CN113683347A - 一种高透水再生骨料混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土领域，尤其是涉及一种高透水再生骨料混凝土及其制备方法。高透水再生骨料混凝土包括如下质量份的组分：水泥：100～120份；矿粉：20～40份；石子：500～650份；水：50～80份；减水剂：2～3份；再生细骨料：100～120份；引气组分：0.1～0.3份；改性增强纤维：4～8份；所述改性增强纤维为表面包覆有硅烷改性聚醚的增强纤维。本申请制备得到的高透水再生骨料混凝土具有优异的透水性能，同时能够保持较好的抗冻性能。

Description

一种高透水再生骨料混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土领域，尤其是涉及一种高透水再生骨料混凝土及其制备方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，城市众多地表区域被建筑物或道路等混凝土设施所覆盖，致使雨水难以渗入地表，造成了严重的城市内涝灾害。因此，为缓解城市内涝问题，具有多孔结构的透水混凝土被广泛应用于城市道路的建设中。

为提高透水混凝土透水性能，透水混凝土相比常规混凝土通常采用更少用量的胶凝材料和细骨料，以减少粗骨料之间孔隙内的填充物，进而提高具有透水功能的孔隙结构的含量。

发明人认为，减少胶凝材料和细骨料的用量固然能够提高混凝土结构的透水率，但同时也造成混凝土抗冻性能的严重下降，进而使其耐久性和使用寿命下降。

发明内容

为缓解透水混凝土造成的混凝土抗冻性能下降的问题，平衡透水混凝土的透水性能与抗冻性能，本申请提供一种高透水再生骨料混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种高透水再生骨料混凝土，其包括如下质量份的组分：

水泥：100～120份；

矿粉：20～40份；

石子：500～650份；

水：50～80份；

减水剂：2～3份；

再生细骨料：100～120份；

引气组分：0.1～0.3份；

改性增强纤维：4～8份；

所述改性增强纤维为表面包覆有硅烷改性聚醚的增强纤维。

首先，本申请通过采用内再生细骨料，在提高混凝土透水性能的同时，能够有效保障混凝土的强度，以提高其抗冻融性能。再生细骨料是由废弃混凝土块经粉磨筛选回用的再生骨料，其结构中含有较多的孔隙结构，有利于促进混凝土渗水性能的提高，并保持一定的强度性能，以应对低温下水分结冰造成的膨胀应力，提高混凝土的抗冻融性能。

其次，引气组分能够在混凝土结构中产生气泡，气泡的移动扩散在混凝土细骨料间产生孔隙或孔道结构，促进透水率的提高。

再次，改性增强纤维具有增强增韧的作用，能够有效地增强混凝土的抗拉强度，从而有效释放水分结冰膨胀所产生的膨胀应力，提高透水混凝土的抗冻融能力。

另外，增强填料表面包覆的硅烷改性聚醚，其主链为聚醚长链，两端以硅氧烷封端，聚醚主链使得其具有较低的表面能和高渗透力，对混凝土等无机基材以及塑料基材具有良好的润湿能力，从而产生良好的粘附性；而两端的硅氧烷能够水解形成Si-OH基团(硅醇基团)，一方面使得硅烷改性聚醚之间能够交联固化成网络结构，另一方面能够与水泥水化产生的硅酸三钙(C-S-H凝胶)中的Si-OH基团交联形成化学键，从而形成牢固的连接。因此，硅烷改性聚醚起到提高增强纤维与混凝土骨架连接强度的作用，减小冻融循环对纤维表面附着的水化产物的剥离破坏作用，保障混凝土骨架的强度，提高其抗冻性能。

优选的，所述改性增强纤维中硅烷改性聚醚与增强纤维的质量比为1:(5～7)。

通过采用上述用量比，保障增强纤维表面能够充分包覆硅烷改性聚醚，以充分发挥改性增强纤维的增强增韧作用，进而保障其抗冻性能。

优选的，所述增强纤维采用聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维与玻璃纤维中的一种或几种。

上述采用的增强纤维均为非亲水性纤维，且具有较为优异的强度和韧性，因而在起到增强增韧作用的同时，有利于保持混凝土的透水性能。

优选的，所述引气组分包括第一引气剂和缓释引气剂，且第一引气剂和缓释引气剂的质量比为1:(1～2)，所述缓释引气剂由质量比为(23～30):(18～25):(10～15)的海藻酸钠溶液、钙盐溶液与第二引气剂制得；所述海藻酸钠的质量分数为1～2％，所述钙盐的质量分数为 0.8～1.2％。

通过采用上述技术方案，第一引气剂在混凝土拌合过程中能够及时产生大量气泡，提高混凝土的和易性并促进混凝土中孔隙结构的形成，但这类气泡容易在拌合过程中破裂，不利于在混凝土内形成孔隙结构。而缓释引气剂能够在混凝土浇筑稳定后逐渐发挥作用，该气泡能够稳定存在，不易破裂，能够显著地提高透水混凝土的孔隙率，进而增强其透水性能。

缓释引气剂是表面包裹有难溶性膜，该难溶性膜是由带负电的海藻酸钠通过静电作用与钙离子发生交联形成。其能够使膜内包裹的引气剂缓慢释放后发泡，从而使浇筑后的混凝土中也能够形成大量气泡，促使孔隙或孔道结构的产生，达到提高透水率的作用。

优选的，所述缓释引气剂的原料组分中还包括有6～10wt％的羧酸盐溶液，所述羧酸盐溶液与钙盐溶液的质量比为(18～25):(10～20)。

通过采用羧酸盐溶液，能够充分保障缓释引气剂引气效果的发挥，进而保障混凝土的透水率。其原因可能在于，混凝土的水化产物(硅酸三钙、氢氧化钙)会产生钙离子，促使缓释引气剂表面难溶性膜发生进一步交联，提高其致密性，导致其溶解性进一步降低，进而使引气剂的释放速率下降，无法与混凝土的水化固化进程保持协调，导致混凝土固化程度较大时，部分引气剂尚未释放，无法促进孔隙结构的产生，造成透水混凝土透水率的下降。而本申请中的羧酸盐能够与钙离子形成络合-解离平衡，与难溶性膜接触的钙离子反应形成细长的沉淀，保障缓释引气剂引气作用的发挥。

当然，本申请在制备过程中已经考虑到混凝土中钙离子的影响，采用了适宜浓度和用量的钙盐溶液，适当降低其交联密度。上述羧酸盐起到补偿作用，以预防局部钙离子浓度过高的情况。

本申请对羧酸盐与钙盐无特殊限制，在水中具有优异溶解性即可。其中，钙盐可采用氯化钙、硝酸钙、硫酸钙等。

优选的，所述羧酸盐溶液的羧酸盐采用柠檬酸钠、草酸钠与EDTA-2Na中的一种或几种。

上述羧酸盐均与钙离子具有较好的络合沉淀作用，有效保障缓释引气剂引气作用的发挥。

优选的，所述缓释引气剂按照如下步骤制备得到：

S1-1:将海藻酸钠溶液喷涂至第二引气剂表面，充分混合，得到第一颗粒；

S1-2:取钙盐溶液喷涂于第一品颗粒表面，混合均匀，室温下静置晾干2～3h，得到第二颗粒；

S1-3:将羧酸盐溶液喷涂至第二颗粒表面，混合均匀，然后于40～60℃下烘干，得到缓释引气剂。

通过采用上述技术方案，依次将海藻酸钠溶液喷涂至引气剂表面，能够在引气剂表面形成均匀的难溶性膜，保护引气剂使其缓慢释放。而将羧酸盐喷涂于外层，有利于羧酸盐在混凝土浇筑后发挥保护作用，与钙离子反应生成沉淀，隔离钙离子与难溶性膜的接触，保障膜内引气剂的释放速率。

第二方面，本申请提供一种高透水再生骨料混凝土的制备方法，包括如下制备步骤：

S2-1:将水泥、矿粉、石子、再生细骨料加入水混合，搅拌均匀，制得混凝土浆料；

S2-2:将改性增强纤维、减水剂与引气组分加入步骤S2-1制得的混凝土浆料中，搅拌均匀，制得再生骨料混凝土。

通过采用上述技术方案，能够制得同时具有优良透水性能和抗冻性能的透水混凝土。

综上所述，本申请具有如下有益效果：

1、本申请中通过对水泥配比的优化，并采用改性增强纤维进行增强增韧，制得同时具有良好透水率和抗冻性能的透水混凝土。

2、本申请中通过采用硅烷改性聚醚对纤维材料进行包覆改性，得到了与水泥具有优异相容性和连接强度的增强纤维，有效地提高了混凝土的透水率。

3、本申请中通过采用海藻酸钠溶液与钙盐溶液在混凝土表面交联得到难溶性膜，使得引气剂能够缓慢释放，充分发挥引气剂的引气作用，促进混凝土中孔隙结构的形成，最终，提高透水混凝土的透水率。

4、本申请中通过采用羧酸盐，降低混凝土水化产生的钙离子对缓释引气剂释放速率的影响，保障缓释引气剂的释放速率与混凝土水化进程的协同性。

具体实施方式

改性增强纤维的制备例

制备例1，一种改性增强纤维，各原料组分的选择及其相应用量如表1所示，且由硅烷改性聚醚与增强纤维混合搅拌得到。

其中，上述硅烷改性聚醚为购自KANEKA的STP-E15(MS胶)。

制备例2～3，一种改性增强纤维，与制备例1的区别在于，各原料组分的选择及其相应用量如表1所示。

表1改性增强剂的制备例1～3中原料选择及其相应用量

其中，聚丙烯纤维的平均长度为12mm；聚乙烯醇纤维的平均长度为8mm，玻璃纤维的长度为8mm。

缓释引气剂的制备例

制备例1，一种缓释引气剂，各原料组分的选择及其相应用量如表2所示，且按照如下步骤制备得到：

S1-1:将海藻酸钠溶液喷涂至引气剂表面，充分混合，得到第一颗粒；

S1-2:取钙盐溶液喷涂于第一品颗粒表面，混合均匀，室温下静置晾干3h，得到第二颗粒；

S1-3:将羧酸盐溶液喷涂至第二颗粒表面，混合均匀，然后于50℃下烘干20min，得到缓释引气剂。

制备例2，一种缓释引气剂，各原料组分的选择及其相应用量如表2所示，且按照如下步骤制备得到：

S1-1:将海藻酸钠溶液喷涂至第二引气剂表面，充分混合，得到第一颗粒；

S1-2:取钙盐溶液喷涂于第一品颗粒表面，混合均匀，室温下静置晾干3h，得到第二颗粒；

S1-3:将羧酸盐溶液喷涂至第二颗粒表面，混合均匀，然后于60℃下烘干10min，得到缓释引气剂。

制备例3，一种缓释引气剂，与制备例1的区别在于，各原料组分的选择及其相应用量如表2所示。

制备例4，一种缓释引气剂，与制备例1的区别在于，缓释引气剂的原料组分中未添加羧酸盐溶液，且不进行步骤S1-3的操作。

表2缓释引气剂的制备例1～4中原料选择及其相应用量

制备例7，一种缓释引气剂，与制备例1的区别在于，将海藻酸钠溶液与钙盐溶液于5min内混合均匀后喷涂至第二引气剂表面，静置晾干2h，然后再进行步骤S1-3的操作。

制备例8，一种缓释引气剂，与制备例1的区别在于，将海藻酸钠溶液、钙盐溶液与羧酸盐溶液于5min内混合均匀后喷涂至第二引气剂表面，静置晾干3h。

实施例

实施例1，一种高透水再生骨料混凝土，各原料组分的选择及其相应用量如表3所示，且按照如下步骤制备得到：

S2-1:将水泥、矿粉、石子、再生细骨料加入水混合，搅拌均匀，制得混凝土浆料；

S2-2:将改性增强纤维、减水剂与引气组分加入步骤S2-1制得的混凝土浆料中，搅拌均匀，制得再生骨料混凝土。

实施例2～5，一种高透水再生骨料混凝土，与实施例1的区别在于，各原料组分的选择及其相应用量如表3所示。

表3实施例1～5中混凝土的原料组分选择及其相应用量(㎏)

其中，表3中的缓释引气剂为缓释引气剂制备例1制得缓释引气剂；改性增强剂为改性增强剂制备例1制得的改性增强剂；水泥为GB175-2011标准中所规定的硅酸盐水泥，具体为海螺牌42.5级硅酸盐水泥；石子的粒径范围是10～25mm；再生细骨料由废弃混凝土经破碎、筛分得到，其粒径范围是0.2～0.35mm，细度模数为2.5；矿粉活性指数≥95％；减水剂采用聚羧酸减水剂；第一引气剂与第二引气剂均为三萜皂苷引气剂。

实施例6～7，一种高透水再生骨料混凝土，与实施例1的区别在于，原料中的改性增强剂分别采用改性增强剂的制备例2～3制得的改性增强剂。

实施例8～14，一种高透水再生骨料混凝土，与实施例1的区别在于，原料中的缓释引气剂采用缓释引气剂制备例2～8制得缓释引气剂。

对比例

对比例1，一种高透水再生骨料混凝土，与实施例1的区别在于，原料组分中采用等量聚丙烯纤维替代改性增强纤维，即采用表面未包覆硅烷改性聚醚的聚丙烯纤维。

对比例2，一种高透水再生骨料混凝土，与实施例1的区别在于，原料组分中不添加改性增强纤维。

性能检测试验

试验1：混凝土透水性能测试试样制备：将实施例1～14与对比例1～2中制得的高透水再生骨料混凝土浇筑养护制成尺寸为100mm×100mm×100mm的试块，养护龄期为28d。

试验方法：参照GB/T 25993-2010《透水路面砖和透水路面板》附录C中透水系数测试方法进行测试。

测试步骤：(1)计算试样的上表面面积(A)，为100cm²。

(2)将试样的四周用黄油密封好，使其不漏水，水仅从试样的上下表面进行渗透。

(3)待密封材料固化后，将试样放人入真空装置，抽真空至90kPa士1kPa，并保持30min；在保持真空的同时，加入足够的水将试样覆盖并使水位高出试样10cm，停止抽真空，浸泡20min，将其取出，装人透水系数试验装置，将试样与透水圆简连接密封好。放入溢流水槽，打开供水阀门，使无气水进人容器中，等溢流水槽的溢流孔有水流出时，调整进水量，使透水圆简保持-定的水位(约150mm)，待溢流水槽的溢流口和透水圆简的溢流口流出水量稳定后，用量简从出水口接水，记录五分钟流出的水量(Q)，测量三次，取平均值。

(4)用钢直尺测量透水圆简的水位与溢流水槽水位之差(H)，精确至0.1cm；用温度计测量试验中溢流水槽中水的温度(T)，本试验中水温为15℃。

按照以下公式计算得到透水系数：

式中:

K_T为水温T℃时试样的透水系数,单位为厘米每秒(cm/s)；

Q为时间t秒内的渗出水量,单位为毫升(mL)；

L为试样的厚度,单位为厘米(cm)；

A为试样的上表面面积,单位为平方厘米(cm²)；

H为水位差,单位为厘米(cm)；

t为测定时间,单位为秒(s)。

结果以三块试样的平均值表示,换算得到透水系数(mm/s)，测试结果如表4所示。

试验2：混凝土抗冻性能测试试样制备：将实施例1～14与对比例1～2中制得的高透水再生骨料混凝土浇筑养护制成尺寸为100mm×100mm×400mm的试块，养护龄期为28d。

试验方法：采用快冻法，以经受的快速冻融循环次数来表示混凝土的抗冻性能。并按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中的相关规定进行冻融循环试验，测试并记录经100次和300次冻融循环试验后各组试样的质量损失率(％)，测试结果如表4所示。

表4混凝土透水性能与抗冻性能测试结果

试验结果分析：

(1)结合实施例1～14和对比例1～2并结合表4可以看出，实施例1～14均采用了表面包覆有硅烷改性聚醚的改性增强纤维；对比例1仅采用增强纤维，该增强纤维表面未包覆硅烷改性聚醚；对比例2中未添加改性增强纤维。最终，实施例1制得的透水混凝土的抗冻性能相比对比例1具有较大的提高，对比例1又相比对比例2具有较大的提高。

上述现象的原因可能在于，聚丙烯纤维、玻璃纤维等增强纤维在混凝土骨架中，能够抑制混凝土内微裂纹的产生和扩展，起到增强增韧作用，为透水混凝土提供强度补偿，从而提高透水混凝土的抗冻性能。对于增强纤维表面包覆的硅烷改性聚醚，其主链为聚醚长链，两端为封端硅氧烷，聚醚主链使得其具有较低的表面能和高渗透力，对混凝土等无机基材以及聚丙烯纤维等塑料基材具有良好的润湿能力，从而产生良好的粘附性；而封端硅氧烷能够水解形成Si-OH基团(硅醇基团)，一方面，硅醇基团使得硅烷改性聚醚之间能够交联固化成网络结构；另一方面，硅醇基团能够与水泥水化产生的硅酸三钙(C-S-H凝胶)中的Si-OH基团交联形成化学键，从而形成牢固的连接。因此，硅烷改性聚醚起到提高增强纤维与混凝土骨架连接强度的作用，减小冻融循环对纤维表面附着的水化产物的剥离破坏作用，保障混凝土骨架的强度，最终，提高混凝土的抗冻性能。

(2)结合实施例1和实施例4～5并结合表4可以看出，采用缓释引气剂与普通引气剂(第一引气剂)一同配合，有利于提高混凝土的透水性能，且能够保持较好的抗冻性能。其原因可能在于，普通引气剂(第一引气剂)在混凝土中能够即时产生大量气泡，提高混凝土的和易性并促进混凝土中孔隙结构的形成，以提高混凝土的透水性能。但由于气泡容易在拌合过程中破裂，不利于在混凝土内形成孔隙结构。因此本申请中通过加入具有缓释作用的缓释引气剂，使其在混凝土浇筑稳定后逐渐发挥作用，在稳定环境下进一步促进混凝土孔隙结构的形成，进而起到增强混凝土透水性能的作用。

综上所述，通过第一引气剂在混凝土拌合过程中启动提高混凝土的孔隙率，而缓释引气剂在混凝土浇筑后固化前起到提高混凝土的孔隙率。两者协同配合，促进透水性能的提高。

(3)结合实施例1和实施例11～12并结合表4可以看出，相比实施例1，实施例11 中钙盐溶液的用量较小，实施例12中钙盐溶液的用量较大，最终，实施例1制得的混凝土具有更高的透水率。其原因可能在于，缓释引气剂表面的难溶性膜是以海藻酸钠为原料，以钙离子为交联剂交联形成，钙离子的用量越大，则交联密度越高，形成的膜越难溶解，缓释速率越慢。因此，钙离子用量过大，导致缓释速率过慢，部分引气剂尚未发挥作用，混凝土即以完成固化，不利于提高其孔隙率、透水系数。反之，钙离子用量过少，导致缓释速率过快，也不利于混凝土孔隙率的提高及透水系数的增加。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种高透水再生骨料混凝土，其特征在于，包括如下质量份的组分：

水泥：100～120份；

矿粉：20～40份；

石子：500～650份；

水：50～80份；

减水剂：2～3份；

再生细骨料：100～120份；

引气组分：0.1～0.3份；

改性增强纤维：4～8份；

所述改性增强纤维为表面包覆有硅烷改性聚醚的增强纤维。

2.根据权利要求1所述的一种高透水再生骨料混凝土，其特征在于，所述改性增强纤维中硅烷改性聚醚与增强纤维的质量比为1:（5～7）。

3.根据权利要求1所述的一种高透水再生骨料混凝土，其特征在于，所述增强纤维采用聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维与玻璃纤维中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种高透水再生骨料混凝土，其特征在于，所述引气组分包括第一引气剂和缓释引气剂，且第一引气剂和缓释引气剂的质量比为1:（1～2），所述缓释引气剂由质量比为(23～30):(18～25):(10～15)的海藻酸钠溶液、钙盐溶液与第二引气剂制得；所述海藻酸钠的质量分数为1～2%，所述钙盐的质量分数为0.8～1.2%。

5.根据权利要求4所述的一种高透水再生骨料混凝土，其特征在于，所述缓释引气剂的原料组分中还包括有6～10wt%的羧酸盐溶液，所述羧酸盐溶液与钙盐溶液的质量比为(18～25):(10～20)。

6.根据权利要求5所述的一种高透水再生骨料混凝土，其特征在于，所述羧酸盐溶液的羧酸盐采用柠檬酸钠、草酸钠与EDTA-2Na中的一种或几种。

7.根据权利要求5所述的一种高透水再生骨料混凝土，其特征在于，所述缓释引气剂按照如下步骤制备得到：

S1-1:将海藻酸钠溶液喷涂至第二引气剂表面，充分混合，得到第一颗粒；

S1-2:取钙盐溶液喷涂于第一品颗粒表面，混合均匀，室温下静置晾干2～3h，得到第二颗粒；

S1-3:将羧酸盐溶液喷涂至第二颗粒表面，混合均匀，然后于40～60℃下烘干，得到缓释引气剂。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的一种高透水再生骨料混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

S2-1:将水泥、矿粉、石子、再生细骨料加入水混合，搅拌均匀，制得混凝土浆料；

S2-2:将改性增强纤维、减水剂与引气组分加入步骤S2-1制得的混凝土浆料中，搅拌均匀，制得再生骨料混凝土。