一种低碱度高强度透水混凝土及其制备方法和应用

1.本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种低碱度高强度透水混凝土及其制备方法和应用。


背景技术：

2.透水混凝土的高透水性可以有效缓解城市路面积水问题，补充地下水，因此在城市透水路面铺装、水循环系统建设和河流边坡防护等方面有着良好的应用前景。然而，透水混凝土的高透水性归因于其高度连通的孔隙，这也造成其力学性能和耐久性显著低于传统混凝土材料，透水混凝土的强度主要来源于水泥浆体的粘结作用和粗骨料之间的咬合作用。常用的改善透水混凝土力学性能的方法是通过提高胶凝材料用量来减少其空隙率，但同时会导致其透水性能的降低。例如将透水混凝土中水泥用量从210kg/m3提高至290kg/m3，透水混凝土的空隙率可由26.2％降低至19.6％，但同时其透水系数由4.6mm/s降低至3.2mm/s。另一方面，透水混凝土的服役环境决定了其必然长期受到水浸泡或流水冲刷的作用，传统通过水泥水化固结形成的透水混凝土碱度高，内部含有大量易溶于水的氢氧化钙。氢氧化钙随着流水不断流失，使得透水混凝土结构疏松开裂，造成溶蚀破坏。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种低碱度高强度透水混凝土及其制备方法和应用，本发明提供的制备方法制备得到的透水混凝土碱度低、强度高和透水性能优异的特点。
4.为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
5.本发明提供了一种低碱度高强度透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：
6.将碳矿化胶凝材料、粗骨料、细骨料和水混合后，依次进行压制和干燥，得到低碱度高强度透水混凝土坯体；
7.将所述低碱度高强度透水混凝土坯体置于co2氛围中进行碳矿化反应，得到低碱度高强度透水混凝土；
8.所述碳矿化胶凝材料、粗骨料和细骨料的质量比为(225～350)∶(1450～1620)∶(80～195)。
9.优选的，所述碳矿化胶凝材料包括γ型硅酸二钙、硅酸一钙和二硅酸三钙中的一种或几种；所述碳矿化胶凝材料的粒径为5～150μm。
10.优选的，所述粗骨料的粒径为10～16mm，所述粗骨料的堆积密度为1640～1690kg/m3。
11.优选的，所述细骨料的粒径为0.15～4.75mm，所述细骨料的堆积密度为1580～1720kg/m3。
12.优选的，所述混合还包括添加增强剂，所述增强剂包括壳聚糖、无定型硅质材料、聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种或几种；所述增强剂和碳矿化胶凝材料的质量比为(1.2～5)
∶(225～350)。
13.优选的，所述混合还包括添加减水剂，所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂，所述减水剂的减水率≥25％；所述减水剂和碳矿化胶凝材料的质量比为(2.4～4.5)∶(225～350)。
14.优选的，所述混合还包括添加增稠剂，所述增稠剂包括纤维素醚、甲基纤维素、聚丙烯酰胺和丙烯基磺酸钠中的一种或几种；所述增稠剂和碳矿化胶凝材料的质量比为(0.08～0.3)∶(225～350)。
15.优选的，所述碳矿化反应的温度为5～90℃，所述碳矿化反应的时间为2～36h，所述co2氛围中co2的体积浓度为60～99.9％；所述碳矿化反应的压力为0.1～0.3mpa。
16.本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的低碱度高强度透水混凝土，所述低碱度高强度透水混凝土的空隙率为15～30％；所述低碱度高强度透水混凝土的抗压强度为30～40mpa。
17.本发明还提供了上述技术方案所述低碱度高强度透水混凝土在透水道路中的应用。
18.本发明提供了包括以下步骤：将碳矿化胶凝材料、粗骨料、细骨料和水混合后，依次进行压制和干燥，得到低碱度高强度透水混凝土坯体；将所述低碱度高强度透水混凝土坯体置于co2氛围中进行碳矿化反应，得到低碱度高强度透水混凝土；所述碳矿化胶凝材料、粗骨料和细骨料的质量比为(225～350)∶(1450～1620)∶(80～195)。在本发明中，碳矿化胶凝材料与co2发生碳矿化反应生成碳酸钙和硅胶，由于co2与碳矿化胶凝材料反应剧烈，形成的碳酸钙和硅胶可以快速粘接粗骨料和细骨料形成强度，强度发展快，而且碳矿化反应生成的碳酸钙的强度高于传统以水泥水化固结形成的透水混凝土中水泥水化产物c-s-h凝胶和氢氧化钙的强度；另一方面碳矿化反应生成的碳酸钙碱度低，使得制备的透水混凝土具有抗溶蚀的特点，而传统以水泥水化固结的透水混凝土由于生成了大量氢氧化钙，在流动水作用下氢氧化钙流失，从而造成溶蚀破坏问题，本发明制备的低碱度高强度透水混凝土可以避免传统透水混凝土中由于氢氧化钙流失而造成溶蚀破坏问题；而且本发明上述碳矿化胶凝材料、粗骨料和细骨料之间的配比能够控制低碱度高强度透水混凝土坯体的空隙率，在保证低碱度高强度透水混凝土的透水性能的情况下，所得低碱度高强度透水混凝土坯体的空隙率有利于co2的扩散，使其与低碱度高强度透水混凝土坯体内部的碳矿化胶凝材料反应，进一步提高低碱度高强度透水混凝土的抗压强度，从而在不降低透水性能的前提下制备出力学性能更优异的低碱度高强度透水混凝土。
19.此外，本发明采用碳矿化反应制备低碱度高强度透水混凝土可大幅缩短透水混凝土的养护周期，同时大量吸收温室气体或者工业尾气，具有显著的经济和环境效益。
具体实施方式
20.本发明提供了一种低碱度高强度透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：
21.将碳矿化胶凝材料、粗骨料、细骨料和水混合后，依次进行压制和干燥，得到低碱度高强度透水混凝土坯体；
22.将所述低碱度高强度透水混凝土坯体置于co2氛围中进行碳矿化反应，得到低碱度高强度透水混凝土；
23.所述碳矿化胶凝材料、粗骨料和细骨料的质量比为(225～350)∶(1450～1620)∶
(80～195)。
24.如无特殊说明，本发明对所用制备原料的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。
25.本发明将碳矿化胶凝材料、粗骨料、细骨料和水混合，得到新拌低碱度高强度透水混凝土。
26.在本发明中，所述碳矿化胶凝材料优选包括γ型硅酸二钙(γ-c2s)、硅酸一钙(cs)和二硅酸三钙(c3s2)中的一种或几种，更优选为γ型硅酸二钙(γ-c2s)；当所述碳矿化胶凝材料为两种以上时，本发明对不同种类碳矿化胶凝材料的配比没有特殊限定，任意配比均可；所述碳矿化胶凝材料的粒径优选为5～150μm，更优选为5～100μm；所述碳矿化胶凝材料的密度优选为2900kg/m3。本发明中γ型硅酸二钙(γ-c2s)、硅酸一钙(cs)、二硅酸三钙(c3s2)是硅酸钙矿相胶凝材料，水化活性低，碳化活性高，通过与co2发生碳矿化反应快速形成caco3基体结构和硅胶，是低碱度高强度透水混凝土强度的主要来源。另一方面碳矿化反应生成的碳酸钙碱度低，使得制备的透水混凝土具有抗溶蚀的特点，而传统以水泥水化固结的透水混凝土由于生成了大量氢氧化钙，在流动水作用下氢氧化钙流失，从而造成溶蚀破坏问题，本发明制备的低碱度高强度透水混凝土可以避免传统透水混凝土中由于氢氧化钙流失而造成溶蚀破坏问题。
27.在本发明中，所述粗骨料的粒径优选为10～16mm，更优选为12～15mm；所述粗骨料的堆积密度优选为1640～1690kg/m3，更优选为1650～1680kg/m3。本发明对所述粗骨料的来源没有特殊限定，采用本领域熟知来源的粗骨料即可。
28.在本发明中，所述细骨料的粒径优选为0.15～4.75mm，更优选为0.5～4.5mm；所述细骨料的堆积密度优选为1580～1720kg/m3，更优选为1620～1700kg/m3。本发明对所述细骨料的来源没有特殊限定，采用本领域熟知来源的细骨料即可。
29.在本发明中，所述碳矿化胶凝材料、粗骨料和细骨料的质量比为(225～350)∶(1450～1620)∶(80～195)，优选为(230～300)∶(1500～1600)∶(105～175)。
30.在本发明中，所述水和碳矿化胶凝材料的质量比优选为(68～106)∶(225～350)，更优选为(70～90)∶(250～300)。
31.在本发明中，所述混合优选还包括添加增强剂，所述增强剂优选包括壳聚糖、无定型硅质材料、聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种或几种，更优选为壳聚糖；所述无定型硅质材料优选为硅灰或纳米二氧化硅；当所述增强剂为两种以上时，本发明对不同种类增强剂的配比没有特殊限定，任意配比均可。
32.在本发明中，所述增强剂和碳矿化胶凝材料的质量比优选为(1.2～5)∶(225～350)，更优选为(1.5～4)∶(250～300)。本发明中增强剂可以在碳矿化反应中促进钙离子溶出，诱导生成更多碳酸钙，从而提高透水混凝土力学强度。
33.在本发明中，所述混合还优选包括添加减水剂，所述减水剂优选为聚羧酸系高效减水剂；所述减水剂的减水率优选≥25％，更优选为30％。
34.在本发明中，所述减水剂和碳矿化胶凝材料的质量比优选为(2.4～4.5)∶(225～350)，更优选为(2.5～4)∶(250～300)。本发明中减水剂是一种表面活性剂，可以减少混合所需的用水量。
35.在本发明中，所述混合还优选包括添加增稠剂，所述增稠剂优选包括纤维素醚、甲
基纤维素、聚丙烯酰胺和丙烯基磺酸钠中的一种或几种，更优选为聚丙烯酰胺；当所述增稠剂为两种以上时，本发明对不同种类增稠剂的配比没有特殊限定，任意配比均可。
36.在本发明中，所述增稠剂和碳矿化胶凝材料的质量比优选为(0.08～0.3)∶(225～350)，更优选为(0.1～0.25)∶(250～300)。本发明中增稠剂可以增加混合料粘聚性，能够更好包裹粗骨料和细骨料，提高透水混凝土的强度。
37.在本发明中，所述碳矿化胶凝材料、粗骨料、细骨料、水、增强剂、减水剂和增稠剂的混合过程优选为先将增强剂、减水剂、增稠剂和水混合，得到溶液a，然后将所述溶液a与碳矿化胶凝材料混合，进行第一搅拌5～8min，得到混合料b，最后将粗骨料、轻骨料与所述混合料b混合，进行第二搅拌4～6min，得到新拌低碱度高强度透水混凝土。
38.在本发明中，所述第一搅拌的时间优选为5～8min，更优选为6min；所述第二搅拌优选为4～6min，更优选为5min；所述第一搅拌和第二搅拌的速率独立优选为120～160rpm，更优选为130～150rpm。
39.在本发明中，所述新拌低碱度高强度透水混凝土中粗骨料和细骨料表面被2～4mm厚的混合料b包裹。
40.本发明中低碱度高强度透水混凝土的空隙率取决于胶凝材料、粗骨料、细骨料之间的比例，而且空隙率会影响低碱度高强度透水混凝土的强度和透水性能。本发明通过配合比设计，控制胶凝材料包裹在粗骨料和细骨料表面的厚度，从而形成的低碱度高强度透水混凝土空隙率为15～30％，得到较高的空隙率，既能保证低碱度高强度透水混凝土具有良好的透水性能，又有利于co2扩散进低碱度高强度透水混凝土内部与胶凝材料反应，从而提高混凝土的力学性能。
41.得到新拌低碱度高强度透水混凝土后，本发明优选将所述新拌低碱度高强度透水混凝土倒入模具中，进行振动。在本发明中，所述振动所用设备优选为平板振动器；所述模具优选为钢模，所述钢模的尺寸优选为70.7
×
70.7
×
70.7mm3、100
×
100
×
100mm3或150
×
150
×
150mm3。
42.振动完成后，本发明对所述振动后所得新拌低碱度高强度透水混凝土进行压制。本发明对所述压制的过程没有特殊限定，采用本领域常规压制过程即可。
43.压制完成后，本发明对所述压制后所得新拌低碱度高强度透水混凝土进行干燥，得到低碱度高强度透水混凝土坯体。在本发明中，所述干燥的温度优选为50～80℃，更优选为60℃。本发明对所述干燥的时间没有特殊限定，直至达到低碱度高强度透水混凝土的含水率即可。本发明优选所述干燥后的低碱度高强度透水混凝土的含水率为10～20％，更优选为15％。
44.得到低碱度高强度透水混凝土坯体，本发明将所述低碱度高强度透水混凝土坯体置于co2氛围中进行碳矿化反应，得到低碱度高强度透水混凝土。在本发明中，所述碳矿化反应的温度优选为5～90℃，更优选为20～30℃；所述碳矿化反应的时间优选为2～36h，更优选为8～24h；所述碳矿化反应的压力优选为0.1～0.3mpa，更优选为0.15～0.25mpa；所述co2氛围中co2的浓度优选为60～99.9％，更优选为90～99.9％；所述碳矿化反应的设备优选为碳化釜；所述碳化釜中相对湿度优选为30～100％，更优选为60～80％。
45.本发明中碳化釜中所用co2气体的来源为热电厂和钢铁厂的工业窑炉尾气，通过富集技术将工业窑炉尾气中co2气体浓度提升后使用，或直接将工业窑炉尾气引入碳化釜
使用。
46.本发明中，碳矿化反应是co2与碳矿化胶凝材料发生反应，形成的产物碳酸钙和硅胶粘接粗骨料和细骨料形成强度，碳化反应程度越高，混凝土强度越大。
47.本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的低碱度高强度透水混凝土，所述低碱度高强度透水混凝土的空隙率为15～30％，更优选为18～30％；所述低碱度高强度透水混凝土的抗压强度为30～40mpa。
48.本发明还提供了上述技术方案所述低碱度高强度透水混凝土在透水道路中的应用。
49.本发明对所述低碱度高强度透水混凝土在透水道路中的应用方法没有特殊限定，采用本领域熟知的应用方法即可。
50.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
51.实施例1
52.碳矿化胶凝材料为γ-c2s，密度为2900kg/m3，粒径为5～100μm，粗骨料的粒径为12～15mm，堆积密度为1650kg/m3，细骨料的粒径为0.5～4.5mm，堆积密度为1700kg/m3，增强剂为壳聚糖，减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率为30％，增稠剂为聚丙烯酰胺，γ-c2s胶凝材料280份，粗骨料1560份，细骨料120份，水84份，壳聚糖3.5份，减水剂3.1份，增稠剂0.15份；
53.将增强剂、减水剂、增稠剂和水混合，得到溶液a，然后将所述溶液a与碳矿化胶凝材料混合，以150rpm搅拌6min，得到混合料b，最后将粗骨料、细骨料与所述混合料b混合，以150rpm搅拌5min，得到新拌低碱度高强度透水混凝土；将所述新拌低碱度高强度透水混凝土倒入100
×
100
×
100mm3的钢模中，使用平板振动器对低碱度高强度透水混凝土进行振动、压制密实，方法参照国家标准gb/t25993-2010，得到低碱度高强度透水混凝土坯体；然后将低碱度高强度透水混凝土坯体置于60℃下烘干，控制其含水率为15％，将烘干后的低碱度高强度透水混凝土坯体置于碳化釜内进行碳矿化反应24h，碳化釜内co2的浓度为99.9％，压力为0.2mpa，温度为25℃，相对湿度为60％，得到低碱度高强度透水混凝土。
54.实施例2
55.与实施例1的区别在于，γ-c2s胶凝材料260份，粗骨料1560份，细骨料120份，水78份，壳聚糖3.2份，减水剂2.8份，增稠剂0.13份，其余内容与实施例1一致。
56.实施例3
57.与实施例1的区别在于，γ-c2s胶凝材料240份，粗骨料1560份，细骨料120份，水72份，壳聚糖2.7份，减水剂2.6份，增稠剂0.12份，其余内容与实施例1一致。
58.对比例1
59.胶凝材料为p
·ⅰ42.5普通硅酸盐水泥，粗骨料的粒径为10～16mm，细骨料的粒径为0.15～4.75mm，减水剂为聚羧酸系高效减水剂，增稠剂为聚丙烯酰胺。取水泥300份，粗骨料1560份，细骨料120份，水90份，减水剂3.5份，增稠剂0.21份，先将水泥、粗骨料和细骨料干燥搅拌2min，之后将水、减水剂和增稠剂混合均匀后，将一半与水泥、粗骨料和细骨料混合，搅拌3min，最后倒入剩余的水、减水剂和增稠剂，继续搅拌3min，搅拌完成后，倒入100
×
100
×
100mm3钢模中，使用平板振动器进行振动、压制密实，然后在标准养护室(温度20
±
2℃，湿度》95％)内养护28天，得到透水混凝土。
60.性能测试：
61.对实施例1～3所得低碱度高强度透水混凝土和对比例1所得透水混凝土进行抗压强度和透水系数的测试，测试方法参照国家标准gb/t25993-2010，其结果如表1所示。
62.表1实施例1～3所得低碱度高强度透水混凝土和对比例1所得透水混凝土的空隙率、抗压强度和透水系数结果表
63.测试项目对比例1实施例1实施例2实施例3空隙率(％)19.218.520.822.4抗压强度(mpa)28.536.433.831.2透水系数(mm/s)4.23.94.14.4
64.由表1可知，本发明采用碳矿化反应制备的低碱度高强度透水混凝土与传统水泥水化反应制备得到的透水混凝土相比，在透水系数相差无几的情况下，抗压强度显著提高，说明本发明提供的低碱度高强度透水混凝土，同时具有优异的透水性能和抗压强度。
65.尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。