CN116947447A - 一种磷石膏透水材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及透水材料技术领域，提供一种磷石膏透水材料及其制备方法和应用，该方法是以石膏粉、石膏缓凝剂和水为主要原料进行拌合后磨合，磨合后立即再加入水用于造粒得骨料坯，所述骨料坯立即入模、振捣和硬化得所述透水材料，所述原料中不含有外掺胶凝剂，控制所述拌合开始时至所述振捣开始时的时间为≤10min，使所述骨料坯在所述振捣时发生水化反应并进一步硬化成型。本发明得到的透水材料具有高透水性(透水率是传统材料的二倍及以上)和力学性能，另外，本发明的骨料表面光滑，在保证强透水性时，不易堵塞。

Description

一种磷石膏透水材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及透水材料技术领域，尤其涉及一种磷石膏透水材料及其制备方法和应用。

背景技术

传统城市在城市化过程中常常采用大规模铺设硬质建筑物和铺装，导致雨水无法充分渗透和自然循环，从而引发城市内涝、水污染和水资源短缺等问题。为了实现城市可持续发展，保护水资源、改善水环境、防治水灾、保护生态和提升城市居民的生活品质，海绵城市用的透水材料逐渐受到市场的重视。

水泥基透水混凝土是由水泥、水、骨料、外加剂、掺合料和无机颜料等按特定比例制备而成的具有连续空隙的生态环保型混凝土，在水泥基透水混凝土的制备中，混凝土骨料级配设计、浆体体积、浆体流变性等需要严格控制，特别是，浆体需具有充足的流动性以饱满地包裹骨料表面，以利于施工并保证混凝土强度充足。但同时浆体流变性过大极易导致混凝土成形过程中离析，浆体在重力等因素下向结构下部流动，导致混凝土下部孔隙被堵塞，影响透水性能。基于此，专利申请CN113152193A中提出将表面润湿的混凝土骨料与胶凝材料粉体混合，使胶凝材料粉体在混凝土骨料表面包裹成壳，进一步通过碾压成型使骨料间相互嵌锁，胶凝材料壳体相互重叠并联结紧密，提高了胶凝材料的用量精度，既不因为用量过少而导致强度不足，又不因用量过多堵塞透水孔隙并产生浪费，而且在透水混凝土的制备过程中不形成胶凝材料浆体，进而免去了水胶比设计的工作，极大简化了材料设计工作。但该技术方案中预湿骨料表面裹结的附着胶凝材料致密结构会使空隙率随之下降，导致其透水率不高，此外，该方法在采用压力成型时，虽能激发胶凝材料的水化反应，但也会导致骨料的破碎和粉料的产生，从而进一步影响透水材料的成型强度和透水效果。

鉴于此，提出本发明。

发明内容

相较于采用传统骨料和水泥等胶凝材料的特性合成的透水材料，或依赖并采用传统骨料和水泥等胶凝材料在一定水胶比下，施加外力而形成的致密骨架型透水材料，本发明提供的一种磷石膏透水材料及其制备和应用，摒弃传统骨料和胶凝材料，首次采用石膏粉作为原料制备透水材料，所得透水材料不仅不需要消耗大量的砂石骨料等自然资源，而且避免了外掺胶凝材料的使用，更重要的是，得到的透水材料透水效果优异、强度高而且不易堵塞。

具体地，本发明提供一种透水材料的制备方法，包括：将石膏粉、石膏缓凝剂和水为主要原料进行拌合后磨合，磨合后立即再加入水用于造粒得骨料坯，所述骨料坯立即入模、振捣和硬化得所述透水材料；

所述原料中不含有外掺胶凝剂(如水泥、石灰、矿粉、粉煤灰等)；

所述石膏粉为半水石膏质量含量为60％以上且二水石膏含量不超过5％的粉状石膏，所述拌合时的加水量为粉状石膏总质量的10％～15％，而所述拌合至所述成型的总用水量为粉状石膏总质量的27％～33％；

所述拌合开始时至所述振捣开始时的时间为≤10min，优选为≤5min，使所述骨料坯在所述振捣时发生水化反应并进一步硬化成型。

本发明提出在以半水石膏为主要成分的粉状石膏中加入缓凝剂和水进行拌合后磨合，并控制拌合时的加水量、拌合以及磨合的时间，使该粉状石膏保持良好的加工状态及其均质化程度，以利于后续的成型工序，特别是使水逐步均匀分布在半水石膏分子周围，这对于后续成型中形成均质化程度高且强度高的产品非常关键。本发明中粉状石膏是泛指通过天然形成的或者特定的工艺制成的石膏产品，如磷酸盐工业和某些其他工业的副产品等，这些产品中半水石膏的质量含量为60％以上，余量为无水石膏、二水石膏及其他杂质成分，其中二水石膏含量不宜超过5％。

现有制备石膏硬化体的方法中，水作为半水石膏发生水化反应的必要原料，往往一次性加入，而且水的加入量远超完全水化后产物(即二水石膏)的理论需水量，实践中发现，降低水膏比有助于提高石膏硬化体的机械性能，如抗压强度和抗折强度等。当采用现有技术方法时，若水加的量不足，会导致石膏成型时的工作性能得不到满足，反而成废品，基于此，本发明经过大量的试验发现，通过多次加水有利于在保证物料的水化反应及工作性等加工特性的同时降低用水量，但多次加水及各次加入的水量需要精细化的控制，不利于该技术的工业化应用，而经过进一步的研究发现，当在以半水石膏为主要成分的粉状石膏中加入缓凝剂和水进行拌合后磨合，并控制拌合时的加水量、磨合的时间以及第二次加水的时机，可以有效降低该粉状石膏转变为石膏硬化体的总用水量，而且还可以控制石膏粉的水化进程，基于该研究成果，本发明还意外地发现，采用振捣工艺可以使尚未水化完成的石膏骨料坯在其水化过程中相互粘结，且粘结强度高，而振捣工艺相较于强压成型工艺对骨料坯的作用力更小，能够保证骨料坯的基本形态，振捣所产生的横向和纵向振动使相邻骨料坯之间在重力的作用下挤压，由于骨料坯未完全水化，骨料坯挤压时相邻骨料坯之间的接触面积逐渐增加，伴随着骨料坯的水化反应使该接触部分成为高效一体的粘结部，不需要依靠胶凝剂等外加浆料即硬化成型，该整体结构具有纵、横向的固有孔隙，大大简化了透水材料的工艺流程和原料选择，为制备透水材料提供了一种全新的制备工艺。而且，试验中还发现振捣作用力使得骨料坯硬化后表面更加光滑圆润，表面摩擦力大大降低，相较于传统透水材料，大大避免了堵塞的情况发生，在降低成本的同时提高物质的寿命和品质，具有十分重要的技术意义。

根据本发明提供的透水材料的制备方法，所述粉状石膏的粒径为≤50μm。

根据本发明提供的透水材料的制备方法，石膏粉、石膏缓凝剂和水的质量比为100:(0.01～0.03):(27～33)。

根据本发明提供的透水材料的制备方法，本发明通过加入石膏减水剂，可以在较少水量时，促进石膏粉的工作活易性，从而使透水材料在单位用水量下，既可以有效造粒成型，同时入模骨料坯之间的空隙最大化形成，优选地，所述石膏粉和石膏减水剂的质量比为100:(0.01～0.05)；

本发明通过加入石膏防水剂，可以在较少水量时，促进石膏粉晶形生成后的二次遇水软化问题，从而使透水材料既有高温的整体性，同时又解决了传统石膏气硬性材料遇水软化的问题，从而成功制得石膏基透水材料，优选地，所述石膏粉和石膏防水剂的质量比为100:(0.01～0.05)。

根据本发明提供的透水材料的制备方法，所述原料由石膏粉、石膏缓凝剂、石膏减水剂、石膏防水剂和水构成；

优选地，石膏粉、石膏缓凝剂、石膏减水剂、石膏防水剂和水的质量份数依次为100份、0.03份、0.03份、0.05份和30份。在该配方下制得的透水材料，其强度优异、透水性能好且不易堵塞。

根据本发明提供的透水材料的制备方法，所述入模前还对所述骨料坯进行选型使入模的骨料坯的级配为：5～20及或5～31.5级配；优选为5～10、10～20或者20～31.5单级配；在实际应用中，可以根据实际需要对级配进行选择，一般地，入模时物料越单一，物料与物料之间的接触点越均匀，空白处的空隙亦越均匀，外观质量也越均匀。因此，在保证良好外观质量和成型后物块的整体强度和效果，单一粒级效果更佳，如5～10、10～20、10～31.5等。

优选地，所述入模前还对所述骨料坯进行选型使入模的骨料坯的球形度为≥0.85，优选为≥0.9。在试验中发现，球形度对本发明透水材料的透水效果和强度有重要影响，球形度越接近1，透水材料强度越高，透水效果越好。

根据本发明提供的透水材料的制备方法，所述振捣为低频振捣和/或旁向侧击振捣；

优选地，所述低频振捣是采用振动台进行的垂直振动；

更优选地，所述振捣为间歇式低频振捣。

根据本发明提供的透水材料的制备方法，所述制备方法是以石膏粉、石膏缓凝剂和水为主要原料依次进行拌合、磨合、造粒、选型、入模、间歇式低频振捣和静置硬化后即得；

优选地，所述间歇式低频振捣是指相邻两次低频振捣之间间隔≥30秒；优选地，所述间歇式低频振捣是：每次振捣1～3s后停顿30s及以上，更进一步优选地，随着振捣次数的增加，对应的停顿时间延长，比如：振捣1～3秒，停1～2分钟，再振捣1～3秒，停2～5分钟。

采用侧向人工敲击法也可以达到要求，如采用直径20mm，长40～50cm金属圆探棒，以每分钟15～25下的频率均点侧向敲击模具，以物料表面有位移但又不全面粘连一体为宜。

本发明还提供如上所述透水材料的制备方法制得的透水材料。

本发明还提供如上所述的透水材料在透水砖中的应用。

本发明提供的一种磷石膏透水材料及其制备和应用，通过采用振捣工艺可以使尚未水化完成的石膏骨料坯在其水化过程中相互粘结，本发明得到的透水材料具有高透水性(透水率是传统材料的二倍及以上)，且由传统透水砖的上下透水调整为纵横向的高透水，另外，本发明的骨料表面光滑，在保证强透水性时，不易堵塞，传统透水砖由于外掺胶凝材料工艺复杂，且胶凝材料用量较多而裹结易造成堵塞。

本发明得到的透水材料的透水系数≥10，抗折强度≥1.5MPa，25次冻融强度损失率≤11％，25次冻融质量损失率≤5.5％，耐磨性≤30mm，耐流水浸蚀性≥80，软化系数≥0.85，整体强度高(≥5MPa)，透水效果好，无环境二次污染，重金属浸出完全满足标准规范要求，对传统砂石骨料形成的透水砖，有良好的替代作用且生态环保的性能突出，进一步优选地，本发明的透水材料的透水系数≥10，抗折强度≥2.5MPa，25次冻融强度损失率≤10％，25次冻融质量损失率≤3％，耐磨性≤20mm，耐流水浸蚀性≥90。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中拌合和磨合采用装置的结构示意图之一；

图2为本发明中拌合和磨合采用装置的结构示意图之二；

图3为本发明中拌合和磨合采用装置的结构示意图之三；

图4为本发明中实施例1制得的透水砖的结构图；

图5为本发明中实施例6制得的透水砖的结构图。

附图标记:

1:给料斗；2:搅拌装置；21:搅拌筒；211:第一筒体；212:第二筒体；213:盖板；214:导料管；22:搅拌组件；23:第一驱动机构；231:第一电机；232:主动带轮；233:从动带轮；24:第二驱动机构；3:出料斗；4:磨合单元；41:推送腔；42:磨合腔；43:固定磨盘；44:转动磨盘；45:第三驱动机构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中拌合和磨合采用装置结构如下:

如图1、图2和图3所示，包括:给料斗1、搅拌装置2、供水装置、出料斗3和磨合装置；

搅拌装置2用于拌合，包括搅拌筒21、搅拌组件22和第一驱动机构23，搅拌组件22可转动地设于搅拌筒21内，搅拌组件22包括搅拌部，搅拌部包括搅拌轴和搅拌叶片。第一驱动机构23包括第一电机231和传动组件，第一电机231通过传动组件与搅拌组件22连接。传动组件包括主动带轮232、从动带轮233和皮带。第一电机231驱动主动带轮232转动，带动从动带轮233和搅拌组件22同步转动。出料斗3、搅拌筒21和给料斗1沿竖直方向依次布设，且三者之间相互连通。搅拌筒21包括筒体和盖板213，筒体的出料口处可以设置导料管214，搅拌筒21内的物料沿着导料管214流入出料斗3内。搅拌筒21的盖板213上安装有多个喷头，供水装置包括多个供液管路，多个供液管路与多个喷头一一对应连接，用于向搅拌筒通入水。搅拌筒21的一端与给料斗1连通，搅拌筒21的另一端与磨合装置连通。

磨合装置用于磨合，包括第一磨合单元和第二磨合单元，相邻两个磨合单元4连通可以用于多级磨合。以一个磨合单元4为例，磨合单元4具有相互连通的推送腔41和磨合腔42。第一磨合单元的推送腔41与出料斗3的出口端连通，第一磨合单元的磨合腔42与第二磨合单元的推送腔41连通。磨合单元4包括壳体、固定磨盘43、转动磨盘44和第三驱动机构45，壳体由呈圆筒状的第一壳体和呈扇形状的第二壳体组合形成，第一壳体沿水平方向设置，第二壳体沿竖直方向设置。第一壳体的部分区段嵌入第二壳体内，第一壳体内部形成推送腔41，第二壳体内部形成磨合腔42，推送腔41和磨合腔42相互连通，出料斗3的出口端伸入第一壳体内，由此出料斗3与推送腔41连通，第二壳体的底部构造有排料口。固定磨盘43和转动磨盘44均位于磨合腔42，固定磨盘43和转动磨盘44均沿竖直方向设置，固定磨盘43和转动磨盘44的相对面之间形成磨合通道；第三驱动机构45的驱动端与转动磨盘44连接，第三驱动机构45用于将推送腔41内的物料推送至磨合通道处，且用于驱动转动磨盘44相对固定磨盘43转动，以对物料进行磨合处理。

实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

本发明中的石膏粉中建筑石膏占比80％，无水石膏占比8％，二水石膏占比4％，且粒径为80～200μm。

实施例1

一种透水材料的制备方法，是以100份石膏粉、0.03份石膏缓凝剂(柠檬酸钠)、0.03份石膏减水剂(聚羧酸减水剂)、0.05份石膏防水剂(甲基硅树脂)和10份水为原料进行拌合后磨合(采用上述装置)，磨合后立即再加入17份水用于造粒得骨料坯，所述骨料坯立即入模、选型、间歇式低频振捣和室温下静置硬化得透水砖；其中，选型时使入模的骨料坯的级配为5～10单级配，且骨料坯的球形度为≥0.9；且控制拌合开始时至振捣开始时的时间为9min，使骨料坯在振捣时发生水化反应并进一步硬化成型，该间歇式低频振捣是采用振动台(地台式50Hz振捣器)进行的垂直振动，具体是振捣2秒，停1分钟，再振捣2秒，停2分钟，再振捣2秒，停3分钟。

实施例2

一种透水材料的制备方法，是以100份石膏粉、0.03份石膏缓凝剂(多聚磷酸钠)、0.03份石膏减水剂(聚羧酸减水剂)、0.05份石膏防水剂(硬脂酸钙)和12份水为原料进行拌合后磨合，磨合后立即再加入17份水用于造粒得骨料坯，所述骨料坯立即入模、选型、间歇式低频振捣和静置硬化得透水砖；其中，选型时使入模的骨料坯的级配为5～10单级配，且骨料坯的球形度为0.9；且控制拌合开始时至振捣开始时的时间为10min，使骨料坯在振捣时发生水化反应并进一步硬化成型，该间歇式低频振捣是采用振动台进行的垂直振动，具体是振捣3秒，停1分钟，再振捣3秒，停3分钟，再振捣3秒，停5分钟。

实施例3

一种透水材料的制备方法，是以100份石膏粉、0.03份石膏缓凝剂(酒石酸钾)、0.03份石膏减水剂(聚羧酸减水剂)、0.05份石膏防水剂(甲基硅树脂)和13份水为原料进行拌合后磨合，磨合后立即再加入17份水用于造粒得骨料坯，所述骨料坯立即入模、选型、间歇式低频振捣和静置硬化得透水砖；其中，选型时使入模的骨料坯的级配为10～20单级配，且骨料坯的球形度为0.85；且控制拌合开始时至振捣开始时的时间为8min，使骨料坯在振捣时发生水化反应并进一步硬化成型，该间歇式低频振捣是采用振动台进行的垂直振动，具体是振捣3秒，停2分钟，再振捣3秒，停3分钟，再振捣3秒，停5分钟。

实施例4

一种透水材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：不加入石膏减水剂。

实施例5

一种透水材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：不加入石膏防水剂。

实施例6

一种透水材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：选型时使入模的骨料坯的级配为5～31.5。

对比例1

一种透水材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：将磨合后立即再加入的水量增加至35份水用于造粒得骨料坯，结果发现：在造粒成型骨料坯时，易出现大粒吃小粒的现象，导致超大粒径骨粒坯出现，以致无法有效形成良好的均匀骨架而影响透水砖形成。

对实施例1～6和对比例1制得的透水砖进行测试，测试方法如下：

软化系数：按照国家相关标准进行。

抗折强度：GB/T 50081。

透水系数：JCT 2558-2020。

抗冻性：JCT 2558-2020。

耐磨性：GB/T 12988。

耐流水侵蚀性：JCT 2558-2020。

测试结果为：

从上表可以看出：减水剂和防水剂的添加对成型后的透水材料的软化系数，强度及质量损失率以及耐流水侵蚀性等指标有着明显的影响和变化，尤其是防水剂的调整对透水材料的指标有着相当明显的变化。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种透水材料的制备方法，其特征在于，包括：以石膏粉、石膏缓凝剂和水为主要原料进行拌合后磨合，磨合后立即再加入水用于造粒得骨料坯，所述骨料坯立即入模、振捣和硬化即得所述透水材料；

所述原料中不含有外掺胶凝剂；

所述石膏粉为半水石膏质量含量为60％以上且二水石膏含量不超过5％的粉状石膏，所述拌合时的加水量为粉状石膏总质量的10％～15％，而所述拌合至所述成型的总用水量为粉状石膏总质量的27％～33％；

所述拌合开始时至所述振捣开始时的时间为≤10min，使所述骨料坯在所述振捣时发生水化反应并进一步硬化成型。

2.根据权利要求1所述透水材料的制备方法，其特征在于，所述粉状石膏的粒径为≤50μm。

3.根据权利要求1所述透水材料的制备方法，其特征在于，石膏粉、石膏缓凝剂和水的质量比为100:(0.01～0.03):(27～33)。

4.根据权利要求1或2所述透水材料的制备方法，其特征在于，所述石膏粉和石膏减水剂的质量比为100:(0.01～0.05)；所述石膏粉和石膏防水剂的质量比为100:(0.01～0.05)。

5.根据权利要求1～4中任一项所述透水材料的制备方法，其特征在于，所述原料由石膏粉、石膏缓凝剂、石膏减水剂、石膏防水剂和水构成；

优选地，石膏粉、石膏缓凝剂、石膏减水剂、石膏防水剂和水的质量份数依次为100份、0.03份、0.03份、0.05份和30份。

6.根据权利要求1～5中任一项所述透水材料的制备方法，其特征在于，所述入模前还对所述骨料坯进行选型使入模的骨料坯的级配为：5～20及或5～31.5级配；优选为5～10、10～20或者20～31.5单级配；

优选地，所述入模前还对所述骨料坯进行选型使入模的骨料坯的球形度为≥0.85，优选为≥0.9。

7.根据权利要求1～6中任一项所述透水材料的制备方法，其特征在于，所述振捣为低频振捣和/或旁向侧击振捣；

优选地，所述低频振捣是采用振动台进行的垂直振动；

更优选地，所述振捣为间歇式低频振捣。

8.根据权利要求1所述透水材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法是以石膏粉、石膏缓凝剂和水为主要原料依次进行拌合、磨合、造粒、选型、入模、间歇式低频振捣和静置硬化后即得；

优选地，所述间歇式低频振捣是指相邻两次低频振捣之间间隔≥30秒。

9.权利要求1～8中任一项所述透水材料的制备方法制得的透水材料。

10.权利要求9所述的透水材料在透水砖中的应用。