CN109369104B - 一种高强度、高透水混凝土的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度、高透水混凝土的制备方法,属于道路铺设材料技术领域;包括如下重量份数的原料:粗骨料1400‑1600份、水泥150‑210份、稻壳灰40‑50份、纳米二氧化硅10‑20份、粉煤灰50‑70份、微细矿渣10‑20份、连续粒径石英砂150‑210份、水45‑65份、高效减水剂8‑11份。其中,粗骨料的组成为:起骨架支撑作用的单粒径花岗岩碎石占比80%‑90%、改善内部养护环境的2.36‑9.5mm粒级的陶粒5%‑10%、增加透水混凝土碎石粘结点之间桥接数量的2.36‑4.75mm的玻璃碎屑5%‑10%,形成最紧密的浆体后再与粗骨料在富余系数的指导下进行透水混凝土的配合比设计,以使得制备的透水混凝土成品在保证大透水性能的基础上,获得28d抗压强度大于30MPa,所制备出的透水混凝土具有的优异性能,将带来非常可观的经济实用效果和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度、高透水混凝土的制备方法,属于道路铺设材料技术领域。
背景技术
随着我国经济的发展,城市化建设进程加快,整个城市被不透水路面覆盖的面积也越来越多,不透水路面带来人们行走的便利外,也带来了很多负面影响:大雨时候内涝、夏天时候的“热岛效应”、地表径流使地下水位严重下降等等。种种迹象表明,普通的封闭硬化路面已经不能满足城市的可持续发展的需要,亟需对现有的路面进行透水、透气开发。
透水混凝土一般由单粒径骨料、浆体(净浆或者砂浆)经过拌制而成,其中浆体包裹在骨料表面再经过一定的外力作用使得骨料之间形成粘结点,达到既有一定强度又有贯穿连续大孔结构的水泥基透水材料。这是一种介于普通混凝土和耕植土之间的新型建筑材料,其特点是:具有连续孔隙、一定强度、透水透气。这些特点使得既具备混凝土的强度性能,又具备耕植土一样改善和美化居住环境的功能,在城市建设中可以有效降低雨水径流、吸音降噪改善视听环境、减少城市热岛效应等等,是海绵城市建设中重要的工程材料,对其进行开发和应用将产生十分显著的生态效应和社会效应。
虽然透水混凝土具有许多适应时代发展和海绵城市建设的优点,应用面和发展前景较为广阔,但是由于其内部孔隙存在、骨料之间以点形式粘结、粘结强度相对较低,导致其整体强度普遍偏低。从而,寻求一种增强其性能,扩大其应用面的技术显得十分必要。在现有的技术中,有很多透水混凝土的制备技术和专利,常规的做法往往是为了保证良好的透水性,强度等级很难达到30MPa,或者为了保证良好的力学性能,其透水系数往往很难达到15mm/s以上,强度和透水性能成为一个难以解决的矛盾点。为了解决这个问题,常用的思路有:优选原材料,如降低碎石的粒径、选择更高强的碎石或者超细矿物材料、选择更高标号的水泥等;优化制备成型工艺,如采取适当提高压制成型的压力和保压时间、采取压制成型+振捣成型结合的形式、采取高压空气成型技术等;优化养护工艺,如采取蒸汽养护、热养护等。这些思路都对透水混凝土的力学性能和透水性能平衡起到了一定的效果,但是这些思路的出发点都没有从根本上解决问题;因此,开发一种新的理论和方法进行高强度、高透水混凝土的制备,是提高其力学性能和透水性能非常必要的途径。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足,提供一种结构简单,设计合理、操作方便的高强度、高透水混凝土的制备方法,从配合比设计理论的角度进行力学性能和透水性能的平衡,从根本上解决问题,获得此方法。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:所述高强度、高透水混凝土包含以下重量份数的原料:包括如下重量份数的原料:粗骨料1400-1600份、水泥150-210份、稻壳灰40-50份、纳米二氧化硅10-20份、粉煤灰50-70份、微细矿渣10-20份、连续粒径石英砂150-210份、水45-65份、高效减水剂8-11份。
作为优选,所述粗骨料的组成为:起骨架支撑作用的单粒径花岗岩碎石占比80%-90%、改善内部养护环境的2.36-9.5mm粒级的陶粒5%-10%、增加透水混凝土碎石粘结点之间桥接数量的2.36-4.75mm的玻璃碎屑5%-10%。
作为优选,所述石英砂为连续粒径石英砂,最大粒径830um(20目)、最小粒径可以到45um(325目)。
作为优选,所述连续粒径的石英砂级配和胶凝材料的配比是按照Andreasen经典理论进行最紧密堆积理论进行计算获得,具体过程为,选取一个富勒指数q后,将连续粒径的石英砂和胶凝材料依照粒径的大小进行最紧密堆积计算,得到不同粒径的石英砂和胶凝材料的掺入比例,其中,最小粒径石英砂之后的粒径区间全部认为由胶凝材料填充。
作为优选,按所述紧密堆积理论配制的砂浆体系与粗骨料组合后,再采用同水灰比的水泥净浆作为富余浆体层充分增强碎石之间的粘结点,富余浆体的量采用富余系数来控制,其中定义富余系数为富余的净浆质量与紧密堆积砂浆层质量的比值;作为优选,所述富余系数取值为当次计算过程中所选取富勒指数q的2倍。
考虑富余同水灰比的净浆,定义一个富余系数F:富余的净浆质量与紧密堆积砂浆层质量的比值为F,选定一个给定的F值,依此可以得到富余水泥净浆的质量,结合选定的水灰比值,再算出富余净浆的配合比。
作为优选,所述稻壳灰为农业废弃物稻壳燃烧后的产物,将其加入到胶凝材料体系中,利用其具备的火山灰效应和微集料效应来提高混凝土的力学性能和耐久性能,其中采用替代水泥的方式加入,加入量为水泥质量的15%。
作为优选,所述纳米二氧化硅为具有水化活性的掺合料,将其掺入胶凝材料体系中,以改善浆体体系的水化产物结构和整个浆体体系的粘度,使得浆体更容易在骨料表面形成高强度的粘结点,其中,采用替代水泥的方式加入,加入量为水泥质量的5%。
作为优选,所述粉煤灰和微细矿渣具有二次水化特点,将粉煤灰和微细矿渣掺入到胶凝材料体系中,以改善浆体体系后期的水化产物结构,使得热养护后的浆体在后期强度上也能同步保持稳定增长;其中,采用替代水泥的方式加入,加入量为:粉煤灰为水泥质量的20%、微细矿渣为水泥质量的5%。
依照体积法,VA+VZ+VK=1;针对高强度、高透水混凝土,VK≥18%,VA可以由碎石的质量算得,从而可以得出VZ的值。由最紧密堆积计算和富余系数的计算可以获得砂浆层和净浆的原材料组成百分比,从而计算出砂浆层和净浆层的理论密度ρt,便可得出最紧密堆积砂浆层和富余净浆层的总质量mz=ρt·VZ。再结合最紧密堆积砂浆层和富余净浆体系的各组分之间的比例关系,最终确定1m3透水混凝土中所需的各个粒径石英砂、水泥、纳米二氧化硅、粉煤灰、微细矿渣的质量。
本发明所述一种高强度、高透水混凝土的制备方法如下:
1、按计算得到比例据重量称取原料组分,先将骨料和20%的水进行搅拌1分钟,再加入胶凝材料和石英砂搅拌1分钟,然后将剩余的水和全部的减水剂加入搅拌6分钟,最后将搅拌好的物料装入模具中进行等静压成型,其中成型压力1MPa,恒压时间1min,置于标准养护条件下养护24h后脱模,得透水混凝土试块;
2、将成型后的混凝土试块进行热水养护,热水养护的最高温度不超过90℃,恒温24小时后随热水自然冷却到室温;
3、热水养护后,再取出置于常温水中养护至第28天即可得到高强度、高透水混凝土。
相对于现有的增强透水混凝土力学性能和透水性能的技术方法,该发明从配制理论角度出发,从优化制备粘结浆体力学性能和粘结点桥接数量的思路出发,利用最紧密堆积原理和提出富余系数,在不降低透水混凝土空隙率的情况下,最大程度的增大粘结浆体密实度和强度,从而保证高力学性能和高透水性能的透水混凝土制备方法,采用本发明提出的制备方法进行透水混凝土的配合比计算和制备,可以获得力学性能和透水性能均优异的透水混凝土制品。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅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性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
参看如表1所示,本具体实施方式所述的一种高强度、高透水混凝土包含以下原料:花岗岩碎石、陶粒、玻璃碎屑、水泥、稻壳灰、纳米二氧化硅、粉煤灰、微细矿渣、连续粒径石英砂、水、高效减水剂。
上述原料中所述连续粒径的石英砂级配和胶凝材料(水泥、稻壳灰、纳米二氧化硅、粉煤灰、微细矿渣)的配比是按照Andreasen经典理论q为富勒指数,取值0.33-0.5,Dp为当前粒径,Dpl为最大粒径)进行最紧密堆积理论进行计算获得,具体过程为,选取一个富勒指数q后,将连续粒径的石英砂和胶凝材料依照粒径的大小进行最紧密堆积计算,得到不同粒径的石英砂和胶凝材料的掺入比例,其中,最小粒径石英砂之后的粒径区间全部认为由胶凝材料填充。
然后,考虑富余同水灰比的净浆,定义一个富余系数F:富余的净浆质量与紧密堆积砂浆层质量的比值为F,选定一个给定的F值,依此可以得到富余水泥净浆的质量,结合选定的水灰比值,再算出富余净浆的配合比。
最后,依照体积法,VA+VZ+VK=1(其中,VA为粗骨料的体积,VZ为最紧密堆积砂浆层和富余净浆的总体积,VK为透水混凝土设计空隙率)。本发明针对高强度、高透水混凝土,VK≥18%,VA可以由组合粗骨料的质量算得,从而可以得出VZ的值。由最紧密堆积计算和富余系数的计算可以获得砂浆层和净浆的原材料组成百分比,从而计算出砂浆层和净浆层的理论密度ρt,便可得出最紧密堆积砂浆层和富余净浆层的总质量mz=ρt·VZ。再结合最紧密堆积砂浆层和富余净浆体系的各组分之间的比例关系,最终确定1m3透水混凝土中所需的各个粒径石英砂、水泥、稻壳灰、纳米二氧化硅、粉煤灰、微细矿渣的质量。
表1:原材料及规格
参看如表2所示,本发明共采用9个实施例:
其中,实施案例1-3为窄级配系列,
实施案例4-6为宽级配系列,
实施案例7-9为对照组。
所有案例的Fuller指数P和净浆富余系数F取值分别是0.33和0.66,水胶比均采用0.18。
表2:实施案例1-9,单位:kg/m3
参看如图1,配合比设计计算过程演示(以实施案例2为例):
200目以下的粒径认为全部由胶凝材料填充。从而最紧密堆积体系中胶凝材料:石英砂=1:1.21。
第二步:富余浆体量=0.66×(1+0.18×1+0.03×1+1.21)=1.61。从而掺入富余浆体后的胶凝材料量=1+1.60/(1+0.18)=2.36;石英砂量=1.21;从而掺入富余浆体后的透水混凝土砂浆体系组成(以胶凝材料为1计算):胶凝材料:石英砂=1:0.51;从而水泥:稻壳灰:纳米二氧化硅:粉煤灰:微细矿渣:粗砂:中砂:细砂:水:外加剂=(0.55:0.15:0.05:0.2:0.05):0.21:0.19:0.11:0.18:0.03。
第三步:利用体积法VA+VZ+VK=1,组合粗骨料的表观密度按照2650kg/m3计,VA=1500/2650=0.566;设定VK=0.20从而VZ=1-(0.20+0.566)=0.234;ρt各个材料按照比例,按照理论密度进行理论计算,此案例中可计算出为ρt=2377kg/m3,从而mz=ρt·VZ=556.1kg;
第四步,再根据第二步中的各原材料比例和第三步中最紧密堆积砂浆层和富余净浆层的总质量mz,可以算出每立方混凝土中各原材料的质量。
参看如表3所示,本发明的9个实例例测试结果:
表3实施案例1-9测试结果
序号 | 28d抗压强度/MPa | 透水系数/mm/s |
实施案例1 | 35.1 | 16.5 |
实施案例2 | 33.4 | 21.3 |
实施案例3 | 32.6 | 21.6 |
实施案例4 | 38.6 | 15.2 |
实施案例5 | 34.9 | 19.8 |
实施案例6 | 30.5 | 26.1 |
实施案例7 | 26.6 | 25.8 |
实施案例8 | 23.7 | 28.6 |
实施案例9 | 28.8 | 27.1 |
以上所述,仅用以说明本发明的技术方案而非限制,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换,只要不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种高强度、高透水混凝土,其特征在于:所述高强度、高透水混凝土包含以下重量份数的原料:粗骨料1400-1600份、水泥150-210份、稻壳灰40-50份、纳米二氧化硅10-20份、粉煤灰50-70份、微细矿渣10-20份、连续粒径石英砂150-210份、水45-65份、高效减水剂8-11份;
所述的最紧密堆积理论配制的砂浆体系与粗骨料组合后,再采用同水灰比的水泥净浆作为富余浆体层充分增强碎石之间的粘结点,富余浆体的量采用富余系数来控制,其中定义富余系数为富余的净浆质量与紧密堆积砂浆层质量的比值;所述富余系数F取值为当次计算过程中所选取富勒指数q的2倍。
2.根据权利要求1所述的一种高强度、高透水混凝土,其特征在于:粗骨料的组成为:起骨架支撑作用的单粒径花岗岩碎石占比80%-90%、改善内部养护环境的2.36-9.5mm粒级的陶粒5%-10%、增加透水混凝土碎石粘结点之间桥接数量的2.36-4.75mm的玻璃碎屑5%-10%。
3.根据权利要求1所述的一种高强度、高透水混凝土,其特征在于:所述石英砂为连续粒径石英砂,最大粒径830um、最小粒径45um。
4.根据权利要求1所述的一种高强度、高透水混凝土,其特征在于:所述稻壳灰为农业废弃物稻壳燃烧后的产物,将其加入到胶凝材料体系中,利用其具备的火山灰效应和微集料效应来提高混凝土的力学性能和耐久性能,其中采用替代水泥的方式加入,加入量为水泥质量的15%。
5.根据权利要求1所述的一种高强度、高透水混凝土,其特征在于:纳米二氧化硅为具有水化活性的矿物掺合料,将其掺入胶凝材料体系中,以改善浆体体系的水化产物结构和整个浆体体系的粘度,使得浆体更容易在骨料表面形成高强度的粘结点,其中,采用替代水泥的方式加入,加入量为水泥质量的5%。
6.根据权利要求1所述的一种高强度、高透水混凝土,其特征在于:所述粉煤灰和微细矿渣具有二次水化特点,将粉煤灰和微细矿渣掺入到胶凝材料体系中,以改善浆体体系后期的水化产物结构,使得热养护后的浆体在后期强度上也能同步保持稳定增长;其中,采用替代水泥的方式加入,加入量为:粉煤灰为水泥质量的20%、微细矿渣为水泥质量的5%。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种高强度、高透水混凝土的制备方法,其特征在于:制备方法如下:
(1)、按计算得到比例据重量称取原料组分,先将骨料和20%的水进行搅拌1分钟,再加入胶凝材料和石英砂搅拌1分钟,然后将剩余的水和全部的减水剂加入搅拌6分钟,最后将搅拌好的物料装入模具中进行等静压成型,其中成型压力1MPa,恒压时间1min,置于标准养护条件下养护24h后脱模,得透水混凝土试块;
(2)、将成型后的混凝土试块进行热水养护,热水养护的最高温度不超过90℃,恒温24小时后随热水自然冷却到室温;
(3)、热水养护后,再取出置于常温水中养护至第28天即可得到高强度、高透水混凝土。
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