CN109467363B - 一种高强透水性混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强透水性混凝土，属于混凝土技术领域，其技术方案要点是一种高强透水性混凝土包括如下组分：水泥、粗骨料、增强纤维、减水剂以及水；所述增强纤维包含重量比为2:1:1的聚乙烯醇纤维、木质素纤维以及改性竹纤维。本发明中竹纤维经过预处理以及化学改性后制得改性竹纤维，与聚乙烯醇纤维以及木质素纤维配合后，可以增强纤维、骨料与水泥的粘合能力，增加混凝土的抗压强度以及耐磨性能，可以延长混凝土的使用寿命，适合于道路混凝土使用；并且木质素纤维与竹纤维均属于植物纤维，其纤维的横截面积具有很多的孔隙，在提高混凝土抗压强度的同时能提高其透水性。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，更具体的说，它涉及一种高强透水性混凝土。
背景技术
混凝土是由胶凝材料、骨料以及水按照一定比例配合，经过搅拌而得的工程复合材料；按照使用功能的不同，混凝土可以分为结构混凝土、保温混凝土、装饰混凝土、防水混凝土、耐火混凝土、水工混凝土、海工混凝土、道路混凝土、防辐射混凝土以及透水性混凝土。为了缓解城市“热岛效应”以及缓解城市的地下水位下降的问题，透水性混凝土作为道路混凝土的使用越来越广泛；由于透水混凝土是由水泥、骨料、增强剂以及水拌合而成的一种多孔轻质混凝土，其内部可以形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，可以让雨水流入地下，有效补充地下水，缓解城市的地下水位下降的问题。
现有技术中，申请号为201310270500.2的专利文件，公开了种一种透水混凝土及其制备方法，其组分主要包括水泥、骨料、矿物掺合料、水、胶粘剂、混凝土外加剂，该发明的透水混凝土的强度等级达到C30，透水系数大于2mm/s，抗冻融等级为F150。
但是目前的透水混凝土存在强度和透水性的矛盾，且工作性能较差，限制了透水混凝土的使用，因此如何能够提高透水性混凝土的强度，是一个需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强透水性混凝土，其通过改性竹纤维与聚乙烯醇纤维以及木质素纤维配合后，可以增强纤维、骨料与水泥的粘合能力，增加混凝土的抗压强度；并且而木质素纤维与竹纤维均属于植物纤维，其纤维的横截面积具有很多的孔隙，在提供强度的同时也具有很好的透水性好。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种高强透水性混凝土，重量份数计，包括如下组分：水泥140-160份、粗骨料800-900份、增强纤维20-30份、减水剂2-4份以及水100-120份；所述增强纤维包含重量比为2:1:1的聚乙烯醇纤维、木质素纤维以及改性竹纤维；
所述改性竹纤维采用如下方法制备：以重量份数计：
①预处理：将竹纤维浸泡在8-10wt％的氢氧化钠溶液中，竹纤维与氢氧化钠的重量比为1:20；在40-50℃温度下，浸泡20-24h；然后用50wt％的乙醇溶液对竹纤维进行清洗，当清洗液的pH为7-8后，将竹纤维置于100-110℃的温度下，干燥10-12h，得到预处理竹纤维；
②改性液制备：将氨丙基三乙氧基硅烷0.4-0.6份、二苯基甲烷二异氰酸酯1-2份、乙基纤维素2-3份以及丙二醇丁醚0.2-0.4份溶于50-60份丙酮中，以300-500r/min的速度搅拌20-30min，得到改性液；
③化学改性：将步骤①中的预处理竹纤维浸泡在步骤②中的改性液中，预处理竹纤维与改性液的重量比为1:10；在温度为60-70℃、超声频率为20-30kHz的条件下，浸泡2-4h；然后在压力为0.09-0.095MPa的条件下减压过滤，将竹纤维置于90-100℃的温度下，干燥5-6h，得到改性竹纤维。
通过采用上述技术方案，骨料作为混凝土的骨架材料，可以提高混凝土的强度；经过预处理后的竹纤维，其纤维表面的极性增大，表面的活性基团增大，有利于提高改性效率；通过改性液的化学改性后，得到的竹纤维的强度与韧性增加，在水泥中的分散性能好，与水泥的粘合力增强，可以提高木质素纤维与水泥的粘合强度；通过改性竹纤维与聚乙烯醇纤维以及木质素纤维配合后，可以提高纤维、骨料与水泥的粘合能力，增加混凝土的抗压强度、弯曲强度、耐磨性能以及抗冻性能，当混凝土用于道路混凝土使用时，耐磨性能好，可以延长混凝土的使用寿命；并且而木质素纤维与竹纤维均属于植物纤维，其纤维的横截面积具有很多的孔隙，在提供强度的同时也具有很好的透水性好。
进一步地，所述粗骨料包含重量比为3:1:1的碎石、天然沸石以及陶粒。
通过采用上述技术方案，为了保证混凝土的透水性，因此其原料中采用粒径较大的碎石、陶粒以及天然沸石；碎石质地坚硬，可以作为混凝土的骨架，提高混凝土的强度；陶粒的内部结构特征是呈细密蜂窝状微孔，天然沸石的主要成分是铝硅酸钠，天然沸石具有架状结构，天然沸石中含有的空腔有利于水分的通过；通过碎石、陶粒以及天然沸石的配合，一方面可以作为混凝土的骨架，提高混凝土的强度，另一方面，其内部的孔隙也有利于水分通过，可以起到很好的透水效果。
进一步地，所述碎石的粒径为5-20mm连续级配，碎石的表观密度为2820-2830kg/m3，松散堆积孔隙率为40-45％，松散堆积密度为1550-1560kg/m3。
通过采用上述技术方案，碎石采用的是连续级配的碎石，不同粒径的碎石堆积形成密实填充的搭接骨架，可以提高混凝土的强度；但由于原料中不含有细骨料，因此碎石之间仍然可以留有供水通过的间隙，使混凝土具有良好的透水效果。
进一步地，所述陶粒为粒径为5-10mm连续级配的煤矸石陶粒，粒形为圆球形陶粒，堆积密度为920-940kg/m3，紧密堆积密度为970-990kg/m3，表观密度为1730-1790kg/m3。
通过采用上述技术方案，煤矸石是采煤中的固体废弃物，而煤矸石陶粒是将符合膨胀要求的煤矸石经过处理生产的，属于环保类产品，可以减轻混凝土的重量，节约生产成本；提高混凝土的抗冻性能。
进一步地，所述天然沸石的粒径为4-6mm。
通过采用上述技术方案，采用粒径为4-6mm的天然沸石作为混凝土的粗骨料，可以提高混凝土的透水性能。
进一步地，所述聚乙烯醇纤维的长度为4-6mm，纤度为1.5-2.0D。
通过采用上述技术方案，聚乙烯醇纤维具有很好的机械性能，具有高强度、高模量、耐酸碱腐蚀、不易发霉的优点，并且聚乙烯醇纤维与水泥的亲和性好，不易粘连，粘合强度高，可以有效的提高混凝土的强度。
进一步地，所述木质素纤维为颗粒状木质素纤维，长度为4-6mm，堆积密度为350-400kg/m3。
通过采用上述技术方案，颗粒状的木质素纤维可以作为混凝土中的稳定剂，具有很好的韧性、分散性以及吸水性，可以提高混凝土的透水性能。
进一步地，所述减水剂聚羧酸系高效减水剂。
通过采用上述技术方案，聚羧酸系高效减水剂对水泥有较好的塑化减水效果，可以改善硬化混凝土的性能，具有很好的吸附分散作用，可以提高混凝土的和易性。
进一步地，所述水泥为P.O.42.5的普通硅酸盐水泥。
通过采用上述技术方案，普通硅酸盐水泥具有强度高、抗冻性能好的优点，通过减水剂的加入，可以缓解其水化热大的缺陷。
综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
1.改性竹纤维与聚乙烯醇纤维以及木质素纤维配合后，可以增强纤维、骨料与水泥的粘合能力，增加混凝土的抗压强度、弯曲强度、耐磨性能以及抗冻性，当混凝土用于道路混凝土使用时，耐磨性能好，可以延长混凝土的使用寿命；并且而木质素纤维与竹纤维均属于植物纤维，其纤维的横截面积具有很多的孔隙，在提高混凝土强度的同时也能提高其透水性能；
2.通过碎石、陶粒以及天然沸石的配合，一方面可以作为混凝土的骨架，提高混凝土的强度，另一方面，其内部的孔隙也有利于水分通过，可以起到很好的透水效果。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细说明。
以下实施例中的减水剂采用青岛虹厦高分子材料有限公司生产的HSC聚羧酸高性能减水剂。
一、改性竹纤维的制备例
制备例1：①预处理：将2kg竹纤维浸泡在20kg、8wt％的氢氧化钠溶液中；在40℃温度下，浸泡20h；然后用50wt％的乙醇溶液对竹纤维进行清洗，当清洗液的pH为7后，将竹纤维置于100℃的温度下，干燥10h，得到预处理竹纤维；
②改性液制备：将氨丙基三乙氧基硅烷0.4kg、二苯基甲烷二异氰酸酯1kg、乙基纤维素2kg以及丙二醇丁醚0.2kg溶于50kg丙酮中，以300r/min的速度搅拌20min，得到改性液；
③化学改性：取1kg步骤①中的预处理竹纤维，将其浸泡在10kg步骤②中的改性液中；在温度为60℃、超声频率为20kHz的条件下，浸泡2h；然后在压力为0.09MPa的条件下减压过滤，将竹纤维置于90℃的温度下，干燥5h，得到改性竹纤维。
制备例2：①预处理：将2kg竹纤维浸泡在20kg、9wt％的氢氧化钠溶液中；在45℃温度下，浸泡22h；然后用50wt％的乙醇溶液对竹纤维进行清洗，当清洗液的pH为7后，将竹纤维置于105℃的温度下，干燥11h，得到预处理竹纤维；
②改性液制备：将氨丙基三乙氧基硅烷0.5kg、二苯基甲烷二异氰酸酯1.5kg、乙基纤维素2.5kg以及丙二醇丁醚0.3kg溶于55kg丙酮中，以400r/min的速度搅拌25min，得到改性液；
③化学改性：取1kg步骤①中的预处理竹纤维，将其浸泡在10kg步骤②中的改性液中；在温度为65℃、超声频率为25kHz的条件下，浸泡3h；然后在压力为0.093MPa的条件下减压过滤，将竹纤维置于95℃的温度下，干燥5.5h，得到改性竹纤维。
制备例3：①预处理：将2kg竹纤维浸泡在20kg、10wt％的氢氧化钠溶液中；在50℃温度下，浸泡24h；然后用50wt％的乙醇溶液对竹纤维进行清洗，当清洗液的pH为8后，将竹纤维置于110℃的温度下，干燥12h，得到预处理竹纤维；
②改性液制备：将氨丙基三乙氧基硅烷0.6kg、二苯基甲烷二异氰酸酯2kg、乙基纤维素3kg以及丙二醇丁醚0.4kg溶于60kg丙酮中，以500r/min的速度搅拌30min，得到改性液；
③化学改性：取1kg步骤①中的预处理竹纤维，将其浸泡在10kg步骤②中的改性液中；在温度为70℃、超声频率为30kHz的条件下，浸泡4h；然后在压力为0.095MPa的条件下减压过滤，将竹纤维置于100℃的温度下，干燥6h，得到改性竹纤维。
制备例4：本制备例与制备例1的不同之处在于，竹纤维只经过步骤①的处理。
制备例5：本制备例与制备例1的不同之处在于，步骤②中改性液只包含氨丙基三乙氧基硅烷以及丙酮。
二、实施例
实施例1：一种高强透水性混凝土，包括如下组分：P.O.42.5的普通硅酸盐水泥140kg、碎石480kg、陶粒160kg、天然沸石160kg、聚乙烯醇纤维10kg、木质素纤维5kg、改性竹纤维5kg、聚羧酸系高效减水剂2kg以及水100kg，改性竹纤维选自改性竹纤维的制备例1制备的改性竹纤维；其中，碎石的粒径为5-20mm连续级配，碎石的表观密度为2820kg/m3，松散堆积孔隙率为40％，松散堆积密度为1550kg/m3；陶粒为粒径为5-10mm连续级配的煤矸石陶粒，粒形为圆球形陶粒，堆积密度为920kg/m3，紧密堆积密度为970kg/m3，表观密度为1730kg/m3；天然沸石的粒径为4mm；聚乙烯醇纤维的长度为4mm，纤度为1.5D；木质素纤维为颗粒状木质素纤维，长度为4mm，堆积密度为350kg/m3。
实施例2：一种高强透水性混凝土，包括如下组分：P.O.42.5的普通硅酸盐水泥150kg、碎石510kg、陶粒170kg、天然沸石170kg、聚乙烯醇纤维12.5kg、木质素纤维6.25kg、改性竹纤维6.25kg、聚羧酸系高效减水剂3kg以及水110kg，改性竹纤维选自改性竹纤维的制备例2制备的改性竹纤维；其中，碎石的粒径为5-20mm连续级配，碎石的表观密度为2825kg/m3，松散堆积孔隙率为43％，松散堆积密度为1555kg/m3；陶粒为粒径为5-10mm连续级配的煤矸石陶粒，粒形为圆球形陶粒，堆积密度为930kg/m3，紧密堆积密度为980kg/m3，表观密度为1760kg/m3；天然沸石的粒径为5mm；聚乙烯醇纤维的长度为5mm，纤度为1.8D；木质素纤维为颗粒状木质素纤维，长度为5mm，堆积密度为375kg/m3。
实施例3：一种高强透水性混凝土，包括如下组分：P.O.42.5的普通硅酸盐水泥160kg、碎石480kg、陶粒180kg、天然沸石180kg、聚乙烯醇纤维15kg、木质素纤维7.5kg、改性竹纤维7.5kg、聚羧酸系高效减水剂4kg以及水120kg，改性竹纤维选自改性竹纤维的制备例3制备的改性竹纤维；其中，碎石的粒径为5-20mm连续级配，碎石的表观密度为2830kg/m3，松散堆积孔隙率为45％，松散堆积密度为1560kg/m3；陶粒为粒径为5-10mm连续级配的煤矸石陶粒，粒形为圆球形陶粒，堆积密度为940kg/m3，紧密堆积密度为990kg/m3，表观密度为1790kg/m3；天然沸石的粒径为6mm；聚乙烯醇纤维的长度为6mm，纤度为2.0D；木质素纤维为颗粒状木质素纤维，长度为6mm，堆积密度为400kg/m3。
表1实施例1-3中高强透水性混凝土组分表(单位：kg)
三、对比例
对比例1：本对比例与实施1的不同之处在于，混凝土的原料中不包含增强纤维。
对比例2：本对比例与实施例1的不同之处在于，增强纤维中只包含改性竹纤维。
对比例3：本对比例与实施例1的不同之处在于，增强纤维中只包含重量比为3:1的聚乙烯醇纤维以及木质素纤维。
对比例4：本对比例与实施例1的不同之处在于，用等量的普通的未经改性的竹纤维代替制备例1中的改性竹纤维。
对比例5：本对比例与实施例1的不同之处在于，改性竹纤维选自制备例4制备的改性竹纤维。
对比例6：本对比例与实施例1的不同之处在于，改性竹纤维选自制备例5制备的改性竹纤维。
四、性能测试，按照实施例1-3以及对比例1-6的中混凝土的原料配比，将各原料混合均匀后，制得混凝土，根据规范CJJ/T135-2009《透水混凝土路面试验规程》，对实施例1-3以及对比例1-6中的混凝土的性能进行测试，将结果示于表2。
表2实施例1-3以及对比例1-6制备的透水混凝土的性能测试表
由表2数据可以看出，本发明的混凝土兼具优异的抗压强度、弯曲强度以及透水性能，抗压强度可以达到C50等级；此外，本发明的混凝土的耐磨性能好，当其作为道路混凝土使用时，混凝土的表面磨损小，可以延长混凝土的使用寿命；并且本发明的混凝土除了具有优异的透水性外，还具有良好的抗冻性，抗冻性是指在含水状态下能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质，说明本发明的混凝土适用于寒冷的地区，具有较为广泛的使用环境。
对比例1中不含有增强纤维，相较于实施例1，对比例1中混凝土的耐磨性能、透水系数、抗冻性、孔隙率、抗压强度以及弯曲强度明显降低，说明增强纤维的加入可以明显改善混凝土的以上性能。
对比例2中的增强纤维只包含改性竹纤维，相较于实施例1，对比例2中混凝土的耐磨性能仍有较大幅度的降低，说明增强纤维中的聚乙烯醇纤维以及木质素纤维并用时，可以明显改善混凝土的耐磨性能；而对比例1中的透水系数、抗冻性、孔隙率、抗压强度以及弯曲强度有较小幅度的降低，说明增强纤维中的改性竹纤维可以有效的提高混凝土的透水性、抗冻性、孔隙率、抗压强度以及弯曲强度。
对比例3中只包含重量比为3:1的聚乙烯醇纤维以及木质素纤维，相较于实施例1，对比例3中混凝土的抗冻性、抗压强度以及弯曲强度明显降低，说明改性竹纤维明显有助于提高混凝土的抗冻性、抗压强度以及弯曲强度；相较于实施例1，对比例3中混凝土的磨耗有较小幅度的增高，说明改性竹纤维可以提高混凝土的耐磨性能；相较于实施例1，对比例3中混凝土的透水系数以及孔隙率均有所下降，而对比例2相对于实施例1中混凝土的透水系数以及孔隙率也有所下降，说明聚乙烯纤维与木质素纤维以及改性竹纤维均有利于提高混凝土的透水性能。
对比例4中将改性竹纤维替换为等量的普通未经改性的竹纤维，相较于实施例1，混凝土的抗冻性、抗压强度以及弯曲强度明显降低，说明经过改性处理后的竹纤维可以显著提高混凝土的抗冻性、抗压强度以及弯曲强度。
对比例5中的改性竹纤维只经过预处理的步骤，相较于实施例1，混凝土的抗冻性、抗压强度以及弯曲强度明显降低；相较于对比例4，混凝土的抗压强度有所提高，说明经过预处理后的竹纤维，可以提高混凝土的抗压强度；相较于对比例4，混凝土的耐磨性能有较小幅度的提高，说明经过预处理后的竹纤维与聚乙烯醇纤维以及木质素纤维相互作用，可以提高混凝土的耐磨性能。
对比例6中的改性液只包含氨丙基三乙氧基硅烷以及丙酮，相较于实施例1，混凝土的抗冻性以及弯曲强度仍然有较大幅度的降低，说明经过本发明的改性液处理后的竹纤维，可以提高混凝土的抗冻性以及弯曲强度；相较于实施例1，对比例6中混凝土的抗压强度仍然有所降低，说明经过本发明的改性液处理后的竹纤维，也可以提高混凝土的抗压强度。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，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，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.一种高强透水性混凝土，其特征在于：以重量份数计，包括如下组分：
水泥140-160份、粗骨料800-900份、增强纤维20-30份、减水剂2-4份以及水100-120份；
所述增强纤维包含重量比为2:1:1的聚乙烯醇纤维、木质素纤维以及改性竹纤维；所述聚乙烯醇纤维的长度为4-6mm，纤度为1.5-2.0D；所述木质素纤维为颗粒状木质素纤维，长度为4-6mm，堆积密度为350-400kg/m3；
所述改性竹纤维采用如下方法制备：以重量份数计：
①预处理：将竹纤维浸泡在8-10wt%的氢氧化钠溶液中，竹纤维与氢氧化钠的重量比为1:20；在40-50℃温度下，浸泡20-24h；然后用50wt%的乙醇溶液对竹纤维进行清洗，当清洗液的pH为7-8后，将竹纤维置于100-110℃的温度下，干燥10-12h，得到预处理竹纤维；
②改性液制备：将氨丙基三乙氧基硅烷0.4-0.6份、二苯基甲烷二异氰酸酯1-2份、乙基纤维素2-3份以及丙二醇丁醚0.2-0.4份溶于50-60份丙酮中，以300-500r/min的速度搅拌20-30min，得到改性液；
③化学改性：将步骤①中的预处理竹纤维浸泡在步骤②中的改性液中，预处理竹纤维与改性液的重量比为1:10；在温度为60-70℃、超声频率为20-30kHz的条件下，浸泡2-4h；然后在压力为0.09-0.095MPa的条件下减压过滤，将竹纤维置于90-100℃的温度下，干燥5-6h，得到改性竹纤维。
2.根据权利要求1所述的一种高强透水性混凝土，其特征在于：所述粗骨料包含重量比为3:1:1的碎石、天然沸石以及陶粒。
3.根据权利要求2所述的一种高强透水性混凝土，其特征在于：所述碎石的粒径为5-20mm连续级配，碎石的表观密度为2820-2830kg/m3，松散堆积孔隙率为40-45%，松散堆积密度为1550-1560kg/m3。
4.根据权利要求2所述的一种高强透水性混凝土，其特征在于：所述陶粒为粒径为5-10mm连续级配的煤矸石陶粒，粒形为圆球形陶粒，堆积密度为920-940kg/m3，紧密堆积密度为970-990kg/m3，表观密度为1730-1790kg/m3。
5.根据权利要求2所述的一种高强透水性混凝土，其特征在于：所述天然沸石的粒径为4-6mm。
6.根据权利要求1所述的一种高强透水性混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
7.根据权利要求1所述的一种高强透水性混凝土，其特征在于：所述水泥为P.O.42.5的普通硅酸盐水泥。
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