CN112777989B - 一种环保型路用透水混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种环保型路用透水混凝土及其制备方法和应用，所述环保型路用透水混凝土的原料包括或由以下成分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料150‑250重量份、粗骨料600‑750重量份、细骨料40‑80重量份、废石粉10‑15重量份、减水剂0.2‑0.25重量份、增稠剂1重量份，水胶比0.20‑0.25。该保型路用透水混凝土具有透气、透水和重量轻的特点，并且具有较好的力学性能，且工艺简单，成本低，低碳环保，采用固废资源产品附加值高。

Description

一种环保型路用透水混凝土及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种环保型路用透水混凝土及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
“海绵城市”的建设对净化地下水资源、缓解城市内涝、改善城市热岛效应等有显著的作用。而透水混凝土是“海绵城市”路面铺装的主要材料。透水混凝土主要是由粗骨料、胶凝材料、水和外加剂等材料经特定搅拌方式成型，传统道路透水混凝土采用胶凝材料大多为普通硅酸盐水泥，硅酸盐水泥生产能耗高，且生产原料多为石灰石、砂岩、天然石膏等自然资源，不利于产品的绿色可持续发展。并且传统透水混凝土中往往不含细骨料，多由粗骨料表面与水泥浆体互相粘结形成，因而具有良好的孔隙率、渗透性能等。发明人发现目前的透水混凝土虽然具有良好的孔隙率和透水性，但正是由于较高的孔隙率，使得透水混凝土的强度难以提高，因而难以满足路用性能。
煤矸石是与煤伴生的一种含煤高岭土，是在采煤和洗煤过程中排放出的一种固体废物。我国煤资源产量巨大，因此伴有大量的煤矸石固废排放。石材加工产生的粉尘、石渣、边角料越来越多，被企业随意堆放，日积月累，废料、石粉堆积成山，占据了大量土地，严重影响植被的生长，同时也污染了周边水源。对这些固体废弃物的高附加值综合利用对经济、环境和社会具有重要的意义。
发明内容
为改善现有技术的不足，本申请提供了一种环保型路用透水混凝土及其制备方法和应用。本发明提供了一种固废基硫铝酸盐胶凝材料，以其为原料，搭配粗、细骨料与废石粉实现了混凝土透水性能与力学性能的平衡，在具备优良的透水性、孔隙率的前提下，具有良好的抗压、抗折强度，其强度最高可达C35标准。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种环保型路用透水混凝土，其原料包括或由以下成分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料150-250重量份、粗骨料600-750重量份、细骨料40-80重量份、废石粉10-15重量份、减水剂0.15-0.5重量份、增稠剂0.5-1.2重量份，水胶比0.20-0.25。
在本发明的一些实施方式中，环保型路用透水混凝土，其原料包括或由以下成分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料200-250重量份、粗骨料600-750重量份、细骨料40-60重量份、废石粉10-15重量份、减水剂0.2-0.25重量份、增稠剂1重量份，水胶比0.21。
现有技术中的透水混凝土的水胶比在0.28-0.32左右，本发明的原料组成使得本发明的水胶比可以远低于该范围，水胶比对胶凝材料力学性能影响较大，在相同水泥稠度下，水胶比越大强度越低，水胶比越小性能越好，需水量太大多余的水分蒸发后会在浆体中残留更多的毛细孔隙，孔隙增多进而降低材料性能。
在本发明的实施方式中，本发明提供了一种固废基硫铝酸盐胶凝材料，其由固废基系硫铝酸盐水泥熟料与石灰石粉和石膏混合磨细制得，其中，固废基系硫铝酸盐水泥熟料的原料包括或由以下成分组成：废石粉35-45wt％、脱硫石膏15-25wt％、钢渣5-15-wt％和铝渣28-35wt％。所述原料总量之和不大于100％(含)。
其中，所述废石粉可以为采石场废石粉，脱硫石膏可以为电厂脱硫石膏，钢渣可以为钢厂钢渣、以及铝渣可以为铝材厂铝渣。
在本发明的一些实施方式中，固废基系硫铝酸盐水泥熟料的原料包括或由以下成分组成：废石粉38wt％、脱硫石膏17wt％、钢渣12wt％和铝渣33wt％。
在本发明的一些实施方式中，所述固废基硫铝酸盐胶凝材料的制备方法包括：将固废基系硫铝酸盐水泥熟料的原料按比例混合后于1250℃-1300℃煅烧保温30-60min后获得水泥熟料，取80-90wt％该水泥熟料与3-10wt％石灰石粉和5-10wt％石膏混合磨细，即得固废基硫铝酸盐胶凝材料，其中，水泥熟料、石灰石与石膏的总量之和为100％。
具体地，在本发明的一些实施方式中，所述固废基硫铝酸盐胶凝材料的制备方法包括：将固废基系硫铝酸盐水泥熟料的原料按比例混合后于1250℃煅烧保温30min后获得水泥熟料，取90wt％该水泥熟料与4wt％石灰石粉和6wt％石膏混合磨细，即得固废基硫铝酸盐胶凝材料。
与常规的硅酸盐水泥相比，本发明的固废基硫铝酸盐胶凝材料具有早强快硬的特点，另外该材料相比于其他胶凝材料需水量要小，水灰比仅在0.21-0.23左右，相同稠度下水灰比越小强度就越大。
在本发明的实施方式中，粗骨料为粒径均为5mm-10mm的碎石子和掘进煤矸石颗粒的混合料，两者的质量比为(7-10):(0-3)，优选为(7-10):(0.5-3)，更优选为8:2。同时本发明使用的粗骨料中掺入适当比例的掘进矸石可进一步提高混凝土性能并增加固废利用率。
对于大多数路用透水混凝土而言，力学性能和透水性能往往比较难以平衡，因为两者容易此消彼长，而且透水混凝土一般由单一级配的骨料(通常为5-15mm的石子)、水泥胶结料和水拌制，这类透水混凝土由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，有互相连通的空隙网络，因而具有透气、透水和重量轻的特点(通常透水混凝土的孔隙率可达10％-30％，透水系数一般在0.5-1mm/s以上)。这类透水混凝土一般不使用细骨料或即便使用细骨料，其用量水平极低。因为细骨料的使用往往会不利于内部空隙的形成，进而影响其渗透性能。相比于现有技术中不添加细骨料或者仅添加极少量细骨料，在本发明的实施方式中，本发明添加4-8重量份的细骨料，细骨料为细骨料中粒径均为0.5mm-1.25mm的机制砂与铁尾矿砂的混合料，两者的质量比为(4-7):(3-6)，优选为1:1。
在本发明的一些实施方式中，本发明所述废石粉为采石厂固废，需粉磨至160-180目，废石粉磨细之后可影响胶凝材料水化从而可以提高胶凝材料的后期强度；所述增稠剂为可分散性乳胶粉，由醋酸乙烯酯的共聚物和聚乙烯醇粉末组成；所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，减水率为30-40％，优选为30％。
在本发明的实施方式中，环保型路用透水混凝土以特定原料组成的固废基硫铝酸盐胶凝材料为原料，以特定量的搭配粗、细骨料、废石粉，在保证了混凝土具有透气、透水和重量轻的前提下更是获得了优异的力学性能，在本发明的实施方式中，本发明配方下的透水混凝土其磨坑长度≤28.3mm，更优选小于22.5mm；，3d抗压强度≥20Mpa，更优选大于27.5MPa，28d抗压强度≥30MPa；28d抗折强度≥2.2Mpa，更优选大于3.5Mpa，孔隙率≥18％，透水系数≥0.5×10-2m/s，更优选不小于0.6m/s，25次冻融循环后抗压强度损失率和质量损失率极小，50次冻融循环后质量损失率≤17％，更优选小于6％。
在本发明的第二方面，本发明提供了一种制备上述第一方面中所述的环保型路用透水混凝土的方法，其包括：按比例混合粗骨料和细骨料搅拌，然后加入固废基硫铝酸盐胶凝材料、废石粉、减水剂、增稠剂干混，最后加水搅拌，即得路面用透水混凝土拌合料。
在本发明的实施方式中，粗骨料和细骨料搅拌时间为20-45s，在一些具体地实施方式中，粗骨料和细骨料搅拌时间为30s。
在本发明的实施方式中，干混时间为45-80s，在一些具体的实施方式中，干混时间为60s。
在本发明的实施方式中，加水搅拌的时间为90-150s，在一些具体的实施方式中，加水搅拌的时间为120s。
搅拌时间过短会搅拌不均匀，搅拌时间过长会影响胶凝材料水化，因为该胶凝材料水化快凝结时间较短，不宜搅拌时间过长。
在本发明的实施方式中，所得路面用透水混凝土拌合料置于模具中捣实成型。所述环保型路用透水混凝土的标准养护温度(养护条件有固定的国家标准不是优选值)为20±0.5℃，湿度98％。
在本发明的第三方面，本发明提供了上述第一方面中所述的环保型路用透水混凝土在城市道路施工领域中的应用，尤其在透水路面施工中的应用。
相比于现有技术，本发明的优势在于：
传统道路透水混凝土采用胶凝材料大多为普通硅酸盐水泥，硅酸盐水泥生产能耗高，且生产原料多为石灰石、砂岩、天然石膏等自然资源，不利于产品的绿色可持续发展。本发明提供了一种固废基硫铝酸盐胶凝材料，该材料采用全固废制备，由采石场废石粉、电厂脱硫石膏、钢厂钢渣、及铝材厂铝渣协同制备而成，相较于普通的硅酸盐水泥具有早强、快硬、高强、成本低、低碳、节能、环保等优点。本发明以该固废基硫铝酸盐胶凝材料为主要原料，配合粗骨料和细骨料以及废石粉，制备得到的混凝土在具备透气、透水、重量轻的特性的同时，还具有良好的力学性能，实现了力学性能与透水性能的良好的平衡，该材料特别适用于透水路面的铺装，为海绵城市建设提供助力。此外，本发明的原料为固体废弃物，在降低生产成本的同时实现了固废资源的高值化环保利用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明实施例1制备的固废基硫铝酸盐胶凝材料XRD图谱含矿物定量分析，图谱中自上而下依次为C4A3S-C、C4A3S-O、C2S、CaSO4、C2F和Gehlenite。
图2为本发明实施例1制备的固废基硫铝酸盐胶凝材料的力学性能，该柱形图中，相同龄期下左侧柱形为固废基硫铝酸盐胶凝材料的抗压强度，右侧柱形为硅酸盐水泥的抗压强度。
图3为本发明一些实施方式中环保型路用透水混凝土的制备流程。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。如无特殊说明，本发明的发明内容及实施方式中所述“份”均指“重量份”。如无特殊说明，本发明下述实施方式中涉及的增稠剂为醋酸乙烯酯的共聚物和聚乙烯醇粉末组成的可分散性乳胶粉，所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，减水率为30％，所述废石粉需粉磨至160-180目。
根据行业标准《透水混凝土路面技术规程》，透水混凝土的性能应符合表1规定。
表1
Figure BDA0002887705970000061
本发明的路面用透水混凝土地性能不仅满足行业标准，而且具有更优的透水性能、耐磨性能、抗冻性能以及抗压和抗折强度。
实施例1
固废基硫铝酸盐胶凝材料原料组成：废石粉38份，脱硫石膏17份，钢渣12份，铝渣33份。
取废石粉、脱硫石膏、钢渣、铝渣按比例混合后于回转窑中1250℃煅烧保温30min，得水泥熟料。取90份该水泥熟料与4份石灰石粉、6份石膏混合后磨细，即得。其与市售普通硅酸盐水泥(P.O)相比具有早强、快硬、高强、成本低、环保等特点。其中，固废基硫铝酸盐胶凝材料的XRD图谱含矿物定量分析如图1所示，其12h至28d的抗压强度如图2所示。
将制备得到的固废基硫铝酸盐胶凝材料用于下述实施例2-4中。
实施例2
透水路面混凝土原料组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料200份，粗骨料760份，细骨料40份，废石粉10份，减水剂0.2份，增稠剂1份；水胶比0.21。
将质量比8:2粒径均为5mm-10mm的碎石子和掘进煤矸石颗粒的粗骨料混合料和质量比1:1粒径均为0.5mm-1.25mm的机制砂与铁尾矿砂细骨料混合料置于搅拌机中搅拌30s。然后加入固废基硫铝酸盐胶凝材料、废石粉、减水剂、增稠剂干混60s，最后加入水搅拌120s，得到路面用透水混凝土拌合料。将混凝土置于模具中捣实成型，然后标准养护温度20±0.5℃，湿度98％。
性能测试：测得混凝土的实验数据为：透水混凝土连通孔隙率为20.5％，透水系数为0.67cm/s，3d抗压强度27.8MPa，28d抗压强度30.3MPa，28d抗折强度3.7MPa，达到测C25标准。磨坑长度22.4mm，抗冻性(50次冻融循环)质量损失率5.7％。
实施例3
透水路面混凝土原料组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料200份，粗骨料730份，细骨料60份，废石粉12份，减水剂0.2份，增稠剂1份；水胶比0.21。
将质量比8:2粒径均为5mm-10mm的碎石子和掘进煤矸石颗粒的粗骨料混合料和质量比1:1粒径均为0.5mm-1.25mm的机制砂与铁尾矿砂细骨料混合料置于搅拌机中搅拌30s。然后加入固废基硫铝酸盐胶凝材料、废石粉、减水剂、增稠剂干混60s，最后加入水搅拌120s，得到路面用透水混凝土拌合料。将混凝土置于模具中捣实成型，然后标准养护温度20±0.5℃，湿度98％。
性能测试：测得混凝土的实验数据为：透水混凝土连通孔隙率为19.2％，透水系数为0.62cm/s，3d抗压强度28.9MPa，28d抗压强度32.6MPa，28d抗折强度4.3MPa，达到测C30标准。磨坑长度20.2mm，抗冻性(50次冻融循环)质量损失率5.1％。
实施例4
透水路面混凝土原料组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料250份，粗骨料700份，细骨料50份，废石粉15份，减水剂0.25份，增稠剂1份；水胶比0.21。
将质量比8:2粒径均为5mm-10mm的碎石子和掘进煤矸石颗粒的粗骨料混合料和质量比1:1粒径均为0.5mm-1.25mm的机制砂与铁尾矿砂细骨料混合料置于搅拌机中搅拌30s。然后加入固废基硫铝酸盐胶凝材料、废石粉、减水剂、增稠剂干混60s，最后加入水搅拌120s，得到路面用透水混凝土拌合料。将混凝土置于模具中捣实成型，然后标准养护温度20±0.5℃，湿度98％。
性能测试：测得混凝土的实验数据为：透水混凝土连通孔隙率为18.6％，透水系数为0.60cm/s，3d抗压强度33.9MPa，28d抗压强度38.5MPa，28d抗折强度4.7MPa，达到测C35标准。磨坑长度19.8mm，抗冻性(50次冻融循环)质量损失率4.4％。
对比例1
与实施例4相比，变化仅为将原料中的固废基硫铝酸盐胶凝材料替换为普通硅酸盐水泥制备透水混凝土。
性能测试：测得混凝土的实验数据为：透水混凝土连通孔隙率为18.5％，透水系数为0.56cm/s，3d抗压强度15.7MPa，28d抗压强度26.8MPa，28d抗折强度4.0MPa。磨坑长度24.3mm，抗冻性(50次冻融循环)质量损失率7.7％。
对比例2
与实施例4相比，变化仅为原料中不添加细骨料。
性能测试：测得混凝土的实验数据为：透水混凝土连通孔隙率为22.9％，透水系数为0.68cm/s，3d抗压强度14.3MPa，28d抗压强度24.7MPa，28d抗折强度3.7MPa。磨坑长度28.4mm，抗冻性(50次冻融循环)质量损失率8.6％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种环保型路用透水混凝土，其原料包括或由以下成分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料 150-250 重量份、粗骨料 600-750 重量份、细骨料40-80 重量份、废石粉 10-15 重量份、用量为胶减水剂 0.15-0.5 重量份、增稠剂 0.5-1.2 重量份，水胶比 0.20-0.25；
所述固废基硫铝酸盐胶凝材料由固废基系硫铝酸盐水泥熟料与石灰石粉和石膏混合磨细制得，其中，固废基系硫铝酸盐水泥熟料的原料包括或由以下成分组成：废石粉 35-45wt%、脱硫石膏15-25wt%、钢渣 5-15wt%和铝渣 28-35wt%；
所述粗骨料为粒径均为 5mm-10mm 的碎石子和掘进煤矸石颗粒的混合料，两者的质量比为 7-10:0-3；
所述细骨料为细骨料中粒径均为 0.5mm-1.25mm 的机制砂与铁尾矿砂的混合料，两者的质量比为 1：1；
所述环保型路用透水混凝土，其磨坑长度≤28.3mm，3d抗压强度≥20Mpa，28d抗压强度≥30MPa，28d抗折强度≥2.2Mpa，孔隙率≥18%，透水系数≥0.5×10-2m/s，50次冻融循环后质量损失率≤17%；
所述固废基硫铝酸盐胶凝材料的制备方法包括：将固废基系硫铝酸盐水泥熟料的原料按比例混合后于1250-1300℃煅烧保温 30-60min后获得水泥熟料，取80-90wt%该水泥熟料与3-10wt%石灰石粉和5-10wt%石膏混合磨细，即得固废基硫铝酸盐胶凝材料。
2.根据权利要求1所述的环保型路用透水混凝土，其特征在于，废石粉为采石厂固废，需粉磨至160-180目。
3.根据权利要求 1 所述的环保型路用透水混凝土，其特征在于，所述增稠剂为可分散性乳胶粉，由醋酸乙烯酯的共聚物和聚乙烯醇粉末组成。
4.根据权利要求 1 所述的环保型路用透水混凝土，其特征在于，所述减水剂为高效聚羧酸减水剂。
5.一种制备权利要求1至4中任一项所述的环保型路用透水混凝土的方法，其包括：按比例混合粗骨料和细骨料搅拌，然后加入固废基硫铝酸盐胶凝材料、废石粉、减水剂、增稠剂干混，最后加水搅拌，即得路面用透水混凝土拌合料；
加水搅拌的时间为90-150s。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，粗骨料和细骨料搅拌时间为20-45s。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，干混时间为45-80s。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述环保型路用透水混凝土的标准养护温度20±0.5℃，湿度98%。
9.权利要求1至4中任一项所述的环保型路用透水混凝土在城市道路施工领域中的应用。
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