CN113004014A - 羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的应用、一种透水混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝土技术领域，具体涉及羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的应用、一种透水混凝土及其制备方法。本发明将羟基化纳米纤维素用于透水混凝土中，羧基化纳米纤维素能够起到纳米晶核的作用，利于水泥的水化，能够提高透水混凝土的抗压强度和抗折强度从而提高透水混凝土的抗裂性能。由此，本申请提供了一种透水混凝土，包括以下质量份数的组分：0.9～1.1份水泥，0.1～0.5份高炉矿渣，0～0.4份粉煤灰，0～0.05份硅灰，0.0002～0.0026份羧基化纳米纤维素，3.6～5.2份粗骨料，0～0.0002份引气剂，0.35～0.56份水。本发明提供的透水混凝土具有较高的抗压强度和抗折强度。

Description

羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的应用、一种透水混凝土 及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，具体涉及羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的应用、一种透水混凝土及其制备方法。

背景技术

透水混凝土是针对原城市道路的路面缺陷，开发使用的一种铺装材料；这种铺装材料能让雨水流入地下，有效补充地下水，缓解城市的地下水位急剧下降等的一些城市环境问题，能有效的消除地面上的油类化合物等对环境污染的危害，同时能保护地下水、维护生态平衡、能缓解城市热岛效应。其有利于人类生存环境的良性发展及城市雨水管理与水污染防治等工作，具有特殊的重要意义。

随着我国大力推进海绵城市建设，大力倡导在城市基础建设中推广透水混凝土材料的使用。现有的透水混凝土大多由骨料、水泥、增强剂和水拌制而成，但现有的透水混凝土在荷载作用力和环境因素的综合作用下，孔隙尖端的应力集中明显，骨料颗粒间的结合强度较低，容易引发严重的路面开裂现象。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的应用、一种透水混凝土及其制备方法。本发明将羟基化纳米纤维素用于透水混凝土中，提高了透水混凝土的抗压强度和抗折强度，能够减少路面开裂现象。

为了解决上述技术问题，本发明提供了羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的应用，所述羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的掺量为0.00256～0.0404％。

本发明还提供了一种透水混凝土，包括以下质量份数的组分：

优选的，所述羧基化纳米纤维素的直径为5～20nm，长径比为200～800。

优选的，所述粗骨料包括石灰石，所述粗骨料的公称粒径为5～16mm，针片状颗粒质量含量≤15％，压碎指标值≤15％。

优选的，所述高炉矿渣的比表面积为350～380m²/kg，活性指数≥85％，烧失量≤3.0％。

优选的，所述引气剂包括聚醚类引气剂或松香类引气剂。

优选的，所述粉煤灰的比表面积为350～380m²/kg，需水量比≤100％，烧失量≤8.0％。

优选的，所述硅灰的活性指数≥105％。

本发明还提供了上述技术方案所述透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：

将羧基化纳米纤维素预分散在部分水中，得到羧基化纳米纤维素分散液；

将所述羧基化纳米纤维素分散液和除所述羟基化纳米纤维素和部分水以外的剩余组分进行混合，得到混合物料

将所述混合物料进行成型，得到所述透水混凝土。

优选的，当粉煤灰、硅灰和引气剂的质量份数均不为0时，所述混合包括以下步骤：

将水泥、粗骨料、粉煤灰、高炉矿渣和硅灰进行干混，得到干混料；

将所述干混料和剩余水进行第一混合，得到第一混合物料；

将所述第一混合物料、所述羧基化纳米纤维素分散液和引气剂进行第二混合，得到所述混合物料。

本发明提供了羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的应用，所述羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的掺量为0.00256～0.0404％。本发明通过在透水混凝土中掺杂少量的羧基化纳米纤维素能够提高透水混凝土的抗裂性能。

本发明提供了一种透水混凝土，包括以下质量份数的组分：0.9～1.1份水泥，0.1～0.5份高炉矿渣，0～0.4份粉煤灰，0～0.05份硅灰，0.0002～0.0026份羧基化纳米纤维素，3.6～5.2份粗骨料，0～0.0002份引气剂，0.35～0.56份水。在本发明中，所述羧基化纳米纤维素能够起到纳米晶核的作用，利于水泥的水化，能够提高透水混凝土的抗压强度和抗折强度从而提高透水混凝土的抗裂性能。由实施例的结果可知，本发明提供的透水混凝土具有较高的抗压强度和抗折强度，其中抗压强度为32～45MPa，抗折强度为3.2～4.2MPa。

具体实施方式

本发明提供了羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的应用，所述羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的掺量为0.00256～0.0404％，优选为0.00943～0.02％。本发明将羧基化纳米纤维素应用于透水混凝土中，通过在透水混凝土中掺杂少量的羧基化纳米纤维素能够提高透水混凝土的抗裂性能。

本发明提供了一种透水混凝土，包括以下质量份数的组分：

在本发明中，如无特殊说明所有原料均为常规市售产品。

按质量份数计，本发明提供的透水混凝土包括0.9～1.1份水泥，优选为1份。在本发明中，所述水泥优选为普通硅酸盐水泥，所述水泥的强度等级优选为42.5。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的透水混凝土包括0.1～0.5份高炉矿渣，优选为0.2～0.3份。在本发明中，所述高炉矿渣的比表面积优选为为350～380m²/kg，更优选为为360～375m²/kg；活性指数优选≥85％，更优选为≥95％；烧失量优选≤3.0％，更优选为≤1.0％。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的透水混凝土包括0.0002～0.0026份羧基化纳米纤维素，优选为0.0005～0.001份。在本发明中，所述羧基化纳米纤维素的直径优选为5～20nm，更优选为6～10nm；长径比优选为200～800，更优选为400～500。本发明对所述羧基化纳米纤维素的来源无特殊限定，只要能够满足上述条件即可。在本发明中，所述羧基化纳米纤维素具有很好的分散性，能够避免发生团聚，能够提高透水混凝土的抗压强度和抗折强度。在本发明中，所述羧基化纳米纤维素能够起到纳米晶核的作用，利于水泥的水化，能够提高透水混凝土的抗裂性能；所述羧基化纳米纤维素能够提高水泥水化后产物的密实度，进而提高透水混凝土的抗冻性能。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的透水混凝土包括3.6～5.2份粗骨料，更优选为4～4.2份。在本发明中，所述粗骨料优选包括石灰石，所述粗骨料的公称粒径优选为5～16mm，更优选为6～10mm；针片状颗粒质量含量优选≤15％，更优选为≤8％；压碎指标值优选≤15％，更优选为≤8％。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的透水混凝土包括0～0.4份粉煤灰，优选为0.1～0.3份。在本发明中，所述粉煤灰的需水量比优选为≤100％，更又选为≤90％；烧失量优选≤8.0％，更优选为≤5.0％。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的透水混凝土包括0～0.05份硅灰，优选为0.04～0.05份。在本发明中，所述硅灰的活性指数优选≥105％，更优选为≥115％。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的透水混凝土包括0～0.0002份引气剂，优选为0.0001～0.00015份。在本发明中，所述引气剂优选包括聚醚类引气剂或松香类引气剂，更优选为聚醚类引气剂。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的透水混凝土包括0.35～0.56份水，优选为0.40～0.45份。在本发明中，所述水优选为洁净水。

本发明还提供了上述技术方案所述透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：

将羧基化纳米纤维素预分散在部分水中，得到羧基化纳米纤维素分散液；

将所述羧基化纳米纤维素分散液和除所述羟基化纳米纤维素和部分水以外的剩余组分混合，得到混合物料；

将所述混合物料进行成型，得到所述透水混凝土。

本发明将羧基化纳米纤维素预分散在部分水中，得到羧基化纳米纤维素分散液。在本发明中，所述部分水和羧基化纳米纤维素的质量比优选为0.9～3:1，更优选为1.5～2.6:1。在本发明中，所述预分散优选在搅拌的条件下进行，所述搅拌的转速优选为40～50r/min，更优选为48～50r/min；时间优选为4～6min，更优选为5～6min。在本发明中，所述预分散使羧基化纳米纤维素均匀的分散在水中，利于羧基化纳米纤维素均匀分散在所述混合物料中，从而提高透水混凝土的抗压强度和抗折强度。

得到羧基化纳米纤维素分散液后，本发明将所述羧基化纳米纤维素分散液和除所述羟基化纳米纤维素和部分水以外的剩余组分混合，得到混合物料。在本发明中，当粉煤灰、硅灰和引气剂的质量份数均不为0时，所述混合优选包括以下步骤：

将水泥、粗骨料、粉煤灰、高炉矿渣和硅灰进行干混，得到干混料；

将所述干混料和剩余水进行第一混合，得到第一混合物料；

将所述第一混合物料、所述羧基化纳米纤维素分散液和引气剂进行第二混合，得到所述混合物料。

本发明将水泥、粗骨料、粉煤灰、高炉矿渣和硅灰进行干混，得到干混料。本发明对所述干混的方式无特殊限定，只要能够混合均匀即可。

得到干混料后，本发明将所述干混料和剩余水进行第一混合，得到第一混合物料。在本发明中，所述第一混合优选在搅拌的条件下进行，所述搅拌的转速优选为45～60r/min，更优选为50～55r/min；时间优选为1～2min，更优选为1.5～1.8min。

得到羧基化纳米纤维素分散液和第一混合物料后，本发明将所述第一混合物料、所述羧基化纳米纤维素分散液和引气剂进行第二混合，得到所述混合物料。在本发明中，所述第二混合优选在搅拌的条件下进行，所述搅拌的转速优选为40～60r/min，更优选为45～50r/min；时间优选为2～4min，更优选为3～4min。

在本发明中，当粉煤灰、硅灰和引气剂的质量份数部分或全部为0时，所述混合优选按照粉煤灰、硅灰和引气剂的质量份数均不为0时混合方式进行混合，不同之处在于，直接省略质量份数为0的组分即可。

得到混合物料后，本发明将所述混合物料进行成型，得到所述透水混凝土。在本发明中，所述成型之前还优选包括：将所述混合物料装入试模中。本发明对所述试模的形状和尺寸无特殊限定，根据需要设定即可。在本发明中，所述成型优选包括振动成型或压力成型。在本发明中，所述振动成型优选包括以下步骤：将装入试模中的混合物料进行插捣后进行振动。在本发明中，所述装入试模中的混合物料的厚度优选为60～80mm，更优选为70～75mm。在本发明中，所述插捣的次数优选为15～25次，更优选为20～25次；所述振动的时间优选为20～30s，更优选为24～25s。

在本发明中，所述压力成型后透水混凝土的体积占压力成型前混合物料的体积百分含量优选为80～90％，更优选为85～90％。本发明对所述压力成型的压力无特殊限定，只要能够满足上述压缩率即可。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将0.0026份直径为5～15nm，长径比为400～500羧基化纳米纤维素预分散(在48r/min的转速下搅拌5min)在0.0024份洁净水中，得到羧基化纳米纤维素分散液；

将3.6份公称粒径为5～10mm，针片状颗粒质量含量为5％，压碎指标值为5％的石灰石、1份强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥、0.1份需水量为95％，烧失量为2％的粉煤灰、0.2份的比表面积为380m²/kg，活性指数为98％，烧失量为1.0％的高炉矿渣和0.05份活性指数为115％的硅灰进行干混，得到干混料；

将所述干混料和0.3476份洁净水在50r/min的转速下搅拌2min，得到第一混合物料；

将所述羧基化纳米纤维素分散液、所述第一混合物料和0.0001份聚醚类引气剂(型号为HDYQ)在50r/min的转速下搅拌2min，得到混合物料；

将所述混合物料装入尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试模(混合物料的厚度为75mm)中，进行压力成型，使成型后体积为成型前体积的88％，得到透水混凝土。

实施例2

将0.00075份直径为5～20nm，长径比为200～400的纳米纤维素预分散(在50r/min的转速下搅拌5min)在0.0015份洁净水中，得到羧基化纳米纤维素分散液；

将4.0份公称粒径为5～16mm，针片状颗粒质量含量为15％，压碎指标值为15％的石灰石、1份强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥、0.3份需水量为100％，烧失量为5％的粉煤灰、0.2份的比表面积优选为为350m²/kg，活性指数为95％，烧失量为0.8％的高炉矿渣和0.02份活性指数为115％的硅灰进行干混，得到干混料；

将所述干混料和0.3985份洁净水在50r/min的转速下搅拌2min，得到第一混合物料；

将所述羧基化纳米纤维素分散液和所述第一混合物料在50r/min的转速下搅拌2min，得到混合物料；

将所述混合物料装入尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试模(混合物料的厚度为70mm)中，进行压力成型，使成型后体积为成型前体积的90％，得到透水混凝土。

对比例1

将3.6份公称粒径为5～10mm，针片状颗粒质量含量为5％，压碎指标值为5％的石灰石、1份强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥、0.1份需水量为95％，烧失量为2％的粉煤灰、0.2份的比表面积为380m²/kg，活性指数为98％，烧失量为1.0％的高炉矿渣和0.05份活性指数为115％的硅灰进行干混，得到干混料；

将所述干混料和0.35份洁净水在50r/min的转速下搅拌2min，得到第一混合物料；

将所述第一混合物料和0.0001份聚醚类引气剂(型号为HDYQ)在50r/min的转速下搅拌2min，得到混合物料；

将所述混合物料装入尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试模(混合物料的厚度为75mm)中，进行压力成型，使成型后体积为成型前体积的88％，得到透水混凝土。

对比例2

将4.0份公称粒径为5～16mm，针片状颗粒质量含量为15％，压碎指标值为15％的石灰石、1份强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥、0.3份需水量为100％，烧失量为5％的粉煤灰、0.2份的比表面积优选为为350m²/kg，活性指数为95％，烧失量为0.8％的高炉矿渣和0.02份活性指数为115％的硅灰进行干混，得到干混料；

将所述干混料和0.40份洁净水在50r/min的转速下搅拌2min，得到第一混合物料；

将所述混合物料装入尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试模(混合物料的厚度为70mm)中，进行压力成型，使成型后体积为成型前体积的90％，得到透水混凝土。

将实施例1～2和对比例1～2制备得到的透水混凝土在20±2℃，湿度大于95％的条件下养护至规定龄期。根据GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》检测养护后透水混凝土的抗压、抗折强度；根据CJJ/T135-2009检测养护后透水混凝土的孔隙率；按照DB11/T775-2020检测养护后透水混凝土的透水系数；按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》检测透水混凝土的抗冻性进行，其结果列于表1中。

表1实施例1～2和对比例1～2制备得到的透水混凝土的性能参数

实施例	抗压强度(MPa)	抗折强度(MPa)	透水系数(mm/s)	孔隙率(％)	抗冻性
						实施例1	45	4.2	4	14	F200
实施例2	32	3.2	4.2	13	F100
						对比例1	22	3.0	3.8	12	F75
对比例2	15	1.6	4.1	12	F50

根据表1中的数据可知，本发明提供的透水混凝土具有较高的抗压强度和抗折强度，同时具有较好的抗冻性。当掺加较低含量的羧基化纳米纤维素时，透水混凝土的抗压强度、抗折强度和抗冻性显著提高，但是透水性能不下降甚至有小幅度的提高。在制备相同强度等级的透水混凝土时，含有羧基化纳米纤维素透水混凝土中水泥的用量较不含有羧基化纳米纤维素透水混凝土中水泥的用量低15～30％。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的应用，其特征在于，所述羧基化纳米纤维素在透水混凝土中的掺量为0.00256～0.0404％。

2.一种透水混凝土，包括以下质量份数的组分：

3.根据权利要求2所述透水混凝土，其特征在于，所述羧基化纳米纤维素的直径为5～20nm，长径比为200～800。

4.根据权利要求2所述透水混凝土，其特征在于，所述粗骨料包括石灰石，所述粗骨料的公称粒径为5～16mm，针片状颗粒质量含量≤15％，压碎指标值≤15％。

5.根据权利要求2所述透水混凝土，其特征在于，所述高炉矿渣的比表面积为350～380m²/kg，活性指数≥85％，烧失量≤3.0％。

6.根据权利要求2所述透水混凝土，其特征在于，所述引气剂包括聚醚类引气剂或松香类引气剂。

7.根据权利要求2所述透水混凝土，其特征在于，所述粉煤灰的比表面积为350～380m²/kg，需水量比≤100％，烧失量≤8.0％。

8.根据权利要求2所述透水混凝土，其特征在于，所述硅灰的活性指数≥105％。

9.权利要求2～8任一项所述透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：

将羧基化纳米纤维素预分散在部分水中，得到羧基化纳米纤维素分散液；

将所述羧基化纳米纤维素分散液和除所述羟基化纳米纤维素和部分水以外的剩余组分进行混合，得到混合物料

将所述混合物料进行成型，得到所述透水混凝土。

10.根据权利要求9所述制备方法，其特征在于，当粉煤灰、硅灰和引气剂的质量份数均不为0时，所述混合包括以下步骤：

将水泥、粗骨料、粉煤灰、高炉矿渣和硅灰进行干混，得到干混料；

将所述干混料和剩余水进行第一混合，得到第一混合物料；

将所述第一混合物料、所述羧基化纳米纤维素分散液和引气剂进行第二混合，得到所述混合物料。