚羧酸减水剂混合均匀，得到净浆性能改善剂；
步骤3，将饱和面干粗骨料和胶凝材料加入强制式搅拌机中干拌30s，然后加入水和步骤2得到的净浆性能改善剂，搅拌时间190s，得到高性能透视混凝土。
对实施例4制备得到的高性能透水混凝土进行测试，结果显示，高性能透水混凝土的净浆流动度为160mm，表观粘度为7052mPa·s，其流动性能良好。
实施例5
高性能透水混凝土，按质量份数包括以下组分：饱和面干粗骨料(粒径为5-10mm的玄武岩骨料)1389kg，胶凝材料300kg，水93kg，聚羧酸减水剂3kg，粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂30g；其中胶凝材料中包括普通硅酸盐水泥255kg、超细硅灰(粒径小于1μm)15kg和粉煤灰30kg。
制备方法具体包括以下步骤：
步骤1，将粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂与净浆需水量按1：200的比例投入强力搅拌器，混合均匀，得到增稠剂溶液；
步骤2，将步骤1得到的增稠剂溶液与聚羧酸减水剂混合均匀，得到净浆性能改善剂；
步骤3，将饱和面干粗骨料和胶凝材料加入强制式搅拌机中干拌30s，然后加入水和步骤2得到的净浆性能改善剂，搅拌时间195s，得到高性能透视混凝土。
对实施例5制备得到的高性能透水混凝土进行测试，结果显示，高性能透水混凝土的净浆流动度为192mm，表观粘度为7816mPa·s，其流动性能良好。
实施例6
高性能透水混凝土，按质量份数包括以下组分：饱和面干粗骨料(粒径为5-10mm的花岗岩骨料)1381kg，胶凝材料300kg，水87kg，聚羧酸减水剂3.3kg，粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂24g；其中胶凝材料中包括普通硅酸盐水泥270kg、超细硅灰(粒径小于1μm)30kg。
制备方法具体包括以下步骤：
步骤1，将粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺增稠剂与净浆需水量按1：198的比例投入强力搅拌器，混合均匀，得到增稠剂溶液；
步骤2，将步骤1得到的增稠剂溶液与聚羧酸减水剂混合均匀，得到净浆性能改善剂；
步骤3，将饱和面干粗骨料和胶凝材料加入强制式搅拌机中干拌30s，然后加入水和步骤2得到的净浆性能改善剂，搅拌时间185s，得到高性能透视混凝土。
对实施例6制备得到的高性能透水混凝土进行测试，结果显示，高性能透水混凝土的净浆流动度为184mm，表观粘度为7862mPa·s，其流动性能良好。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高性能透水混凝土，其特征在于，按照质量份数，包括以下组分：饱和面干粗骨料400-590份，胶凝材料100份，水27-31份，减水剂0.6-1.1份，增稠剂0.005-0.01份。
2.根据权利要求1所述的高性能透水混凝土，其特征在于，所述胶凝材料按照质量百分比，包括水泥85-95％、超细硅灰5-10％和粉煤灰0-5％，上述质量百分比之和为100％。
3.根据权利要求2所述的高性能透水混凝土，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1所述的高性能透水混凝土，其特征在于，粗骨料为石灰岩骨料、花岗岩骨料或玄武岩骨料，所述粗骨料的粒径为5-10mm。
5.根据权利要求1所述的高性能透水混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥25％，所述增稠剂为粉状或胶状速溶型聚丙烯酰胺。
6.根据权利要求1所述的高性能透水混凝土，其特征在于，所述高性能透水混凝土的净浆流动度为160-200mm、表观粘度大于等于7000mPa·s。
7.权利要求1-6任一项所述的高性能透水混凝土的应用，其特征在于，所述高性能透水混凝土适用于对广场、步行街道两边及中央隔离带、公园道路及停车场、轻载机动车道、中载机动车道路面的铺设。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，当高性能透水混凝土强度等级为C10～C20，粗骨料选择单轴抗压强度较低的石灰岩；当高性能透水混凝土强度等级为C20～C25，粗骨料选择单轴抗压强度相对较高的花岗岩或玄武岩；当高性能透水混凝土强度等级为C25～C40，粗骨料选择单轴抗压强度高的玄武岩。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，当高性能透水混凝土设计强度大于等于C40时，宜在高性能透水混凝土底层摊铺前铺设经防锈处理的网格型结构钢架，钢架高度低于或等于底层高度，厚度大于等于3mm，钢架单个网格间距小于等于300mm。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，当高性能透水混凝土设计强度大于等于C35时，宜在透水混凝土底层摊铺后、面料摊铺前铺设HRP235钢筋网，钢筋直径大于等于8mm，编织间距小于等于300mm。
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