CN113321475B - 一种海绵城市用的透水混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种海绵城市用的透水混凝土，其中的原料以质量百分比计包括：胶结剂10‑15％，骨料74‑80％，活性钢渣3‑5％，外加剂0.5‑2％，水4.5‑6.5％；所述骨料由轻质多孔陶粒和碎石按质量比4～5:11组成；所述轻质多孔陶粒的原料以质量百分比计包括：钢渣20‑35％，磷渣40‑55％，废橡胶轮胎粉A 1‑3％，废橡胶轮胎粉B 3‑8％，生石灰4‑7％，石膏4‑6％，胶结剂5‑8％。本发明通过向轻质多孔陶粒中添加废橡胶轮胎粉A和B，利用两者的搭配，一方面能够使得陶粒成团时更加密实，利于提高透水混凝土的强度；另一方面，由于煅烧后废橡胶轮胎粉A和B碳化形成大量孔隙，使得透水混凝土在保证强度的同时也能够进一步提高透水率。

Description

一种海绵城市用的透水混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于透水混凝土技术领域，具体涉及一种海绵城市用的透水混凝土及其制备方法。
背景技术
透水混凝土是由骨料、胶结料、增强剂和水拌制而成的一种多孔轻质混凝土，透水混凝土能够使雨水迅速渗入地表，解决了普通路面容易积水的问题，可以有效地补充地下水，缓解城市热岛效应，保护城市自然水系不受破坏，具有很强的环保价值，对于改善人居环境也具有重要意义。因此，透水混凝土作为一种新的环保型、生态型的道路材料，日益受到人们特别是业界的关注。
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，故具有透气、透水和重量轻的特点。透水混凝土在使用时一方面需保持一定的贯通孔隙从而满足透水性的要求，另一方面还需要满足强度要求。因此，在配制透水混凝土时除了选择合适的原材料外，还要通过配合比设计和制备工艺以及添加剂来达到保证强度和孔隙率的目的。陶粒由于其密度小、内部多孔，形态、成分较均一，且具有一定强度，因而展现出优异的使用性能，如质轻、耐腐蚀、抗冻、抗震，良好的隔绝性等，近年来除广泛应用于建筑材料外，还作为环保材料、绿化材料有所使用。现有技术中，以陶粒作为粗骨料时，因陶粒为多孔结构、筒压强度较小、吸水率高，制得的透水混凝土在生产时存在水灰比波动大、陶粒界面与水泥浆体粘接强度较低，导致陶粒容易从透水混凝土中剥离与脱落进而影响美观和耐久性。故现有陶粒透水混凝土技术主要针对的是抗压和抗折强度的提高。另有公开号为CN105272067A的发明专利公开了一种含有陶粒的轻质透水混凝土，该轻质透水混凝土中的组成成分及单方用量配比kg/m3如下：拌合水130-150，水泥410-450，陶粒990-1000，外加剂1.11-1.80，所述陶粒为粒径5mm-10mm连续级配的煤矸石陶粒，粒型为球形，煤矸石陶粒的堆积密度等级为900kg/m3-950kg/m3，紧密堆积密度为980kg/m3-1030kg/m3，表观密度为1700kg/m3-1800kg/m3；上述含有陶粒的混凝土使用煤矸石制成的陶粒，解决了煤矸石的堆放和处理问题，具有质量轻，透气性好的优点，但陶粒中孔道多为封闭结构，在力学强度方面，陶粒与天然骨料相比强度较低，由于透水材料中使用的胶凝材料相对较少，不能满足陶粒包裹所需的大量胶凝材料的需要，因此最终制成的产品强度和透水率偏低。
废橡胶轮胎粉是由废轮胎经过粉碎加工而成的一种颗粒状或粉状、具有一定细度规格的橡胶粉。随着当今汽车工业的快速发展，大量废弃轮胎产生，废弃轮胎长期露天堆放，不仅占用了大量土地资源，还严重污染环境、威胁人体健康。公开号为CN101343162A的发明专利公开了一种聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土路面罩面材料，由水泥、聚合物乳液、细集料、粗集料，由不超过50％体积率的橡胶粉取代矿物集料、还有增塑剂/消泡剂；所述橡胶粉若由废弃橡胶粉代替，其粒径在0.075-9.5mm之间。该专利是直接将橡胶粉与其他原料混合制备透水混凝土，利用了橡胶粉的保水作用，并且橡胶粉会截住混凝土的微观裂缝；另一方面，该专利利用树脂聚合物或/和聚合物乳液提高混凝土抗折强度的同时降低其抗压强度，使得混凝土的脆性降低而柔韧性增加，且聚合物的使用量较多。
现有技术中还未有将废橡胶轮胎粉用于制备轻质多孔陶粒后再进一步获得透水率、抗压和抗折强度性能均较为优良的透水混凝土的报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种海绵城市用的透水混凝土。通过优化轻质多孔陶粒的原料组成和制备工艺，提高陶粒的使用量，在增加透水率的同时能够保证透水混凝土的强度。
本发明的另一目的在于提供上述透水混凝土的制备方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现。
一种海绵城市用的透水混凝土，所述透水混凝土的原料以质量百分比计包括：胶结剂10-15％，骨料74-80％，活性钢渣3-5％，外加剂0.5-2％，水4.5-6.5％；所述骨料由轻质多孔陶粒和碎石按质量比4～5:11组成；
所述轻质多孔陶粒的原料以质量百分比计包括：钢渣20-35％，磷渣40-55％，废橡胶轮胎粉A 1-3％，废橡胶轮胎粉B 3-8％，生石灰4-7％，石膏4-6％，胶结剂5-8％；
所述废橡胶轮胎粉A的粒径30-60μm；
所述废橡胶轮胎粉B为取粒径100-240μm的废橡胶轮胎粉，经硅烷偶联剂改性预处理得到。
所述轻质多孔陶粒由原料高温煅烧后制得。
本发明透水混凝土中所述的轻质多孔陶粒以钢渣和磷渣为主要成分，构成多孔骨架，其中：钢渣和磷渣中的二氧化硅和三氧化二铝在高温条件下可以生成莫来石，增加陶粒的强度；钢渣和磷渣中的三氧化二铁、氧化钙、氧化镁则对陶粒的烧制起到助熔作用，可以在一定程度上降低烧结温度，扩大烧结温度范围，防止胚料的烧制中粘结。发明人发现将钢渣和磷渣按照特定用量范围复配，可以优化烧制过程中发生的反应，提高陶粒的耐磨性和透水性。经过硅烷偶联剂改性预处理的废橡胶轮胎粉B吸附能力增强，增加了其与胶凝材料之间的黏结强度，减少与胶凝材料界面裂缝的产生，有助于加强陶粒的强度；将废橡胶轮胎粉B与粒径更小的废橡胶轮胎粉A搭配使用，更利于填充到钢渣和磷渣间隙/孔隙中，使之致密，较多的废橡胶轮胎粉A分布在间隙/孔隙深处，而剩余废橡胶轮胎粉A与更多的废橡胶轮胎粉B分布在间隙/孔隙浅表或者是与胶凝材料接触的过渡区域，这能够防止胶凝材料封闭陶粒的宏观微孔，更有利于煅烧后强度和孔隙率的提高。煅烧后，废橡胶轮胎粉A和B碳化，陶粒本身形成多孔材料，不仅能够过滤水质，还具有蓄水储水作用。另一方面，在制备陶粒时，由于废橡胶轮胎粉A和B存在不同程度的憎水性，能够进一步增加陶粒内部的气泡含量，使得透水混凝土在保持较高强度的同时，也具有优异的透水性能。
本发明采用经过处理后的陶粒替代部分碎石，可以增加陶粒在透水混凝土骨料中的用量百分比，且不影响透水混凝土的强度。将所述轻质多孔陶粒与碎石复配的骨料再与活性钢渣、胶结剂、外加剂等搭配，所述骨料的粒径与现有技术相同，陶粒和碎石的粒径均为5-10mm；这样形成的陶粒之间、碎石之间及陶粒和碎石之间形成大量连通的孔隙，能够在保证透水作用的同时使得混凝土抗压和抗折强度提高。
优选的，所述活性钢渣的制备步骤包括：将钢渣加入助磨剂粉磨5-8h，1450-1600℃热活化0.5-2h，再次粉磨至细度为460-800m2/kg。钢渣经过上述粉磨和煅烧，其中的Si-O、Al-O键遭到破坏，形成具有活性的二氧化硅和三氧化二铝，从而加快水化，增加胶凝活性，提升混凝土抗压强度和抗折强度，降低干燥收缩。所述活性钢渣不仅细度和比表面积相比处理前有提升，而且在颗粒的晶格和表面性质方面，粉体生成表面缺陷及高密度错位，发生晶格畸变，在制备透水混凝土时更容易激发钢渣中的活性CaO反应生成具有强胶凝性能的CaCO3，CaO的进一步水化也能产生体积膨胀，一定程度上抑制混凝土的干燥收缩。更优选地，所述活性钢渣的制备步骤包括：将钢渣加入助磨剂粉磨6.5h，1500℃热活化1h，再次粉磨至细度为460-800m2/kg。
优选地，所述助磨剂为红土和三乙醇胺按质量比3:1混合。
优选地，所述轻质多孔陶粒的制备步骤包括：将轻质多孔陶粒的各原料加水混合成团，陈化，800-1300℃煅烧20-30min，形成具有中空和微孔结构的轻质多孔陶粒。更优选地，制备所述轻质多孔陶粒时的陈化时间为2h，然后再于1050℃煅烧25min。
优选地，所述透水混凝土的原料以质量百分比计包括：水泥13％，轻质多孔陶粒21％，碎石55％，活性钢渣4％，外加剂1.5％，水5.5％。
优选地，所述轻质多孔陶粒的原料以质量百分比计包括：钢渣30％，磷渣45％，废橡胶轮胎粉A 2％，废橡胶轮胎粉B 6％，生石灰5％，石膏5％，水泥7％。
优选地，所述废橡胶轮胎粉B的硅烷偶联剂改性的方法包括：将废橡胶轮胎粉置于硅烷偶联剂中浸泡18-22h，干燥即得废橡胶轮胎粉B。
优选地，所述外加剂为聚羧酸减水剂，使用减水剂可以保证低水胶比和一定的强度要求。
所述胶结剂可均为硅酸盐水泥，本发明中所述硅酸盐水泥具体选用某公司产P·O42.5级普通硅酸盐水泥。
本发明还提供所述的海绵城市用的透水混凝土的制备方法，包括：将所述轻质多孔陶粒、活性钢渣与所述碎石、胶结剂、外加剂和水混合制备而成。
具体的：
废橡胶轮胎粉的处理：将废橡胶轮胎粉粉磨过筛，制得粒径为30-60μm的所述废橡胶轮胎粉A；将废橡胶轮胎粉粉磨筛分至粒径100-240μm，再经硅烷偶联剂改性处理得到所述废橡胶轮胎粉B；
制备轻质多孔陶粒：将轻质多孔陶粒的各原料加水混合成团，陈化，800-1300℃煅烧20-30min，形成微孔和中空结构；
制备活性钢渣：将钢渣加入助磨剂粉磨5-8h，1450-1600℃热活化0.5-2h，再次粉磨至细度为460-800m2/kg；
制备透水混凝土：将制备得到的所述轻质多孔陶粒、活性钢渣与所述碎石、胶结剂、外加剂和水混合制备而成。
优选地，所述废橡胶轮胎粉B的硅烷偶联剂改性的方法包括：将废橡胶轮胎粉置于硅烷偶联剂中浸泡18-22h，干燥即得废橡胶轮胎粉B。本发明实施例中具体的，所述硅烷偶联剂为质量浓度8-10％的异丁基三乙氧基硅烷的水溶液用于改性处理。
优选地，所述制备轻质多孔陶粒中的陈化时间为2h，然后再于1050℃煅烧25min。
优选地，所述制备活性钢渣包括：将钢渣加入助磨剂粉磨6.5h，1500℃热活化1h，再次粉磨至细度为460-800m2/kg。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明透水混凝土中的轻质多孔陶粒以钢渣和磷渣为主要成分复配，构成孔隙丰富的多孔骨架。由于钢渣和磷渣主要化学成分的搭配，使得陶粒与碎石复配的多孔骨架具有良好的耐磨性和透水性。
2、本发明通过向轻质多孔陶粒中添加废橡胶轮胎粉A和B，利用两者的搭配，一方面能够使得陶粒成团时更加密实，利于提高透水混凝土的强度；另一方面，由于煅烧后废橡胶轮胎粉A和B碳化形成大量孔隙，使得透水混凝土在保证强度的同时也能够进一步提高透水率。
3、采用所述轻质多孔陶粒、碎石与活性钢渣、胶结剂等制备透水混凝土，能够在保证透水混凝土强度的前提下，提高轻质多孔陶粒的使用量，获得一种抗压强度和透水率都非常优良的透水混凝土。陶粒用量的增加使得钢渣、磷渣、废橡胶轮胎粉等工业固废得到回收再利用，利于资源的循环利用和可持续发展。
具体实施方式
下面将结合本发明的具体实施方式，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例提供海绵城市用的透水混凝土组成及其制备方法：
其中，所述透水混凝土的原料以质量百分比计包括：胶结剂10-15％，骨料74-80％，活性钢渣3-5％，外加剂0.5-2％，水4.5-6.5％；所述骨料由轻质多孔陶粒和碎石按质量比4～5:11组成；所述轻质多孔陶粒的原料以质量百分比计包括：钢渣20-35％，磷渣40-55％，废橡胶轮胎粉A1-3％，废橡胶轮胎粉B 3-8％，生石灰4-7％，石膏4-6％，胶结剂5-8％。除特别说明外，所述废橡胶轮胎粉A的粒径30-60μm，采用常规粉磨方式粉磨过筛后获得；所述废橡胶轮胎粉B也是采用常规粉磨方式粉磨过筛后获得粒径100-240μm的废橡胶轮胎粉，再将前述废橡胶轮胎粉置于硅烷偶联剂中浸泡18-22h，干燥即得废橡胶轮胎粉B。将轻质多孔陶粒的各原料加适量水混合成团，陈化2h，1050℃煅烧25min，形成具有中空和微孔结构的轻质多孔陶粒用于制备所述透水混凝土；轻质多孔陶粒和碎石的粒径均为5-10mm。
具体的，胶结剂均为42.5级硅酸盐水泥；外加剂为聚羧酸减水剂；硅烷偶联剂具体为质量浓度8-10％的异丁基三乙氧基硅烷水溶液；所述活性钢渣的制备步骤包括：取钢渣加入助磨剂粉磨6.5h，1500℃热活化1h，再次粉磨至细度为460-800m2/kg；上述助磨剂的掺量为钢渣质量的0.3％。除特别说明外，具体实施方式中的助磨剂为红土和三乙醇胺按质量比3:1混合。以下实施例和对比例将制备得到的所述轻质多孔陶粒、活性钢渣与所述碎石、胶结剂、外加剂和水混合即可制备得到本发明透水混凝土，以下实施例和对比例的透水混凝土的制备方法除特殊说明外是基本相同的。
下述实施例和对比例中具体的：
实施例1～5中所述透水混凝土的原料以质量计均包括：水泥13％，轻质多孔陶粒23.1％，碎石53.8％，活性钢渣4％，外加剂0.6％，水5.5％；实施例1-5中的轻质多孔陶粒的原料组成不同；具体见表1-2；制备方法相同。
实施例6～11、对比例3中所述透水混凝土的原料以质量计包括：水泥13％，轻质多孔陶粒21％，碎石55％，活性钢渣4％，外加剂1.5％，水5.5％。实施例6、实施例8-11中的轻质多孔陶粒的原料组成不同，具体见表1-2；制备方法与实施例1相同。实施例7与实施例6基本相同，区别仅在于所述助磨剂为红土和三乙醇胺按质量比1:1混合，助磨剂总用量不变；具体见表1-2。
对比例1中所述透水混凝土的原料以质量计包括：水泥13％，轻质多孔陶粒30％，碎石46％，活性钢渣4％，外加剂1.5％，水5.5％；其他与实施例1相同，具体见表1-2。
对比例2：采用普通陶粒(页岩陶粒，粒径5-10mm，堆积密度820kg/m3，筒压强度6.1MPa，1h吸水率3.1％)，其他与实施例1相同，具体见表1-2。
对比例3：所述轻质多孔陶粒中的废橡胶轮胎粉全部为粒径30-60μm，且后续不经过硅烷偶联剂处理，其他与实施例1相同，具体见表1-2。
表1具体实施方式中的透水混凝土组成(单位：kg/m3)
Figure BDA0003173220380000061
表2具体实施方式中的轻质多孔陶粒组成(质量百分比，％)
Figure BDA0003173220380000062
Figure BDA0003173220380000071
应用例
本发明实施例1-5及对比例1-3制备得到的透水混凝土试样的抗压强度及透水系数按照CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》进行测试，结果见表3。
表3具体实施方式中透水混凝土的抗压强度及透水系数
Figure BDA0003173220380000072
Figure BDA0003173220380000081
实施例1-5中陶粒组成不同：实施例4与实施例1相比，生石灰、胶结剂的用量略有增加，废橡胶轮胎粉B的用量显著减少，使得废橡胶轮胎粉A与B的配合效果变差；实施例2与实施例1相比，钢渣和磷渣并非最优配比，废橡胶轮胎粉B用量较多，实施例3、5与实施例1相比，进一步降低钢渣与磷渣的用量比，增加废橡胶轮胎粉A的用量，实施例5中还进一步增加了废橡胶轮胎粉B的用量，使得陶粒的多孔骨架结构改变，橡胶粉的填充效果变差。实施例2-5相较于实施例1，透水混凝土的抗压强度和透水率都有所降低。实施例8～9与实施例6相比，调整钢渣与磷渣的用量比到非最优选比值时，直接影响透水混凝土的耐磨性和透水性。实施例10～11与实施例6相比，调整废橡胶轮胎粉A和B的比例到非最优选比值时，直接影响透水混凝土的透水性，一定程度上影响透水混凝土的强度。
通过实施例1与实施例6的比较，进一步调整混凝土原料的较优配比，发现实施例6为最优配方。活性钢渣可以增加透水混凝土的胶凝活性，本发明发现采用红土和三乙醇胺按质量比3:1混合作为助磨剂，相比于其他比例，能够促进钢渣的活化性能，能够提升制得透水混凝土的抗压强度和抗折强度，降低干燥收缩。本发明通过向轻质多孔陶粒中添加废橡胶轮胎粉A和B，采用两者特定比例的搭配，相比于不采用废橡胶轮胎粉的普通陶粒或者采用单一粒径的废橡胶轮胎粉，一方面能够使得陶粒成团时更加密实，利于提高透水混凝土的强度；另一方面，由于煅烧后废橡胶轮胎粉A和B碳化形成大量孔隙，使得透水混凝土在保证强度的同时也能够进一步提高透水率，制备得到的透水混凝土可用于非承重路面。
尽管已经示出和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，对于本领域的普通技术人员而言，本发明不受上述实施例的限制，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种海绵城市用的透水混凝土，其特征在于，所述透水混凝土的原料以质量百分比计包括：胶结剂10-15％，骨料74-80％，活性钢渣3-5％，外加剂0.5-2％，水4.5-6.5％；所述骨料由轻质多孔陶粒和碎石按质量比4～5∶11组成；
所述轻质多孔陶粒的原料以质量百分比计包括：钢渣20-35％，磷渣40-55％，废橡胶轮胎粉A 1-3％，废橡胶轮胎粉B 3-8％，生石灰4-7％，石膏4-6％，胶结剂5-8％；
所述废橡胶轮胎粉A的粒径30-60μm；
所述废橡胶轮胎粉B为取粒径100-240μm的废橡胶轮胎粉，经硅烷偶联剂改性预处理得到。
2.根据权利要求1所述的海绵城市用的透水混凝土，其特征在于，所述活性钢渣的制备步骤包括：将钢渣加入助磨剂粉磨5-8h，1450-1600℃热活化0.5-2h，再次粉磨至细度为460-800m2/kg。
3.根据权利要求2所述的海绵城市用的透水混凝土，其特征在于，所述活性钢渣的制备步骤包括：将钢渣加入助磨剂粉磨6.5h，1500℃热活化1h，再次粉磨至细度为460-800m2/kg。
4.根据权利要求2或3所述的海绵城市用的透水混凝土，其特征在于，所述助磨剂为红土和三乙醇胺按质量比3∶1混合。
5.根据权利要求1所述的海绵城市用的透水混凝土，其特征在于，所述轻质多孔陶粒的原料以质量百分比计包括：钢渣30％，磷渣45％，废橡胶轮胎粉A 2％，废橡胶轮胎粉B 6％，生石灰5％，石膏5％，水泥7％。
6.根据权利要求1所述的海绵城市用的透水混凝土，其特征在于，所述轻质多孔陶粒的制备步骤包括：将轻质多孔陶粒的各原料加水混合成团，陈化，800-1300℃煅烧20-30min，形成具有中空和微孔结构的轻质多孔陶粒。
7.根据权利要求6所述的海绵城市用的透水混凝土，其特征在于，制备所述轻质多孔陶粒时的陈化时间为2h，然后再于1050℃煅烧25min。
8.根据权利要求1所述的海绵城市用的透水混凝土，其特征在于，所述废橡胶轮胎粉B的硅烷偶联剂改性的方法包括：将废橡胶轮胎粉置于硅烷偶联剂中浸泡18-22h，干燥即得废橡胶轮胎粉B。
9.根据权利要求1所述的海绵城市用的透水混凝土，其特征在于，所述透水混凝土的原料以质量百分比计包括：水泥13％，轻质多孔陶粒21％，碎石55％，活性钢渣4％，外加剂1.5％，水5.5％。
10.权利要求1所述的海绵城市用的透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括：将所述轻质多孔陶粒、活性钢渣与所述碎石、胶结剂、外加剂和水混合制备而成。
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