一种透水混凝土及其制备方法与流程

1.本发明涉及混凝土技术领域，更具体地说，它涉及一种透水混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.混凝土是主要的土木工程材料之一，由胶凝材料、骨料、水以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经均匀搅拌而成。随着城市发展进程的推进，对混凝土的性能也提出了更高的要求。
3.目前，城市道路用混凝土需要能够具有良好的透水性，辅助城市排水系统排水，快速消除道路上积水，使雨水迅速渗到地下，补充地下水，维护地下水及土壤的生态平衡。然而，透水混凝土的颗粒间隙大、粘结力较差、强度较低，存在抗冻融性能低、易开裂的问题。


技术实现要素：

4.针对透水混凝土抗冻融性能低、易开裂的问题，本技术提供一种透水混凝土及其制备方法。
5.第一方面，本技术提供的透水混凝土，采用如下的技术方案：一种透水混凝土，包括由包含以下重量份的原料制成：水40
‑
60份，水泥90
‑
130份，玄武岩450
‑
550份，掺合料70
‑
90份，减水剂1.5
‑
2.7份，引气剂0.5
‑
1.7份，环氧树脂35
‑
55份，固化剂8
‑
28份，改性纤维8
‑
20份，环氧硅烷偶联剂8
‑
12份；所述改性纤维包含以下重量份的组分：改性玄武岩纤维5
‑
13份，植物纤维3
‑
7份；所述改性玄武岩纤维由重量比为(10
‑
14):(2
‑
5)的玄武岩和凹凸棒石加工而成。
6.通过采用上述技术方案，玄武岩具有抗压性强、压碎值低、抗腐蚀性强、耐磨性能好的优点，选为本技术的粗骨料。掺合料为粉煤灰、硅灰、或矿粉中的至少一种，与粗骨料相比掺合料是一种半径小、表面光滑的球体，可以填充到粗骨料的孔隙以及粗骨料和水泥间的孔隙中，从而提高透水混凝土的强度。其中粉煤灰的主要成分是sio2和al2o3，可与水泥水化反应的生成物ca(oh)2反应进行二次水化反应，生成c
‑
s
‑
h凝胶，产物使得透水混凝土粗骨料间的细小孔隙被填充，增加了粘结面积，当受到冻融循环产生的静水压和渗透压时，可增加抗冻融性。
7.减水剂选为聚羧酸系高性能减水剂或萘磺酸盐减水剂中的至少一种，将减水剂加入到水泥基中可以增加流动性，高流动性的水泥基流入纤维束的间隙形成基膜。同时，减水剂作为阴离子表面活性剂，会减少纤维表面的离子吸附效应，将范德华力、静电吸附力和离子吸附力降到最低值，在搅拌的外力下更容易分散。引气剂是使混凝土拌合物在搅拌时引入空气而形成微小气泡的外加剂，选为磺酸盐，如烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠中的至少一种，微型气泡可大幅度改善混凝土和易性及提高抗渗抗冻等耐久性能。
8.环氧树脂相对于水泥而言属于柔性材质，在冻胀作用下，环氧树脂是一种很好的胶黏剂基材。环氧树脂固化后交联程度高，呈三维网络结构，可以产生形变，吸收应变能，提高抗冻融性。固化剂为固化环氧树脂的物质，具体选用双酚a型环氧树脂、酚醛环氧树脂、聚
酰胺或脂环族环氧树脂中至少一种。
9.玄武岩纤维具有耐高温性、化学稳定性，且与水泥有良好的相容性。玄武岩纤维的拉伸强度是金属的2
‑
2.5倍，是聚丙烯纤维的10倍，也高于碳纤维，且其断裂伸长率优于碳纤维。玄武岩纤维的掺入可以增加透水混凝土的高温稳定性和低温抗裂性，延缓老化速度；但其透水性能相对较差。因此本技术中在玄武岩中加入凹凸棒石，制备改性玄武岩纤维；凹凸棒石又名坡缕石，是一种链层状结构含水富镁硅酸盐的黏土矿物，是天然一维纳米材料，晶型呈纤维状、棒状或针状，晶体内部含有大量平行于晶体延伸方向的一维规整孔道，内部多孔道、表面多沟槽，可透过水分子。将凹凸棒石与玄武岩配合使用，在提高混凝土力学强度的同时，能相对改善透水性能。
10.植物纤维按照植物部位不同可以分为：木纤维，如竹纤维或芦苇纤维；茎秆纤维，如稻草纤维或亚麻纤维；叶纤维，如剑麻纤维或蕉麻纤维；表皮纤维，如椰子纤维或棉绒纤维。植物纤维为可再生物质，可以节约资源和能源；且植物纤维的不规则分布在透水混凝土中起到了连接的作用，提高韧性，降低混凝土的泌水离析。
11.改性纤维由改性玄武岩纤维和植物纤维混合而成，改性玄武岩纤维作为刚性纤维，增强透水混凝土的抗压强度和刚性；植物纤维作为柔性纤维骨架，增强透水混凝土的抗拉强度及韧性；改性玄武岩纤维、植物纤维共同配合在透水混凝土中形成立体的结构。改性玄武岩纤维加入过多刚性过强导致脆性提高，植物纤维加入过多则强度不够、力学性能下降，因此需要改性玄武岩纤维与植物纤维有恰当的配比。
12.环氧硅烷偶联剂容易与环氧树脂耦合，有利于延长分子链而促进交联网络的形成，进而增加透水混凝土的抗压强度。并且，环氧硅烷偶联剂水解成的硅醇上的羟基容易与硅酸盐水泥表面的硅羟基脱水缩合，使环氧硅烷偶联剂作为“桥梁”将无机填料和有机物有机结合，提高透水混凝土的抗压强度。
13.优选的，透水混凝土由包含以下重量份的原料制成：水50
‑
55份，水泥100
‑
120份，玄武岩475
‑
525份，掺合料80
‑
85份，减水剂1.8
‑
2.4份，引气剂0.8
‑
1.4份，环氧树脂40
‑
50份，固化剂8
‑
28份，改性纤维11
‑
17份，环氧硅烷偶联剂9
‑
11份。
14.通过采用上述技术方案，优化各组分的配比，提高透水混凝土的性能参数。
15.优选的，所述改性纤维与环氧树脂之间的重量比为1:(3
‑
4)。
16.通过采用上述技术方案，环氧树脂透水混凝土具有优异的抗压性能，然而其抗折强度较弱；改性纤维的抗折强度、抗断裂性能优异；改性纤维和环氧树脂恰当的配比可增加透水混凝土的抗压、抗折强度。
17.优选的，所述植物纤维为椰子纤维、竹纤维或蕉麻纤维中的一种或多种。
18.优选的，所述椰子纤维为经过氧化热处理的改性椰子纤维。
19.通过采用上述技术方案，在碱性条件下，经h2o2溶液浸泡，可溶解椰子纤维表面较高的木质素和果胶成分，并对植物纤维的表面进行侵蚀，经过浸泡使椰子纤维表面更粗糙，可有效降低椰子纤维的吸水率，并使椰子纤维表面呈均匀排列的凹槽，使其能与胶凝材料紧密结合；并在凹槽的间隔穿插微小的坑穴，坑穴可以减少混凝土的早期干缩变形，增加混凝土的抗压强度。
20.优选的，所述改性玄武岩纤维通过如下步骤制备得到：对玄武岩进行粉碎处理，得到玄武岩碎石；按重量份将所述玄武岩碎石与凹凸棒石混合后熔融，得到熔融液；将所述熔
融液拉丝，冷却，即得改性玄武岩纤维。
21.通过采用上述技术方案，将玄武岩粉碎至粒径为5mm
‑
20mm的大小，凹凸棒石的粒径一般小于0.01mm，将玄武岩碎石与凹凸棒石混合后经1400℃
‑
1600℃的高温熔融进行拉丝、冷却，使凹凸棒石充分分散在玄武岩纤维中，增加玄武岩纤维的内部吸水通道，使得改性玄武岩纤维在保持其自身优异的耐高温性能、化学稳定性、拉伸强度等性能的同时，能够提高透水性能。
22.优选的，所述环氧树脂为经过二氧化硅化学改性处理的改性环氧树脂。
23.通过采用上述技术方案，环氧树脂韧性差、耐热性差，二氧化硅与液态环氧树脂进行化学反应，引入柔性的硅氧键，在改性环氧树脂分子中键接上硅氧碳键和硅氧硅键，提高环氧树脂的韧性，应用到透水混凝土中可以提高抗折强度。
24.优选的，所述二氧化硅为气相纳米二氧化硅，且粒径为6nm
‑
10nm。
25.通过采用上述技术方案，气相纳米二氧化硅具有三维网状结构，使改性的环氧树脂呈半透明状，均匀稳定。当二氧化硅粒径过大时，容易析出二氧化硅，改性产物不稳定；而且二氧化硅粒径过大时，比表面积相对较小，表面的硅醇基活性低，使改性环氧树脂容易产生沉降发生分层现象，导致稳定性较低。
26.优选的，所述改性纤维的长度为6mm
‑
10mm。
27.通过采用上述技术方案，改性纤维的长度为6mm
‑
10mm，有利于连接相邻的玄武岩碎石，增加分散性，提高混凝土的抗折强度及韧性。
28.第二方面，本技术提供一种上述任一项透水混凝土的制备方法，具体通过以下技术方案得以实现：一种透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：将水泥、玄武岩、掺合料、环氧树脂和改性纤维混合均匀后加入一半的水，搅拌均匀，得混合物a；向混合物a中加入减水剂、引气剂、环氧硅烷偶联剂和固化剂，搅拌均匀，得混合物b；向混合物b中加入剩余的水，搅拌均匀，得到透水混凝土。
29.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1.本技术中实施例的透水混凝土的抗压强度、抗折强度、透水系数和抗冻融次数最高可达62.1mpa、8.3mpa、8.5mm/s和214次，有效提高抗压、抗折强度的同时，还拥有较高的透水系数；2.本技术中通过采用气相纳米二氧化硅对环氧树脂进行改性，可提高环氧树脂的韧性，改性环氧树脂应用到透水混凝土中可以提高混凝土的抗折强度。
具体实施方式
30.以下结合具体实施例对本技术作进一步详细说明。
31.本技术中的如下原料均为市售产品，具体为：水泥采用42.5等级的普通硅酸盐水泥；玄武岩选自江苏亚邦矿业有限公司；掺合料为粉煤灰，选自水石新材料(浙江)有限公司，堆积密度为0.79kg/m3，含水率≤1％；引气剂选自广州腾发化工有限公司的十二烷基磺酸钠；减水剂选自江苏苏博特新材料股份有限公司的系列聚羧酸高效减水剂；环氧
树脂选自福州百盛精细化工有限公司的双酚a环氧树脂，环氧当量为200g/mol，25℃时黏度为20450mpa
·
s，密度为1.1g/cm3；椰子纤维、蕉麻纤维和竹纤维均选自山东亿豪土工材料有限公司；凹凸棒石选自盱眙县中材凹凸棒石粘土有限公司；沉淀二氧化硅和气相纳米二氧化硅均选自青岛赢创二氧化硅材料有限公司，其中沉淀二氧化硅的粒径为4μm；固化剂选自山东清洋新材料有限公司的甲基六氢邻苯二甲酸酐；环氧硅烷偶联剂选自南京经天纬化工有限公司的γ―(2,3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷；促进剂选自上海吉至生化科技有限公司tci牌的三苯基膦，纯度大于95％。
32.以下为本技术改性玄武岩纤维的制备例：制备例1本技术中的改性椰子纤维，通过如下方法制备得到：将10kg椰子纤维用水洗干净；将洗干净的椰子纤维加入500l质量分数为5％的naoh溶液和500l质量分数为10％的h2o2的混合溶液中，浸泡5h；将浸泡后的椰子纤维升温至100℃，热处理1h；将热处理后的椰子纤维水洗至中性；将水洗至中性的椰子纤维进行干燥；将干燥后的椰子纤维剪切为长度为6mm
‑
10mm的椰子纤维，得到改性椰子纤维。
33.制备例2本技术中的改性玄武岩纤维，通过如下方法制备得到：对表1所示重量的玄武岩进行粉碎处理，得到玄武岩碎石，粒径为5mm
‑
20mm；将玄武岩碎石与凹凸棒石混合后经1500的高温熔融，得到熔融液；将熔融液拉丝，控制玄武岩纤维的长度为6mm
‑
10mm，冷却，即得改性玄武岩纤维。
34.制备例3
‑
5制备例3
‑
5的改性玄武岩纤维与制备例2的制备方法相同，区别在于：各原料掺量不同，具体详情见表1所示。
35.表1制备例2
‑
5的改性玄武岩纤维各原料掺量(单位：kg)原料制备例2制备例3制备例4制备例5玄武岩10121314凹凸棒石2345制备例6本技术中的改性环氧树脂，通过如下方法制备得到：将1kg液体环氧树脂加入到反应器中，加热到80℃，用搅拌机搅拌；搅拌状态下加入0.1kg沉淀二氧化硅粉体和0.01kg促进剂，本制备例中促进剂选为三苯基膦，二氧化硅粉体以1g/3s的速率加至反应器中，搅拌均匀；加热到100℃维持2h；升温至150℃进行改性反应2.5h，搅拌冷却后，得到改性环氧树脂。
36.制备例7
‑
9制备例7
‑
9的改性环氧树脂与制备例6的制备方法相同，区别在于：将沉淀二氧化硅粉体替换为等量的气相纳米二氧化硅粉体，气相纳米二氧化硅粉体的粒径分别为6nm、8nm和10nm，其余均与制备例6相同。
37.实施例1本实施例1中掺合料为粉煤灰，减水剂为聚羧酸减水剂，引气剂为烷基磺酸钠，固化剂为甲基六氢邻苯二甲酸酐，环氧树脂为双酚a环氧树脂。
38.按照表2的各组分的重量，将水泥、粒径为5mm
‑
20mm的玄武岩、掺合料、环氧树脂、椰子纤维和制备例2制备的改性玄武岩纤维混合均匀后加入一半的水，搅拌均匀，得混合物a；向混合物a中加入减水剂、引气剂、环氧硅烷偶联剂和固化剂，搅拌均匀，得混合物b；向混合物b中加入剩余的水，搅拌均匀，得到透水混凝土。
39.实施例2
‑
3实施例2
‑
3的透水混凝土与实施例1的制备方法相同，区别在于：将椰子纤维分别替换为等量的竹纤维和蕉麻纤维，其余均与实施例1相同。
40.实施例4
‑
7实施例4
‑
7的透水混凝土与实施例1的制备方法相同，区别在于：各原料掺量不同，具体详情见表2所示。
41.表2实施例1
‑
7的透水混凝土的各原料掺量(单位：kg)
原料实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6实施例7水40404045505560水泥909090100110120130玄武岩450450450475500525550掺合料70707075808590减水剂1.51.51.51.82.12.42.7引气剂0.50.50.50.81.11.41.7环氧树脂35353540455055固化剂88813182328改性玄武岩纤维555791113椰子纤维3004567竹纤维0300000椰子纤维0030000环氧硅烷偶联剂8889101112
实施例8
‑
10实施例8
‑
10的透水混凝土与实施例5的制备方法相同，区别在于：改性玄武岩纤维分别选用制备例3
‑
5制备得到的改性玄武岩纤维，其余均与实施例5相同。
42.实施例11实施例11的透水混凝土与实施例9的制备方法相同，区别在于：椰子纤维选用制备例1制备得到的改性椰子纤维，其余均与实施例9相同。
43.实施例12
‑
15实施例12
‑
15的透水混凝土与实施例11的制备方法相同，区别在于：环氧树脂分别选用制备例6
‑
9制备得到的改性环氧树脂，其余均与实施例11相同。
44.实施例16
‑
18
实施例16
‑
18的透水混凝土与实施例14的制备方法相同，区别在于：改性纤维与改性环氧树脂之间的重量比分别为1:3、1:3.5、1:4，调整改性环氧树脂的掺量，固化剂的掺量也对应的调整，其余均与实施例14相同，各原料掺量具体详情见表3所示。
45.表3实施例16
‑
18的透水混凝土的各原料掺量(单位：kg)原料实施例16实施例17实施例18水505050水泥110110110玄武岩500500500掺合料808080减水剂2.12.12.1引气剂1.11.11.1改性环氧树脂424956固化剂16.819.622.4改性玄武岩纤维999改性椰子纤维555环氧硅烷偶联剂101010对比例1对比例1的透水混凝土与实施例1的制备方法相同，区别在于：改性纤维的原料中未添加改性玄武岩纤维，其余均与实施例1相同。
46.对比例2对比例2的透水混凝土与实施例1的制备方法相同，区别在于：改性玄武岩纤维的原料中未添加凹凸棒石，其余均与实施例1相同。
47.对比例3对比例3的透水混凝土与实施例1的制备方法相同，区别在于：改性纤维的原料中未添加椰子纤维，其余均与实施例1相同。
48.对比例4对比例4的透水混凝土与实施例1的制备方法相同，区别在于：原料中未添加环氧树脂和固化剂，其余均与实施例1相同。
49.性能检测采用gb/t50081
‑‑
2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对实施例1
‑
18、对比例1
‑
4的28d抗压强度和抗折强度性能进行测定，检测结果见表4所示。
50.采用cjj/t135
‑
2009《透水水泥混凝土路面技术规程》对实施例1
‑
18、对比例1
‑
4的透水混凝土进行性能测定，检测结果见表4所示。
51.采用gb/t50082
‑
2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快速冻融循环实验方法，对实施例1
‑
18、对比例1
‑
4的透水混凝土进行性能测定，检测结果见表4所示。
52.表4不同透水混凝土的性能检测结果
由表4的测试结果显示，本技术的实施例的透水混凝土的28d抗压强度最高可达62.1mpa，抗折强度最高可达8.3mpa，透水系数最高可达8.5mm/s，抗冻融次数最高可达214次。
53.实施例1
‑
7中，实施例5的透水混凝土的28d抗压强度、抗折强度、透水系数和抗冻融次数分别为53.8mpa、8.14mpa、7.6mm/s和202次，均优于实施例1
‑
4和6透水混凝土的对应的各项性能参数，表明实施例5的透水混凝土的各原料的掺量配比为较优。
54.实施例8
‑
10中，实施例9的透水混凝土的28d抗压强度、抗折强度、透水系数和抗冻
融次数分别为57.2mpa、8.19mpa、7.9mm/s和204次，均优于实施例8和10透水混凝土的对应的各项性能参数。
55.实施例11的28d抗压强度、抗折强度、透水率和抗冻融次数分别为58.5mpa、8.22mpa、8.0mm/s和207次，优于实施例9的对应的各项性能参数，表明椰子纤维经过改性得到的改性椰子纤维综合性能较优。
56.实施例12
‑
15中，实施例14的透水混凝土的28d抗压强度、抗折强度、透水系数和抗冻融次数分别为61.4mpa、8.26mpa、8.19mm/s和213次，均优于实施例12、13和15透水混凝土的对应的各项性能参数，表明制备例8的改性环氧树脂制备的混凝土的性能较优。
57.实施例16
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18中，实施例17的透水混凝土抗折强度、透水系数和抗冻融次数分别为8.30mpa、8.30mm/s和214次，实施例17均优于实施例16和18透水混凝土的对应的各项性能参数；实施例18的28d抗压强度为62.1mpa且优于实施例17的28d抗压强度62.0mpa；综合表明采用实施例17的改性纤维与环氧树脂的配比制备的混凝土性能较优。
58.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，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，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。