CN114180906B - 一种环保透水混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种环保透水混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环保透水混凝土，其特征在于，包括如下按重量份计的各原料制成：水泥15‑20份、粗骨料60‑80份、亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络5‑10份、废弃多孔陶粒10‑20份、烷氧基改性2,2‑双(3‑氨基‑4‑羟基苯基)六氟丙烷1‑3份、芴基磺酸盐类减水剂1‑2份、水8‑13份。本发明还公开了一种所述环保透水混凝土的制备方法。本发明公开的环保透水混凝土环保性佳、透水效果好、机械强度大、抗冻融性能优异。

Description

一种环保透水混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土材料技术领域，尤其涉及一种环保透水混凝土及其制备方法。
背景技术
随着全球城市化进程尤其是我国城镇化建设的发展，地表逐步被建筑物和混凝土等阻水材料硬化覆盖，形成了生态学上的“人造沙漠”。正是在这种形势下，透水混凝土应运而生，它的出现引起了业内的广泛关注。透水混凝土是由粗骨料、水泥和水拌制而成的轻质多孔混凝土，它不含细骨料，粗骨料颗粒表面包覆着一层薄层水泥浆，骨料颗粒相互接触，相互粘结，形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，其具有透气、透水和重量轻等特点。透水混凝土的使用能有效维护地下水及土壤的生态平衡；调节城市空间的温度和湿度，缓解城市热岛效应；另外，其还具有吸音作用，可有效减少环境噪声。
传统透水混凝土由于材料和制备工艺的原因造成混凝土和易性差、孔隙分布不均匀、强度低，抗冻融能力低，容易产生冻融破坏，透水系数较低，环保性能不佳，无法满足铺设高性能路面的要求，也无法满足雨水季节排水的要求，影响了透水混凝土产品的使用和推广。除此之外，市面上的透水混凝土在实际工程中常出现承载能力差、粗骨料之间粘结力小、抗冻融性能低、易开裂且难修复以及空穴堵塞等问题。
为了解决上述问题，中国发明专利201610038409.1公开了一种抗冻融透水混凝土，以每立方米计，其包括：310～350kg的普通硅酸盐水泥，1440～1500kg的粗骨料，96～136kg的水，8.6～9.6kg的刚性聚丙烯纤维。该发明在普通透水混凝土的基础上掺入适量的刚性聚丙烯纤维，从而大幅度提升透水混凝土的抗冻融性能。而聚丙烯纤维价格低廉，可大量生产使用，作为生态友好型的透水混凝土，大量使用有利于大自然和生态环境的保护，为人类创造良好的生存条件。但钢性聚丙烯纤维长度较大，影响与水泥相容性，且钢性纤维越长越容易形成孔隙结构不稳定，影响混凝土的使用稳定性。
可见，如何提供一种环保性佳、透水效果好、机械强度大、抗冻融性能优异的环保透水混凝土及其制备方法是业内研究者们亟待解决的难题。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种环保性佳、透水效果好、机械强度大、抗冻融性能优异的环保透水混凝土及其制备方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种环保透水混凝土，其特征在于，包括如下按重量份计的各原料制成：水泥15-20份、粗骨料60-80份、亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络5-10份、废弃多孔陶粒10-20份、烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷1-3份、芴基磺酸盐类减水剂1-2份、水8-13份。
优选的，所述水泥为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥中的至少一种；较为适宜的，所述水泥为通用PO 42.5普通硅酸盐水泥。
优选的，所述粗骨料为碎石、碎卵石、建筑垃圾再生料中的至少一种。
优选的，所述建筑垃圾再生料为经过分选后的废弃混凝土和/或废弃砖石。
优选的，所述粗骨料的粒径为5-10mm。
优选的，所述亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络的来源无特殊要求，如可以是通过中国专利CN111715081B的实施例1中的方法制成；本发明的一个实施例中，所述亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络为山东建筑大学提供。
优选的，所述废弃多孔陶粒的孔隙率为80-90％，规格为K1、K2、K3中的至少一种；其来源无特征要求，本发明的一个实施例中，所述废弃多孔陶粒为中国科学院广州能源研究所提供。
优选的，所述烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷的制备方法，包括：将硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷加入到有机溶剂中，在70-80℃下搅拌反应4-6小时，后旋蒸除去溶剂，得到烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷。
优选的，所述硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷、有机溶剂的摩尔比为2:1:(9-15)。
优选的，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲亚砜中的至少一种。
优选的，所述芴基磺酸盐类减水剂的制备方法，包括：将9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂加入到二甲亚砜中，在70-80℃下搅拌反应5-8小时，后旋蒸除去二甲亚砜，将得到的产品溶于水中，置于透析袋中于去离子水中透析10-14小时，后旋蒸除去透析袋内的水，得到芴基磺酸盐类减水剂。
优选的，所述9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂、二甲亚砜的摩尔比为1:1:(0.8-1.2):(6-10)。
优选的，所述碱性催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾中的至少一种。
本发明的另一个目的，在于提供一种所述环保透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌均匀后得到所述环保透水混凝土。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)本发明提供的环保透水混凝土的制备方法，只需将各原料按重量份混合均匀后即可，无需专用设备，耗能低，操作施工方便，制备效率和成品合格率高，适合连续规模化生产，同时实现了较高的经济效益、社会效益和生态效益。
(2)本发明提供的环保透水混凝土，通过各原料和配方的合理选取，它们之间相互配合，共同作用，使得制成的环保透水混凝土环保性佳、透水效果好、机械强度大、抗冻融性能优异。
(3)本发明提供的环保透水混凝土，亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络在保留了传统纤维材料加入后增强的功效外，由于其亲水性的引入，使得在增强的同时却不会影响透水，有效平衡了透水性和强度之间的矛盾。另外，由于其亲水性的结构能增强其与其它原料之间的相容性，有效避免了由于相容性不佳引起的综合性能和性能稳定性不好的问题。
(4)本发明提供的环保透水混凝土，废弃多孔陶粒的使用属于废弃物的回收再利用，起到节能环保的作用，有利于材料实现经济价值、社会价值和生态价值的有机统一。其多孔结构有利于透水，与亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络协同作用，避免了其它杂质进入混凝土内部，进而避免了外界杂质对混凝土综合性能的影响，从而提高了耐久性，延长其使用寿命。
(5)本发明提供的环保透水混凝土，烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷的加入，使得在水泥硬化完成后，在包裹骨料的胶结层表面会形成特殊的憎水膜，使得水可以通过混凝土内部孔道更加顺畅地透过，不在混凝土当中停留，同时可以提高混凝土的强度；形成爽滑的表层，具有自清洁和抗污性能，可以防止透水孔隙被堵塞，提高其透水持久性；且由于含氟芳香基结构的引入，能增强其抗老化性，有效延长混凝土的使用寿命。
(6)本发明提供的环保透水混凝土，采用芴基磺酸盐类减水剂，分子链上同时含有芴基、苯磺酸基和亲水性的氨基、羟基，各基团协同作用，能起到较好的减水作用，与其它原料协同作用，能有效改善浆体的流动性能和混凝土的微观结构，使得浆体分布更均匀，在保证透水性能的基础上抗压强度更大，透水混凝土成型后不容易开裂。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围；实施例中所述亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络为山东建筑大学提供，具体参见中国专利CN111715081B实施例1中的方法制成；所述水泥为通用PO 42.5普通硅酸盐水泥。
实施例1
一种环保透水混凝土，其特征在于，包括如下按重量份计的各原料制成：水泥15份、粗骨料60份、亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络5份、废弃多孔陶粒10份、烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷1份、芴基磺酸盐类减水剂1份、水8份。
所述粗骨料为碎石；所述粗骨料的粒径为5mm；所述废弃多孔陶粒的规格为K1，为中国科学院广州能源研究所提供。
所述烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷的制备方法，包括：将硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷加入到有机溶剂中，在70℃下搅拌反应4小时，后旋蒸除去溶剂，得到烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷；所述硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷、有机溶剂的摩尔比为2:1:9；所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
所述芴基磺酸盐类减水剂的制备方法，包括：将9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂加入到二甲亚砜中，在70℃下搅拌反应5小时，后旋蒸除去二甲亚砜，将得到的产品溶于水中，置于透析袋中于去离子水中透析10小时，后旋蒸除去透析袋内的水，得到芴基磺酸盐类减水剂；所述9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂、二甲亚砜的摩尔比为1:1:0.8:6；所述碱性催化剂为氢氧化钠。
一种所述环保透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌均匀后得到所述环保透水混凝土。
实施例2
一种环保透水混凝土，其特征在于，包括如下按重量份计的各原料制成：水泥17份、粗骨料65份、亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络6份、废弃多孔陶粒12份、烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷1.5份、芴基磺酸盐类减水剂1.2份、水10份。
所述粗骨料为碎卵石；所述粗骨料的粒径为7mm；所述废弃多孔陶粒的规格为K2，为中国科学院广州能源研究所提供。
所述烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷的制备方法，包括：将硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷加入到有机溶剂中，在73℃下搅拌反应4.5小时，后旋蒸除去溶剂，得到烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷；所述硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷、有机溶剂的摩尔比为2:1:11；所述有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺。
所述芴基磺酸盐类减水剂的制备方法，包括：将9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂加入到二甲亚砜中，在73℃下搅拌反应6小时，后旋蒸除去二甲亚砜，将得到的产品溶于水中，置于透析袋中于去离子水中透析11小时，后旋蒸除去透析袋内的水，得到芴基磺酸盐类减水剂；所述9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂、二甲亚砜的摩尔比为1:1:0.9:7；所述碱性催化剂为氢氧化钾。
一种所述环保透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌均匀后得到所述环保透水混凝土。
实施例3
一种环保透水混凝土，其特征在于，包括如下按重量份计的各原料制成：水泥17份、粗骨料70份、亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络8份、废弃多孔陶粒15份、烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷2份、芴基磺酸盐类减水剂1.5份、水11份。
所述粗骨料为建筑垃圾再生料；所述建筑垃圾再生料为经过分选后的废弃混凝土；所述粗骨料的粒径为8mm。所述废弃多孔陶粒的规格为K3，为中国科学院广州能源研究所提供。
所述烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷的制备方法，包括：将硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷加入到有机溶剂中，在75℃下搅拌反应5小时，后旋蒸除去溶剂，得到烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷；所述硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷、有机溶剂的摩尔比为2:1:12；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
所述芴基磺酸盐类减水剂的制备方法，包括：将9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂加入到二甲亚砜中，在75℃下搅拌反应6.5小时，后旋蒸除去二甲亚砜，将得到的产品溶于水中，置于透析袋中于去离子水中透析12小时，后旋蒸除去透析袋内的水，得到芴基磺酸盐类减水剂；所述9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂、二甲亚砜的摩尔比为1:1:1:8；所述碱性催化剂为碳酸钠。
一种所述环保透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌均匀后得到所述环保透水混凝土。
实施例4
一种环保透水混凝土，其特征在于，包括如下按重量份计的各原料制成：水泥19份、粗骨料75份、亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络9份、废弃多孔陶粒18份、烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷2.5份、芴基磺酸盐类减水剂1.8份、水12份。
所述粗骨料为碎石、碎卵石、建筑垃圾再生料按质量比1:2:4混合形成的混合物；所述建筑垃圾再生料为经过分选后的废弃砖石；所述粗骨料的粒径为9mm；所述废弃多孔陶粒的规格为K1，为中国科学院广州能源研究所提供。
所述烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷的制备方法，包括：将硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷加入到有机溶剂中，在78℃下搅拌反应5.5小时，后旋蒸除去溶剂，得到烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷；所述硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷、有机溶剂的摩尔比为2:1:14；所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲亚砜按质量比1:2:1:3混合形成的混合物。
所述芴基磺酸盐类减水剂的制备方法，包括：将9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂加入到二甲亚砜中，在79℃下搅拌反应7.5小时，后旋蒸除去二甲亚砜，将得到的产品溶于水中，置于透析袋中于去离子水中透析13.5小时，后旋蒸除去透析袋内的水，得到芴基磺酸盐类减水剂；所述9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂、二甲亚砜的摩尔比为1:1:1.1:9.5；所述碱性催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾按质量比1:2:3:2混合形成的混合物。
一种所述环保透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌均匀后得到所述环保透水混凝土。
实施例5
一种环保透水混凝土，其特征在于，包括如下按重量份计的各原料制成：水泥20份、粗骨料80份、亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络10份、废弃多孔陶粒20份、烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷3份、芴基磺酸盐类减水剂2份、水13份。
所述粗骨料为碎石；所述粗骨料的粒径为10mm；所述废弃多孔陶粒的规格为K2，为中国科学院广州能源研究所提供。
所述烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷的制备方法，包括：将硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷加入到有机溶剂中，在80℃下搅拌反应6小时，后旋蒸除去溶剂，得到烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷；所述硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷、有机溶剂的摩尔比为2:1:15；所述有机溶剂为二甲亚砜。
所述芴基磺酸盐类减水剂的制备方法，包括：将9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂加入到二甲亚砜中，在80℃下搅拌反应8小时，后旋蒸除去二甲亚砜，将得到的产品溶于水中，置于透析袋中于去离子水中透析14小时，后旋蒸除去透析袋内的水，得到芴基磺酸盐类减水剂；所述9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂、二甲亚砜的摩尔比为1:1:1.2:10；所述碱性催化剂为氢氧化钠。
一种所述环保透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌均匀后得到所述环保透水混凝土。
对比例1
一种环保透水混凝土，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于，用碳纳米纤维代替亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络。
对比例2
一种环保透水混凝土，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于，没有添加烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷。
对比例3
一种环保透水混凝土，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于，采用萘系减水剂代替芴基磺酸盐类减水剂；所述萘系减水剂，济南晴天化工科技有限公司提供，型号PDN-C，褐黄色粉末，工业级。
将实施例1-5和对比例1-3所述环保透水混凝土样品进行性能测试，测试结果见表1；测试方法如下：
(1)根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》检测透水混凝土的28d抗压强度(MPa)。
(2)根据GB/T25993-2010《标准透水水泥混凝土透水系数试验装置说明书》检测透水混凝土的透水系数(mm/s)。
(3)采用GB/T50082-2009标准中的快速冻融循环实验方法。
表1
Figure BDA0003367527060000071
从表1可见，本发明实施例公开的环保透水混凝土，与对比例产品相比，具有更加优异的抗压强度、透水性和抗冻融性，这是各原料协同作用的结果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种环保透水混凝土，其特征在于，由如下按重量份计的各原料制成：水泥15-20份、粗骨料60-80份、亲水性氮掺杂碳纳米纤维致密网络5-10份、废弃多孔陶粒10-20份、烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷1-3份、芴基磺酸盐类减水剂1-2份、水8-13份；
所述烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷的制备方法为：将硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷加入到有机溶剂中，在70-80℃下搅拌反应4-6小时，后旋蒸除去溶剂，得到烷氧基改性2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷；
所述芴基磺酸盐类减水剂的制备方法为：将9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂加入到二甲亚砜中，在70-80℃下搅拌反应5-8小时，后旋蒸除去二甲亚砜，将得到的产品溶于水中，置于透析袋中于去离子水中透析10-14小时，后旋蒸除去透析袋内的水，得到芴基磺酸盐类减水剂；
所述硅烷偶联剂KH-560、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷、有机溶剂的摩尔比为2:1:(9-15)；所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲亚砜中的至少一种；所述9,9-二[(2,3-环氧丙氧基)苯基]芴、联苯胺双磺酸、碱性催化剂、二甲亚砜的摩尔比为1:1:(0.8-1.2):(6-10)；所述碱性催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种环保透水混凝土，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种环保透水混凝土，其特征在于，所述粗骨料为碎石、碎卵石、建筑垃圾再生料中的至少一种；所述粗骨料的粒径为5-10mm。
4.根据权利要求3所述的一种环保透水混凝土，其特征在于，所述建筑垃圾再生料为经过分选后的废弃混凝土和/或废弃砖石。
5.根据权利要求1所述的一种环保透水混凝土，其特征在于，所述废弃多孔陶粒的孔隙率为80-90%。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述环保透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌均匀后得到所述环保透水混凝土。
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