一种用于海绵城市路面的纳米改性透水混凝土及其制备方法

本发明属于纳米改性透水混凝土，具体为一种用于海绵城市路面的纳米改性透水混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、随着我国城镇化进程的持续推进，城市雨水内涝、径流污染、水资源短缺以及热岛效应加剧等问题日益突出，海绵城市建设作为解决城市水系统问题、提升城市生态环境质量、实现城市可持续发展的核心举措，已成为我国城市基础设施建设与更新改造的重要方向。

2、现有透水混凝土技术受自身材料结构特性与改性技术体系的限制，仍存在诸多难以解决的技术短板，无法完全满足海绵城市路面长周期、多场景、高稳定性的服役需求，现有透水混凝土存在透水性能与力学性能难以兼顾的固有矛盾，为保障透水功能需维持较高的孔隙率，而孔隙率的提升将直接导致混凝土基体的承载能力、抗变形能力显著下降，路面结构在长期车辆荷载与环境荷载作用下易出现开裂、破损、沉降变形等问题，难以同时实现高透水系数与高力学强度的协同提升，极大限制了其应用场景的拓展，现有透水混凝土的长期服役耐久性不足，其多孔结构特性使其在户外复杂环境中易受雨水侵蚀、冻融循环、碳化作用、孔隙堵塞等因素的影响，基体内部界面过渡区易出现劣化，微裂缝易持续扩展，导致材料性能快速衰减，路面服役寿命大幅缩短，后期维护与更换成本显著增加，现有透水混凝土对极端服役环境的适配性较差，在高温暴晒、突发温度剧变等极端环境作用下，混凝土内部易因水汽压力与热应力作用引发材料的爆裂、剥落与结构损伤，极端环境作用后材料的力学性能与结构完整性出现急剧衰减，无法保障复杂工况下路面结构的安全性与稳定性，此外现有针对透水混凝土的改性技术体系仍存在诸多不足，单一类型的改性手段往往仅能改善材料的某一项性能，难以实现材料综合性能的协同提升，多组分复合改性技术中存在各改性组分协同作用不足、分散稳定性差、改性效果不达预期的问题，同时部分改性工艺操作复杂、生产成本较高，难以适配透水混凝土路面工程的规模化、标准化施工需求，制约了高性能透水混凝土在海绵城市建设中的大范围推广应用，因此需要对其进行改进。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于海绵城市路面的纳米改性透水混凝土及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于海绵城市路面的纳米改性透水混凝土，按质量份计量由以下成分组成：p.o42.5硅酸盐水泥300-350份、5-16mm连续级配碎石1400-1600份、细度模数2.48的天然河砂150-200份、纳米二氧化硅2.4-7份、镀铜微丝钢纤维15-45份、长度7mm的碳纤维10-25份、羧乙基纤维素0.5-1.5份、聚羧酸系高效减水剂6-12份、消泡剂0.3-0.8份、水90-105份。

3、优选地，所述纳米二氧化硅的平均粒径为10-50nm，比表面积≥200m²/g；所述纳米二氧化硅经过硅烷偶联剂kh550表面改性处理，具体改性工艺为：将纳米二氧化硅按1:10的质量比加入到体积分数为95%的乙醇水溶液中，先进行超声分散处理30分钟，超声功率为200w，超声频率为40khz，使纳米二氧化硅初步分散无团聚，随后加入占纳米二氧化硅质量2%的硅烷偶联剂kh550，将混合体系升温至60℃，以300rpm的转速恒温搅拌反应2小时，反应完成后进行离心处理，离心转速为8000rpm，离心时间为10分钟，收集沉淀后用无水乙醇洗涤3次，最后在80℃的真空烘箱中烘干12小时，得到表面改性的纳米二氧化硅。

4、优选地，所述5-16mm连续级配碎石的针片状含量≤8%，含泥量≤1%，压碎值≤20%，洛杉矶磨耗损失≤25%，表观密度≥2600kg/m³，堆积密度≥1400kg/m³，空隙率≤45%。

5、优选地，所述聚羧酸系高效减水剂的减水率≥35%，所述聚羧酸系高效减水剂为固含量40%的液体聚羧酸减水剂，ph值为6-8，氯离子含量≤0.1%，硫酸钠含量≤0.5%，碱含量≤1.0%。

6、优选地，所述镀铜微丝钢纤维的长度为10-20mm，直径为0.1-0.2mm，抗拉强度≥1000mpa，屈服强度≥800mpa，延伸率≥3%；所述碳纤维的抗拉强度≥3500mpa，弹性模量≥230gpa，所述碳纤维的表面经过低温等离子体氧化处理，表面含氧官能团含量≥8%。

7、为了实现上述另一目的，本发明提供如下技术方案：一种用于海绵城市路面的纳米改性透水混凝土的制备方法，用于制备上述的纳米改性透水混凝土，具体步骤如下：

8、步骤一：原料预处理与准备

9、首先对各原料进行预处理：将称量好的5-16mm连续级配碎石用清水冲洗3次，去除表面附着的泥土与粉尘，随后放入105℃的烘箱中烘干至恒重，冷却至室温备用；将天然河砂过2.36mm的方孔筛，去除筛上的大颗粒杂质，自然晾干至表面含水率≤3%后备用；将预处理完成的纳米二氧化硅、p.o42.5硅酸盐水泥、镀铜微丝钢纤维、碳纤维、羧乙基纤维素、聚羧酸系高效减水剂、消泡剂、水按配方称量完成，所有原料均需在温度15-30℃、相对湿度40%-60%的环境中存放24小时，使原料温度与环境温度保持一致；

10、步骤二：骨料与胶凝材料干混处理

11、将预处理完成的5-16mm连续级配碎石与天然河砂先加入到强制式混凝土搅拌机中进行第一阶段干混处理，随后加入p.o42.5硅酸盐水泥与预处理完成的纳米二氧化硅，然后进行第二阶段干混处理，使胶凝材料与纳米改性剂均匀分散到骨料的表面，形成均匀的干混料；

12、步骤三：纤维分步分散混合

13、先制备纤维分散液：将称量好的羧乙基纤维素加入到总用水量的1/10的水中，将混合液升温至40℃，以300rpm的转速搅拌20分钟，使羧乙基纤维素完全溶解，随后进行超声处理10分钟，超声功率为150w，得到均匀的纤维分散液；将分散液与纤维均分为3等份，每次向搅拌机中加入1份分散液，随后加入1份镀铜微丝钢纤维与1份碳纤维，加完后以90rpm的转速搅拌3分钟，重复该添加与搅拌操作共3次，直至所有的分散液与纤维全部添加完成；

14、步骤四：水泥浆体混合制备

15、将剩余的9/10的水提前预热至25℃，将聚羧酸系高效减水剂加入到预热后的水中，搅拌1分钟使减水剂完全溶解，随后将该混合液加入到搅拌机中进行混合处理，得到均匀的混凝土混合料；

16、步骤五：试件成型与标准养护

17、将混凝土混合料装入模具，进行振动压实处理，振动频率为50hz，振动时间为15秒，随后在室内环境下静置24小时，脱模后进行标准养护，养护温度为20±2℃，养护湿度≥95%，养护时间为28天。

18、优选地，步骤二中所述干混处理的搅拌转速分为两个阶段，第一阶段为骨料预混阶段，搅拌转速为150rpm，搅拌时间为1分钟；第二阶段为胶凝材料分散阶段，搅拌转速为120rpm，搅拌时间为4分钟。

19、优选地，步骤四中所述混合处理的搅拌转速分为两个阶段，第一阶段为浆体预混阶段，搅拌转速为60rpm，搅拌时间为2分钟；第二阶段为均匀化阶段，加入消泡剂，搅拌转速为90rpm，搅拌时间为1分钟。

20、优选地，步骤五中所述振动压实处理采用插入式插捣与表面振动相结合的方式，表面振动的振动加速度控制为0.5g。

21、本发明的有益效果如下：

22、通过纳米材料改性、混杂纤维复配与精细化制备工艺的协同作用，有效破解现有透水混凝土透水与力学性能失衡、长期耐久性不足、极端环境适配性差的问题，经表面改性的纳米二氧化硅可优化基体孔结构、强化界面过渡区粘结，提升混凝土密实度与抗冻融、抗碳化能力；镀铜钢纤维与碳纤维形成多尺度增强网络，协同抑制微裂缝与宏观裂缝扩展，改善材料脆性、提升抗弯抗拉及高温抗爆裂性能；优化级配骨料构建稳定骨架孔隙结构，在保障透水通道通畅的同时赋予路面充足承载能力；聚羧酸减水剂与消泡剂协同调控浆体工作性，避免骨料包裹不均与孔隙堵塞；分步干混、纤维分次添加、分阶段搅拌的制备工艺，确保各组分均匀分散无团聚，成型养护精准把控密实度与孔隙率，最终制得混凝土兼具优异透水性能、力学强度与长期耐久性，可满足海绵城市路面多场景长效稳定服役需求。