CN115536344A - 一种高强度透水混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及混凝土领域，具体公开了一种高强度透水混凝土及其制备方法。透水混凝土包括以下重量份的组分：水泥230‑240份、矿粉148‑152份、粉煤灰45‑55份、砂子210‑220份、石子1500‑1540份、减水剂7.0‑7.6份、水116‑124份、胶乳聚合物20‑25份、葡萄糖酸钠0.69‑0.72份、荷叶疏水剂9.2‑9.6份和纤维素纳米晶体0.46‑0.52份；其制备方法为：先将纤维素纳米晶体和水总量的40‑50%混合搅拌，然后超声分散，之后再与其余所有原料混合搅拌。本申请的透水混凝土在保证透水率和透水效果的同时，兼具了较高的力学性能和耐久性，可应用范围较广。
Description
技术领域
本申请涉及混凝土领域，更具体地说，它涉及一种高强度透水混凝土及其制备方法。
背景技术
透水混凝土是由欧美、日本等国家针对原城市道路的路面缺陷，开发使用的一种铺装材料。该铺装材料主要包括骨料、水泥、增强剂和水等组分，具有透气、透水和重量轻的特点。将其铺设在路面上，能够让雨水流入地下，有效补充地下水，缓解城市地下水位急剧下降等一些城市环境问题，同时还能够保护地下水、保持土壤湿度、维护生态平衡、缓解城市的热岛效应，对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重要意义。
但是，由于透水混凝土具有15-25％左右的孔隙，使得其相比于普通混凝土，存在强度较低、耐久性较差、可应用范围较小、成本较高等缺陷。因此，如何较大程度的提高透水混凝土的强度是目前混凝土领域需要不断研究的重要方向。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供一种高强度透水混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供的一种高强度透水混凝土，采用如下的技术方案：
一种高强度透水混凝土，所用原料包括以下重量份的组分：
水泥 230-240份；
矿粉 148-152份；
粉煤灰 45-55份；
砂子 210-220份；
石子 1500-1540份；
减水剂 7.0-7.6份；
水 116-124份；
胶乳聚合物 20-25份；
葡萄糖酸钠 0.69-0.72份；
荷叶疏水剂 9.2-9.6份；
纤维素纳米晶体 0.46-0.52份。
通过采用上述技术方案，本申请采用矿粉、粉煤灰与水泥进行二次水化，改变了透水混凝土的内部化学组分，优化了其内部结构，增强了水泥基质与石子等骨料之间的界面过渡区的粘结力，提高了透水混凝土的力学性能。同时，本申请的纤维素纳米晶体可以吸附在水泥颗粒表面，对于水泥水化和矿粉、粉煤灰二次水化产生的C-S-H凝胶的形成和生长起到纳米晶核的作用，进一步促进了水泥的水化，并且纤维素纳米晶体还能够与矿粉、粉煤灰配合共同改善透水混凝土界面过渡区功能，从而进一步提高透水混凝土的力学性能。
本申请还采用荷叶疏水剂与减水剂混合搭配使用，可以在包裹石子等骨料的胶结层表面形成一种特殊的憎水膜，既可以使孔道内的水更加顺畅的通过，又可以提高透水混凝土的力学性能。
除此之外，本申请的胶乳聚合物可以与砂子、粉煤灰等组分发挥协同作用，增加石子等骨料之间的接触面积，并和水泥水化产物混合在一起，互相渗透形成胶乳网络，提高透水混凝土的力学性能。同时本申请还进一步利用葡萄糖酸钠的吸附和络合作用，与粉煤灰等组分协同增效，使得透水混凝土的内部结构更加密实，进一步提高了透水混凝土的力学性能。
综上所述，本申请采用矿粉、粉煤灰、减水剂、胶乳聚合物、葡萄糖酸钠、荷叶疏水剂和纤维素纳米晶体混合搭配使用，充分发挥协同增效的作用，使得本申请的透水混凝土在保证透水率和透水效果的基础上，能够具有较强的力学性能。
优选的，所述原料包括以下重量份的组分：
水泥 235份；
矿粉 150份；
粉煤灰 50份；
砂子 215份；
石子 1520份；
减水剂 7.3份；
水 120份；
胶乳聚合物 23.5份；
葡萄糖酸钠 0.7份；
荷叶疏水剂 9.4份；
纤维素纳米晶体 0.5份。
通过采用上述技术方案，本申请进一步控制透水混凝土中所用原料的使用量，使得各组分之间可以进一步发挥彼此的协同增效作用，从而进一步提高透水混凝土的力学性能。
优选的，所述胶乳聚合物采用丁苯胶乳。
通过采用上述技术方案，本申请的丁苯胶乳是由苯乙烯、丁二烯和水组成的高分子分散乳液，具有较高的粘结强度，优良的机械稳定性和化学稳定性。将其加入透水混凝土中，可以填充石子等骨料表面的微裂缝或缺陷，增强水泥等组分硬化形成的结构网络的强度，同时增加石子等骨料之间的接触面积，并和水泥水化产物混合在一起，互相渗透形成强度较高的胶乳网络，增强了透水混凝土的力学性能。
优选的，所述原料还包括11.5-12.0重量份的硅灰、0.8-0.9重量份的增塑剂和21-25重量份的聚丙烯仿钢纤维。
通过采用上述技术方案，本申请还采用硅灰、增塑剂和聚丙烯仿钢纤维混合搭配加入透水混凝土中，可以与粉煤灰、减水剂等组分发挥协同效果，增强水泥基质与石子等骨料之间的界面过渡区的粘结力，填充石子等骨料的微孔隙结构，从而增强了透水混凝土的力学性能。同时，本申请的聚丙烯仿钢纤维改善了聚丙烯纤维和钢纤维单独使用时所带来的缺陷，将其加入透水混凝土中，与聚丙烯纤维相比，更易分散在透水混凝土中；与钢纤维相比，不易生锈，降低了钢纤维生锈后产生微膨胀从而破坏胶结层与骨料界面粘结性能的可能性。
优选的，所述增塑剂包括重量比为1:(9-17)的己二酸二辛酯和环氧大豆油。
通过采用上述技术方案，本申请采用环氧大豆油作为主增塑剂，同时搭配己二酸二辛酯与环氧大豆油混合使用，可以进一步提高增塑剂对透水混凝土力学性能的增强作用，从而进一步提高透水混凝土的力学性能。
优选的，所述己二酸二辛酯和环氧大豆油的重量比为1:11。
通过采用上述技术方案，本申请进一步控制环氧大豆油和己二酸二辛酯的重量比，可以进一步提高增塑剂对透水混凝土力学性能的增强作用，从而进一步提高透水混凝土的力学性能。
优选的，所述纤维素纳米晶体采用以下方法改性：
先将体积比为1:(16-18):(4-6)的环氧基硅烷偶联剂、乙醇和水混合，并用冰乙酸调节pH值为4，持续搅拌1.5-2.0h，然后加入纤维素纳米晶体，搅拌反应20-24h，之后离心，洗涤，干燥，得到改性纤维素纳米晶体；其中，纤维素纳米晶体与环氧基硅烷偶联剂的用量比例为每1L环氧基硅烷偶联剂中加入0.2-0.4重量份的纤维素纳米晶体。
优选的，所述环氧基硅烷偶联剂采用2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷或γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
通过采用上述技术方案，本申请采用环氧基硅烷偶联剂作为改性剂对纤维素纳米晶体的表面进行化学修饰，降低了纤维素纳米晶体表面的极性，增强了疏水性，使得其更易均匀稳定的分散在水泥基体中，不易发生团聚，降低了其由于团聚而影响透水混凝土力学性能的可能性，从而进一步提高了透水混凝土的力学性能。
优选的，所述干燥的具体条件为：在60-65℃的温度下，真空干燥24-28h。
通过采用上述技术方案，本申请控制干燥过程的温度和时间，使得改性纤维素纳米晶体中的水分被充分去除，降低了水分残留对改性纤维素纳米晶体的性质产生影响的可能性。
第二方面，本申请提供一种高强度透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：
在25-30℃的温度下，先将纤维素纳米晶体和水总量的40-50％混合搅拌15-20min，然后超声分散30-40min，之后再与其余所有原料混合搅拌20-30min，得到高强度透水混凝土。
通过采用上述技术方案，本申请先将纤维素纳米晶体和部分水混合进行预分散，然后再进行超声分散，之后再与其余所有原料混合，可以使得纤维素纳米晶体更加均匀的分散在透水混凝土中，从而进一步提高了透水混凝土的力学性能。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请的透水混凝土在保证透水率和透水效果的同时，兼具了较高的力学性能和耐久性，可应用范围较广；
2.本申请的透水混凝土的制备方法，能够使得纳米纤维素晶体得到充分的分散，不易发生团聚；
3.本申请的透水混凝土的制备方法，步骤简单，原料易得，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
<物料来源>
本申请的水泥，产自金隅冀东集团滦县冀东水泥，型号PII42.5R，28d强度为55MPa；
本申请的矿粉，产自瑞丰钢铁，型号S95级，比表面积420m2/kg；
本申请的粉煤灰，产自唐山电厂，型号II级，细度25％；
本申请的砂子，采用迁西产铁选尾矿细砂，细度模数1.6-2.0；
本申请的石子，采用迁安产铁选尾矿废石，规格10-16mm，单位级；
本申请的减水剂，采用唐山冀东水泥外加剂公司生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率29％；
本申请的丁苯胶乳，购自佛山金佳新材料科技有限公司，型号LOTER518；
本申请的丁基胶乳，购自山东利尔新材股份有限公司，型号LE-50；
本申请的氯丁胶乳，购自济南裕才化工有限公司；
本申请的葡萄糖酸钠，购自山东金奥化工有限公司；
本申请的荷叶疏水剂，购自北京中科纳洁环保科学研究院；
本申请的纤维素纳米晶体，购自深圳华诺生物科技有限公司；
本申请的硅灰，购自灵寿县强东矿产品加工厂，规格1250目；
本申请的环氧大豆油，购自济南鑫科化工有限公司，环氧值6％；
本申请的己二酸二辛酯，购自济南广宇化工有限公司；
本申请的聚丙烯仿钢纤维，购自泰安同伴纤维有限公司，当量直径(0.8±0.2)mm，公称长度28-30mm；
本申请的2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷，γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，购自萨恩化学技术(上海)有限公司。
<制备例>
制备例1
改性纤维素纳米晶体制备方法如下：
先将10L的2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、180L乙醇和40L水混合，并用冰乙酸调节pH值为4，持续搅拌1.5h，然后加入2kg纤维素纳米晶体，搅拌反应20h，之后离心，用无水乙醇洗涤3次，在60℃的温度下，真空干燥24h，得到改性纤维素纳米晶体。
制备例2
改性纤维素纳米晶体制备方法如下：
先将10L的γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、160L乙醇和60L水混合，并用冰乙酸调节pH值为4，持续搅拌2.0h，然后加入4kg纤维素纳米晶体，搅拌反应24h，之后离心，用无水乙醇洗涤3次，在65℃的温度下，真空干燥28h，得到改性纤维素纳米晶体。
<实施例>
实施例1
一种高强度透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：
在25℃的温度下，先将0.46kg的纤维素纳米晶体和58kg的水混合搅拌15min，然后超声分散40min，之后再与230kg水泥、152kg矿粉、45kg粉煤灰、220kg砂子、1500kg石子、7.6kg聚羧酸高性能减水剂、25kg胶乳聚合物(氯丁胶乳)、0.69kg葡萄糖酸钠、9.6kg荷叶疏水剂、58kg水混合搅拌20min，得到高强度透水混凝土。
实施例2
一种高强度透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：
在30℃的温度下，先将0.52kg的纤维素纳米晶体和49.6kg的水混合搅拌20min，然后超声分散30min，之后再与240kg水泥、148kg矿粉、55kg粉煤灰、210kg砂子、1540kg石子、7.0kg聚羧酸高性能减水剂、20kg胶乳聚合物(丁基胶乳)、0.72kg葡萄糖酸钠、9.2kg荷叶疏水剂、74.4kg水混合搅拌30min，得到高强度透水混凝土。
实施例3
一种高强度透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：
在26℃的温度下，先将0.48kg的纤维素纳米晶体和53.1kg的水混合搅拌18min，然后超声分散36min，之后再与232kg水泥、151kg矿粉、57kg粉煤灰、219kg砂子、1503kg石子、7.5kg聚羧酸高性能减水剂、24kg胶乳聚合物(氯丁胶乳)、0.70kg葡萄糖酸钠、9.5kg荷叶疏水剂、64.9kg水混合搅拌26min，得到高强度透水混凝土。
实施例4
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例3的不同之处在于：水泥为235kg、矿粉为150kg、粉煤灰为50kg、砂子为215kg、石子为1520kg、减水剂为7.3kg、水为120kg、胶乳聚合物(氯丁胶乳)为23.5kg、葡萄糖酸钠为0.7kg、荷叶疏水剂为9.4kg、纤维素纳米晶体为0.5kg。
实施例5
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例3的不同之处在于：仅将氯丁胶乳替换为丁苯胶乳，其余均相同。
实施例6
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例3的不同之处在于：超声分散后进行混合的原料还包括11.5kg的硅灰、0.9kg的增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯)和21kg的聚丙烯仿钢纤维。
实施例7
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例3的不同之处在于：超声分散后进行混合的原料还包括12kg的硅灰、0.8kg的增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯)和25kg的聚丙烯仿钢纤维。
实施例8
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例3的不同之处在于：超声分散后进行混合的原料还包括5kg的硅灰、1.6kg的增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯)和14kg的聚丙烯仿钢纤维。
实施例9
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例3的不同之处在于：超声分散后进行混合的原料还包括20kg的硅灰、0.2kg的增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯)和31kg的聚丙烯仿钢纤维。
实施例10
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例3的不同之处在于：超声分散后进行混合的原料还包括12kg的硅灰、0.8kg的增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯)和25kg的聚丙烯纤维。
实施例11
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例3的不同之处在于：超声分散后进行混合的原料还包括12kg的硅灰、0.8kg的增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯)和25kg的钢纤维。
实施例12
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例7的不同之处在于：增塑剂采用重量比为1:9的己二酸二辛酯和环氧大豆油，其中己二酸二辛酯为0.08kg，环氧大豆油为0.72kg。
实施例13
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例7的不同之处在于：增塑剂采用重量比为1:17的己二酸二辛酯和环氧大豆油，其中己二酸二辛酯为0.044kg，环氧大豆油为0.756kg。
实施例14
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例13的不同之处在于：己二酸二辛酯和环氧大豆油的重量比为1:11，其中己二酸二辛酯为0.067kg，环氧大豆油为0.733kg。
实施例15
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例7的不同之处在于：增塑剂采用重量比为1:3的己二酸二辛酯和环氧大豆油，其中己二酸二辛酯为0.2kg，环氧大豆油为0.6kg。
实施例16
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例7的不同之处在于：增塑剂采用重量比为1:19的己二酸二辛酯和环氧大豆油，其中己二酸二辛酯为0.04kg，环氧大豆油为0.76kg。
实施例17
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例3的不同之处在于：纤维素纳米晶体采用制备例1制备的改性纤维素纳米晶体。
实施例18
一种高强度透水混凝土的制备方法，与实施例3的不同之处在于：纤维素纳米晶体采用制备例2制备的改性纤维素纳米晶体。
<对比例>
对比例1
与实施例3的不同之处在于：不加入纤维素纳米晶体，直接将其余所有原料混合搅拌。
对比例2
与实施例3的不同之处在于：超声分散后进行混合的原料中不加入荷叶疏水剂。
对比例3
与实施例3的不同之处在于：超声分散后进行混合的原料中不加入胶乳聚合物。
对比例4
与实施例3的不同之处在于：超声分散后进行混合的原料中不加入葡萄糖酸钠。
对比例5
与实施例3的不同之处在于：不对纤维素纳米晶体进行预分散及超声分散，直接将所有原料混合搅拌80min。
<性能检测>
1、参考GB/T 50081-2017《混凝土物理力学性能试验方法标准》对实施例1-18、对比例1-4制得的透水混凝土进行28d抗压强度和抗折强度检测，检测结果如表1所示；
2、参考CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中的恒定水头式试验法对实施例1-18、对比例1-4制得的透水混凝土进行28d透水系数检测，检测结果如表1所示。
表1性能检测结果表
从表1可以看出，本申请制得的透水混凝土28d抗压强度大于38MPa，28d抗折强度大于3.5MPa，透水系数在2.73-3.15mm/s的范围内，说明本申请制得的透水混凝土良好的平衡了透水性能和力学性能，在兼顾了透水效果的基础上，具有较高的力学性能。
实施例4的抗压强度和抗折强度均大于实施例3，说明本申请进一步控制透水混凝土原料的使用量，可以进一步提高透水混凝土的力学性能。
实施例5的抗压强度和抗折强度均大于实施例3，说明本申请进一步采用丁苯胶乳，可以进一步提高透水混凝土的力学性能。
实施例6-7的抗压强度和抗折强度均大于实施例3，说明本申请还向透水混凝土中加入硅灰、增塑剂和聚丙烯仿钢纤维，可以进一步增强透水混凝土的力学性能。
实施例8-9的抗压强度和抗折强度均大于实施例3，但是却小于实施例6-7，说明本申请进一步控制硅灰、增塑剂和聚丙烯仿钢纤维的使用量，可以进一步增强透水混凝土的力学性能。
实施例10-11的抗压强度和抗折强度均大于实施例3，但是却小于实施例6-7，说明本申请采用聚丙烯仿钢纤维可以改善单独使用聚丙烯纤维和钢纤维带来的缺陷，从而提高透水混凝土的力学性能。
实施例12-13的抗压强度和抗折强度均大于实施例7，说明本申请采用己二酸二辛酯和环氧大豆油混合作为增塑剂，可以进一步提高透水混凝土的力学性能。
实施例14的抗压强度和抗折强度均大于实施例7，实施例15-16的抗压强度和抗折强度均小于实施例7，说明本申请进一步控制己二酸二辛酯和环氧大豆油的重量比，可以进一步提高增塑剂对透水混凝土的增强效果，从而提高透水混凝土的力学性能。
实施例17-18的抗压强度和抗折强度均大于实施例3，说明本申请对纤维素纳米晶体进行改性处理，可以进一步提高透水混凝土的力学性能。
对比例1-4的抗压强度和抗折强度均小于实施例3，说明本申请是利用纤维素纳米晶体、荷叶疏水剂、胶乳聚合物、葡萄糖酸钠与粉煤灰、减水剂、矿粉等组分的协同增效作用，使得透水混凝土的力学性能得到增强。
对比例5的抗压强度和抗折强度均小于实施例3，说明本申请先对纳米纤维素晶体进行预分散，可以使得其在透水混凝土中分散的更加均匀，从而增强透水混凝土的力学性能。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强度透水混凝土，其特征在于，所用原料包括以下重量份的组分：
水泥230-240份；
矿粉148-152份；
粉煤灰45-55份；
砂子210-220份；
石子1500-1540份；
减水剂7.0-7.6份；
水116-124份；
胶乳聚合物20-25份；
葡萄糖酸钠0.69-0.72份；
荷叶疏水剂9.2-9.6份；
纤维素纳米晶体0.46-0.52份。
2.根据权利要求1所述的一种高强度透水混凝土，其特征在于，所述原料包括以下重量份的组分：
水泥235份；
矿粉150份；
粉煤灰50份；
砂子215份；
石子1520份；
减水剂7.3份；
水120份；
胶乳聚合物23.5份；
葡萄糖酸钠0.7份；
荷叶疏水剂9.4份；
纤维素纳米晶体0.5份。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强度透水混凝土，其特征在于，所述胶乳聚合物采用丁苯胶乳。
4.根据权利要求1所述的一种高强度透水混凝土，其特征在于，所述原料还包括11.5-12.0重量份的硅灰、0.8-0.9重量份的增塑剂和21-25重量份的聚丙烯仿钢纤维。
5.根据权利要求4所述的一种高强度透水混凝土，其特征在于，所述增塑剂包括重量比为1:（9-17）的己二酸二辛酯和环氧大豆油。
6.根据权利要求5所述的一种高强度透水混凝土，其特征在于，所述己二酸二辛酯和环氧大豆油的重量比为1:11。
7.根据权利要求1所述的一种高强度透水混凝土，其特征在于，所述纤维素纳米晶体采用以下方法改性：
先将体积比为1:（16-18）:（4-6）的环氧基硅烷偶联剂、乙醇和水混合，并用冰乙酸调节pH值为4，持续搅拌1.5-2.0h，然后加入纤维素纳米晶体，搅拌反应20-24h，之后离心，洗涤，干燥，得到改性纤维素纳米晶体；其中，纤维素纳米晶体与环氧基硅烷偶联剂的用量比例为每1L环氧基硅烷偶联剂中加入0.2-0.4重量份的纤维素纳米晶体。
8.根据权利要求7所述的一种高强度透水混凝土，其特征在于，所述环氧基硅烷偶联剂采用2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷或γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
9.根据权利要求7所述的一种高强度透水混凝土，其特征在于，所述干燥的具体条件为：在60-65℃的温度下，真空干燥24-28h。
10.一种权利要求1-9任一项所述的高强度透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在25-30℃的温度下，先将纤维素纳米晶体和水总量的40-50%混合搅拌15-20min，然后超声分散30-40min，之后再与其余所有原料混合搅拌20-30min，得到高强度透水混凝土。
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