CN115043631A - 一种生态透水混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种生态透水混凝土，其包括如下重量份的原料：水泥：100～150份；再生粗骨料：230～300份；细骨料：60～80份；减水剂：1～2份；水：40～50份；多孔陶粒：40～70份；所述多孔陶粒由包括如下重量份的原料烧制得到：页岩矿渣：30～50份；铝矾土：5～10份；黏土：3～7份；水镁石：5～10份。本申请制得的生态透水混凝土能够实现透水性能和强度性能的有效平衡，提高混凝土的耐久性。

Description

一种生态透水混凝土及其制备方法
技术领域
本申请涉及混凝土领域，尤其是涉及一种生态透水混凝土及其制备方法。
背景技术
生态透水混凝土是适应城市化进程的新型混凝土，其具有优良的液体透过滤，能够有效的减少雨水、城市污水的积聚，降低城市内涝灾害产生的概率，同时，能够有效促进城市绿化植被的生长，提升城市形象。
再生骨料因具有良好的孔隙率，因而能够有效的应用于生态混凝土体系，以提高其透水率。然而生态混凝土本身的高孔隙率再叠加再生骨料的低强度特性，导致生态混凝土强度问题突出，不利于提高其耐久性。
发明内容
本申请提供一种生态透水混凝土及其制备方法，能够在保障混凝土透水率的前提下，有效保障其强度性能。
第一方面，本申请提供一种生态透水混凝土，其包括如下重量份的原料：
水泥：100～150份；
再生粗骨料：230～300份；
细骨料：60～80份；
减水剂：1～2份；
水：40～50份；
多孔陶粒：40～70份；
所述多孔陶粒由包括如下重量份的原料烧制得到：
页岩矿渣：30～50份；
铝矾土：5～10份；
黏土：3～7份；
水镁石：5～10份。
本申请上述方案中，减少了细骨料用量且采用了大量再生粗骨料，有效的提高了混凝土结构的孔隙率，促进了透水率的提升。同时，为解决混凝土强度性能的下降，本申请采用了多孔陶粒进行强度补偿。
具体的，该多孔陶粒由页岩矿渣、铝矾土为主要原料，以粘土为粘合剂，以水镁石为致孔剂，经过造粒和高温煅烧烧制得到。该多孔陶粒由于原料中含有的大量氧化铝、氧化钙、氧化硅、氧化镁等物质，烧制后形成具有优异强度的陶粒，同时致孔剂的存在使得其具有较高的孔隙率，保障其透水率。
可选的，所述多孔陶粒按照如下方法制备得到：
预混：取70～85wt％的页岩矿渣与铝矾土、水镁石、粘土混合均匀，得到预混合料，备用；造粒：将预混料加入滚筒造粒机，加入预混料重量5～10％的水进行造粒，得到粒径为2～10mm的坯料，烘干至含水率＜5％；
包覆：取剩余的页岩矿渣与坯料混合后加入滚筒造粒机，加入剩余页岩矿渣重量5～10％的水继续造粒并形成包覆层，制得陶粒；
烧结：将陶粒置于500～1250℃下煅烧,烧结后冷却降温，得到多孔陶粒。
上述技术方案中，通过造粒和包覆工艺，得到具有核壳结构的陶粒，陶粒在高温煅烧过程中熔融成玻璃状晶体，冷却后赋予陶粒优越的强度性能。另外，陶粒的坯料在煅烧过程中，其含有的水镁石在高温下分解产生氧化镁，并释放出结晶水，氧化镁具有助熔作用，而结晶水形成水蒸气并在陶粒内部积聚，气压逐渐增加，进而在陶粒上形成贯通或非贯通的气孔结构，促进其透水率的提高。由此，该多孔陶粒既起到提高透水率的作用，又起到补强效果。
可选的，所述烧结步骤中，所述烧结步骤中，将陶粒先置于500～800℃下煅烧15～30min，然后升温至1000～1250℃煅烧15～30min,冷却降温，得到多孔陶粒。
烧结工序中，由于陶粒内外受热不同，其温升速率差距较大。因此，初始煅烧温度较高，将使得陶粒包覆层快速熔融成晶体，而坯料中的水镁石尚未达到分解温度，不利于水分的脱除和水蒸气的产生，因此不利于形成贯穿包覆层的气孔，影响其透水率。
上述方案中，通过将陶粒先置于较低煅烧温度下，使得包覆层和坯料温度进行预热，降低内外温差。然后在较高煅烧温度下，有效平衡陶粒内部气体积聚的速度与包覆层熔融速度，促进贯穿型气孔的形成，实现混凝土透水率的提高。
可选的，所述多孔陶粒的原料还包括1～5重量份的木粉。
木粉在烧结过程中极易被烧除，从而在陶粒中产生孔隙结构，有利于提高最终多孔陶粒的孔隙率，进而提高混凝土的透水率。
可选的，所述生态透水混凝土的原料还包括3～6份的硅烷偶联剂。
上述技术方案中，硅烷偶联剂有利于增加多孔陶粒与混凝土骨架结构的连接强度，减少因水溶液渗透或冲刷导致的脱落现象，有利于保障混凝土的强度和耐用性。
可选的，所述生态混凝土的原料还包括1～3份的聚丙烯纤维。
聚丙烯纤维加入混凝土体系后，能够分散于混凝土骨架中，并利用其优异的韧性和强度性能起到增强增韧作用。同时，降低混凝土因外界因素造成的孔隙或强度下降的概率，提高其耐用性，延长其使用寿命。
可选的，所述聚丙烯纤维由如下原料经熔融纺丝工艺制得：
木质素：5～10份；
马来酸酐接枝聚丁二烯：5～10份；
聚丙烯：75～90份。
聚丙烯纤维对光照耐受性差，其聚丙烯链在光热条件下极易发生断裂，导致聚丙烯纤维强度等性能下降，尤其本申请混凝土孔隙率高，光热阻隔能力相对较差，不利于保护聚丙烯纤维，保障透水混凝土的强度性能。
为解决上述问题，本申请首先采用木质素对聚丙烯进行共混改性，利用木质素分子中含有的大量酚羟基等抗氧化基团，有效捕捉聚丙烯中产生的自由基，抑制自由基产生的链增长、链断裂现象，保障聚丙烯的强度性能，从而保障混凝土的耐久性。
需要说明的是，木质素的共混会导致聚丙烯自身断裂强度、拉伸轻度等强度性能的下降，不利于提高混凝土的强度。本申请加入的来酸酐接枝聚丁二烯，其分子链上随机分布有活性酸酐基团，使得其与木质素和聚丙烯分子均有较好的相容性，能够起到增强增韧作用，有效补偿因木质素掺入导致的强度的下降。另外，马来酸酐接枝聚丁二烯的酸酐基团使得其与混凝土水化产物中的硅羟基具有一定的反应活性，有利于提高聚丙烯纤维与混凝土的连接强度。
本申请的马来酸酐接枝聚丁二烯可采用马来酸酐化聚丁二烯、马来酸酐改性聚丁二烯颗粒或马来酸酐改性液体聚丁二烯。
可选的，所述木质素按照如下方法改性得到：
将木质素加入异丙醇水溶液中，调节溶液pH值至3～5，于搅拌条件下加入联苯二甲酸，反应2～3h，经沉淀、洗涤、干燥得到改性木质素。
上述技术方案中，对木质素进行疏水改性，有助于降低木质素的极性，提高其与聚丙烯的相容性，促进木质素在聚丙烯中的分散，最终共混得到强度性能更为突出的聚丙烯纤维。
具体的，上述改性中，联苯二甲酸中的羧酸基团在酸性条件与木质素上的酚羟基发生酯化反应，从而使得联苯二甲酸接枝于木质素上，有效降低其极性。
可选的，所述木质素与联苯二甲酸的质量比为(3～5):1。
上述技术方案中，适量联苯二甲酸可在保障木质素抗氧化能力的前提下，有效提高其与聚丙烯的相容性，从而得到强度性能更为突出的聚丙烯纤维及混凝土。
第二方面，本申请提供一种生态透水混凝土的制备方法，其包括如下步骤：
共混：将多孔陶粒与硅烷偶联剂共混，搅拌均匀，制得共混料；
拌合：将水泥、粗骨料、细骨料、共混料以及其他原料加入水中，拌合均匀，得到生态透水混凝土。
上述制备得到的混凝土不仅具有优异的透水性能，同时具有较高的强度性能和耐久性。
综上所述，本申请具有如下效果：
1、本申请通过采用烧制工艺，制备得到了具有优异透水性能和强度性能的多孔陶粒，将其填充于混凝土骨架结构中，能够在保障混凝土透水性能的同时，有效提高其强度性能。
2、本申请中通过采用由木质素、聚丙烯与马来酸酐接枝聚丁二烯熔融共混、挤出得到的聚丙烯纤维，显著的提高了混凝土强度，且增强了其强度性能的耐久性。
3、本申请聚丙烯共混改性通过采用疏水改性的木质素，有效的提高了改性后聚丙烯纤维的强度性能，进而提高了混凝土的强度性能和耐久性能。
具体实施方式
制备例1
制备例1-1
一种多孔陶粒，按照如下步骤制得：
预混：取80wt％的页岩矿渣与铝矾土、水镁石、木粉、粘土混合均匀，得到预混合料，备用；造粒：将预混料加入滚筒造粒机，加入预混料重量10％的水进行造粒，筛选得到粒径为2～10mm的坯料，烘干至含水率＜5％；
包覆：取剩余的20wt％页岩矿渣与坯料混合后加入滚筒造粒机，加入剩余页岩矿渣重量10％的水继续造粒并形成包覆层，制得陶粒；
烧结：将陶粒先置于650℃下煅烧20min，然后升温至1150℃煅烧25min,通过风冷将陶粒冷却降至室温(30±5℃)，得到多孔陶粒。
制备例1-2，一种多孔陶粒，按照如下步骤制得：
预混：取70wt％的页岩矿渣与铝矾土、水镁石、木粉、粘土混合均匀，得到预混合料，备用；造粒：将预混料加入滚筒造粒机，加入预混料重量5％的水进行造粒，筛选得到粒径为2～10mm的坯料，烘干至含水率＜5％；
包覆：取剩余的30wt％页岩矿渣与坯料混合后加入滚筒造粒机，加入剩余页岩矿渣重量10％的水继续造粒并形成包覆层，制得陶粒；
烧结：将陶粒先置于500℃下煅烧30min，然后升温至1250℃煅烧15min,通过风冷将陶粒冷却降至室温(30±5℃)，得到多孔陶粒。
制备例1-3
一种多孔陶粒，按照如下步骤制得：
预混：取85wt％的页岩矿渣与铝矾土、水镁石、木粉、粘土混合均匀，得到预混合料，备用；造粒：将预混料加入滚筒造粒机，加入预混料重量10％的水进行造粒，筛选得到粒径为2～10mm的坯料，烘干至含水率＜5％；
包覆：取剩余的15wt％页岩矿渣与坯料混合后加入滚筒造粒机，加入剩余页岩矿渣重量10％的水继续造粒并形成包覆层，制得陶粒；
烧结：将陶粒先置于800℃下煅烧15min，然后升温至1000℃煅烧30min,通过风冷将陶粒冷却降至室温(30±5℃)，得到多孔陶粒。
表1、多孔陶粒原料配比(kg)
Figure BDA0003741326040000051
制备例1-4
一种多孔陶粒，与制备例1-1的区别在于，烧结步骤不同且具体操作如下：将陶粒置于1150℃下煅烧45min,完成煅烧，然后通过风冷将陶粒冷却降至室温(30±5℃)，得到多孔陶粒。
制备例1-5
一种多孔陶粒，与制备例1-1的区别在于，不进行包覆步骤，具体制备步骤如下：
预混：将全部用量的页岩矿渣与铝矾土、水镁石、木粉、粘土混合均匀，得到预混合料，备用；
造粒：将预混料加入滚筒造粒机，加入预混料重量10％的水进行造粒，筛选得到粒径为2～10mm的坯料，烘干至含水率＜5％，制得陶粒；
烧结：将陶粒先置于650℃下煅烧20min，然后升温至1150℃煅烧25min,通过风冷将陶粒冷却降至室温(30±5℃)，得到多孔陶粒。
制备例1-6
一种多孔陶粒，与制备例1-1的区别在于，其原料中采用等量的页岩矿渣替代木粉。
制备例1-7
一种多孔陶粒，与制备例1-1的区别在于，其原料中采用等量的页岩矿渣替代铝水镁石。
制备例2
制备例2-1
一种聚丙烯纤维，按照如下步骤制备得到：
木质素改性：将4㎏木质素加入12L异丙醇水溶液中，调节溶液pH值至4，于300rpm的转速下，加入1㎏4,4’-联苯二甲酸，反应3h，采用氨水溶液对反应产物进行沉淀，用乙醇洗去沉淀上未反应的4,4’-联苯二甲酸，放入恒温箱中干燥，得到改性后的木质素。
熔融共混：将17㎏聚丙烯(熔融指数25g/10min)、1.6㎏上述改性后的木质素与1.4㎏马来酸酐改性聚丁二烯(酸值100～150、粘度10000～18000)混合均匀，经熔融纺丝，得到纤度为10D，长度为45±5mm的聚丙烯纤维。
制备例2-2
一种聚丙烯纤维，按照如下步骤制备得到：
木质素改性：将3㎏木质素加入10L异丙醇水溶液中，调节溶液pH值至5，于200rpm的转速下，加入1㎏4,4’-联苯二甲酸，反应4h，采用氨水溶液对反应产物进行沉淀，用乙醇洗去沉淀上未反应的4,4’-联苯二甲酸，放入恒温箱中干燥，得到改性后的木质素。
熔融共混：将15㎏聚丙烯(熔融指数35g/10min)、1㎏上述改性后的木质素与1㎏马来酸酐改性聚丁二烯(酸值100～150、粘度100000～150000)混合均匀，经熔融纺丝，得到纤度为20D，长度为35±5mm的聚丙烯纤维。
制备例2-3
一种聚丙烯纤维，按照如下步骤制备得到：
木质素改性：将5㎏木质素加入15L异丙醇水溶液中，调节溶液pH值至3，于300rpm的转速下，加入1㎏4,4’-联苯二甲酸，反应3h，采用氨水溶液对反应产物进行沉淀，用乙醇洗去沉淀上未反应的4,4’-联苯二甲酸，放入恒温箱中干燥，得到改性后的木质素。
熔融共混：将18㎏聚丙烯(熔融指数20g/10min)、2㎏上述改性后的木质素与2㎏马来酸酐改性液体聚丁二烯(德固赛MA-75)混合均匀，经熔融纺丝，得到纤度为15D，长度为35±5mm的聚丙烯纤维。
制备例2-4
一种聚丙烯纤维，与制备例2-1的区别在于，熔融共混步骤中采用等量木质素替代马来酸酐改性聚丁二烯。
制备例2-5
一种聚丙烯纤维，与制备例2-1的区别在于，不进行木质素改性步骤，且熔融共混步骤中采用等量马来酸酐改性聚丁二烯替代木质素。
制备例2-6
一种聚丙烯纤维，与制备例2-1的区别在于，不进行木质素改性步骤，且熔融共混步骤中采用等量聚丙烯替代木质素和马来酸酐改性聚丁二烯。
制备例2-7
一种聚丙烯纤维，与制备例2-1的区别在于，不进行木质素改性步骤，采用未经改性的常规碱性木质素替代联苯二甲酸改性后的木质素。
实施例
实施例1，一种生态透水混凝土，按照如下方法制备得到：
共混：将制备例1-1制得的多孔陶粒与KH-540共混，搅拌30min，制得共混料；
拌合：将水泥、粗骨料、细骨料、共混料、减水剂与制备例2-1制得的聚丙烯纤维加入水中，拌合均匀，得到生态透水混凝土。
实施例2～3，一种态透水混凝土，与实施例1的区别在于，原料配比如表2所示，且实施例2采用中制备例1-2制得的多孔陶粒和制备例2-2制得的聚丙烯纤维；实施例3采用中制备例1-3制得的多孔陶粒和制备例2-3制得的聚丙烯纤维。
表2、实施例1～3混凝土原料配比
Figure BDA0003741326040000071
表2中，水泥为符合GB/T 175-2011标准的42.5级硅酸盐水泥，再生粗骨料粒径为10～35mm。
实施例4，一种态透水混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例1-4制得的多孔陶粒。
实施例5，一种态透水混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例1-5制得的多孔陶粒。
实施例6，一种态透水混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例1-6制得的多孔陶粒。
实施例7，一种态透水混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例2-4制得的聚丙烯纤维。
实施例8，一种态透水混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例2-5制得的聚丙烯纤维。
实施例9，一种态透水混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例2-6制得的聚丙烯纤维。
实施例10，一种态透水混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例2-7制得的聚丙烯纤维。
实施例11，一种态透水混凝土，与实施例1的区别在于，采用等量制备例1-1制得的多孔陶粒替代聚丙烯纤维。
对比例
对比例1，一种态透水混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例1-7制得的多孔陶粒。
对比例2，一种态透水混凝土，与实施例1的区别在于，采用等量细骨料替代制备例1-1制得的多孔陶粒。
性能检测试验
试验1：混凝土透水性能测试试验方法：参照GB/T 25993-2010《透水路面砖和透水路面板》中的规定，将上述实施例和对比例所得的混凝土制成200mm×100mm×60mm的试块，养护28天后，按照国标附录C中的方法测定试块的透水系数，试验结果如表3所示。
试验2：混凝土强度性能测试试验方法：参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的规定，将上述实施例和对比例中的生态透水混凝土制成尺寸为100mm×100mm×100mm的试样，并进行抗压强度(M0)和抗折强度(N0)测试，试验结果如表3所示。
表3、混凝土透水性能和强度性能测试结果
Figure BDA0003741326040000091
结果分析：
1、结合实施例1～10和对比例2并结合表3可以看出，本申请通过采用多孔陶粒，利用其烧结后的高强特性和多孔特性，能够在保障混凝土透水性能的前提下，可有效提高透水混凝土的力学强度。
2、结合实施例1和对比例1并结合表3可以看出，本申请多孔陶粒原料中水镁石对其烧结后透水性能的获得具有决定性作用。其原因可能在于，水镁石在煅烧过程中将分解产生氧化镁和水蒸气，从而在陶粒内部积聚形成高压气体，进而在陶粒内形成穿出于陶粒表层的气孔。
3、结合实施例1和实施例4、5并结合表3可以看出，本申请多孔陶粒制备工艺中包覆工艺和多段烧制工艺(先低温后高温)对其烧结后透水性能的获得具有重要作用。其原因可能在于，包覆能够在坯料表面形成一层包覆层，若始煅烧温度较高，将使得陶粒包覆层快速熔融成晶体，而坯料中的水镁石尚未达到分解温度，不利于水分的脱除和水蒸气的产生，因此不利于形成贯穿包覆层的气孔。
而先进行低温煅烧，对陶粒具有预热作用，能够使坯料与包覆层升温速率较为一致；在后续高温煅烧时，有利于平衡陶粒内部气体积聚的速度与包覆层熔融速度，促进贯穿型气孔的形成。因此，包覆和多段烧制工艺与水镁石具有协同作用，实现在保障混凝土透水性能的前提下，有效提高混凝土的透水性能。
4、结合实施例1和实施例7～11并结合表3可以看出，本申请聚丙烯纤维的原料中，木质素的增加或者木质素未进行改性均不利于提高混凝土的力学强度，而马来酸酐接接枝聚丁二烯的加入，可促进混凝土力学强度的增长。
上述现象的原因可能在于，聚丙烯纤维对混凝土骨料具有良好的连接作用，能够促进混凝土抗压强度和抗折强度的提升。木质素作为极性物质，其与聚丙烯的相容性较差，因此加入木质素将导致聚丙烯强度性能的下降，进而不利于提高混凝土强度性能。联苯二甲酸改性有助于降低木质素极性，从而改善其与聚丙烯的相容性，而马来酸酐接枝聚丁二烯有助于补偿木质素加入导致的聚丙烯纤维强度性能的损失，最终促进混凝土强度的提升。
试验3：混凝土耐久性测试试验方法：按照试验2中的规定制得同规格试块，然后将试块置于氙灯加速老化箱中进行加速老化,辐照强度60W/㎡，照射1000h后，再次测量其抗压强度(M1)与抗折强度(N1)，按照1-(M1/M0)、1-(N1/N0)分别测得抗压强度和抗折强度下降率，测试结果如表4所示。
表4、混凝土耐久性测试结果
Figure BDA0003741326040000101
试验结果分析：
结合实施例1和对比例7～11并结合表4可以看出，通过在聚丙烯纤维中添加木质素或联苯二甲酸改性后的木质素能够有效提高混凝土的耐久性。其原理可能在于，木质素分子链中含有较多的酚羟基，能够有效捕捉自由基，减少光热下自由基对聚丙烯分子链的损坏，从而保障混凝土的强度性能。
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 (10)

1.一种生态透水混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料：
水泥：100～150份；
再生粗骨料：230～300份；
细骨料：60～80份；
减水剂：1～2份；
水：40～50份；
多孔陶粒：40～70份；
所述多孔陶粒由包括如下重量份的原料烧制得到：
页岩矿渣：30～50份；
铝矾土：5～10份；
黏土：3～7份；
水镁石：5～10份。
2.根据权利要求1所述的一种生态透水混凝土，其特征在于，所述多孔陶粒按照如下方法制备得到：
预混：取70～85wt％的页岩矿渣与铝矾土、水镁石、粘土混合均匀，得到预混合料，备用；
造粒：将预混料加入滚筒造粒机，加入预混料重量5～10％的水进行造粒，得到粒径为2～10mm的坯料，烘干至含水率＜5％；
包覆：取剩余的页岩矿渣与坯料混合后加入滚筒造粒机，加入剩余页岩矿渣重量5～10％的水继续造粒并形成包覆层，制得陶粒；
烧结：将陶粒置于500～1250℃下煅烧,烧结后冷却降温，得到多孔陶粒。
3.根据权利要求2所述的一种生态透水混凝土，其特征在于，所述烧结步骤中，将陶粒先置于500～800℃下煅烧15～30min，然后升温至1000～1250℃煅烧15～30min,冷却降温，得到多孔陶粒。
4.根据权利要求1所述的一种生态透水混凝土，其特征在于，所述多孔陶粒的原料还包括1～5重量份的木粉。
5.根据权利要求1所述的一种生态透水混凝土，其特征在于，所述生态透水混凝土的原料还包括3～6份的硅烷偶联剂。
6.根据权利要求1所述的一种生态透水混凝土，其特征在于，所述生态混凝土的原料还包括1～3份的聚丙烯纤维。
7.根据权利要求6所述的一种生态透水混凝土，其特征在于，所述聚丙烯纤维由如下原料经熔融纺丝工艺制得：
木质素：5～10份；
马来酸酐接枝聚丁二烯：5～10份；
聚丙烯：75～90份。
8.根据权利要求7所述的一种生态透水混凝土，其特征在于，所述木质素按照如下方法改性得到：
将木质素加入异丙醇水溶液中，调节溶液pH值至3～5，于搅拌条件下加入联苯二甲酸，反应2～3h，经沉淀、洗涤、干燥得到改性木质素。
9.根据权利要求8所述的一种生态透水混凝土，其特征在于，所述木质素与联苯二甲酸的质量比为(3～5):1。
10.权利要求1～9任一项所述的一种生态透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
共混：将多孔陶粒与硅烷偶联剂共混，搅拌均匀，制得共混料；
拌合：将水泥、粗骨料、细骨料、共混料以及其他原料加入水中，拌合均匀，得到生态透水混凝土。
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