CN109626911B - 一种具有持续净水功能的透水混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有持续净水功能的透水混凝土及其制备方法。所述的透水混凝土由壳聚糖、无机胶凝材料、轻集料、外加剂及水组成；每立方米所述的透水混凝土包括300～500kg/m³的所述无机胶凝材料、400～800kg/m³的所述轻集料和90kg～250kg/m³的所述水；所述壳聚糖的质量为无机胶凝材料质量的0.1％～10％。本发明集料成分采用轻集料，利用轻集料吸水率高、多孔的特点，同时轻集料不预湿，并研究设计了集料与胶凝材料两者之间的吸水率匹配关系，使得表面浆体吸附的重金属离子等污染物质通过水分的转移或离子的迁移，由表面浆体转移到内部多孔的轻集料，净化能力得到了显著的增强，并具有持续净水的功能。

Description

一种具有持续净水功能的透水混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土领域，具体涉及一种具有持续净水功能的透水混凝土及其制备方法。

背景技术

近些年来，随着环境气候的无规律变化，城市内涝、热岛效应等问题变得越来越严重，同时伴随着人口增多，对地表地下水无索度的开采，这使得人们迫切希望改造城市地下水通道，并限制雨水外流且补充地下水资源，使得不透水的混凝土路面越来越为人诟病。此时，应用透水混凝土成为解决方案的最佳途径，也是我国未来城市建设的方向。同时雨水通过透水混凝土的孔隙结构直接渗透进土壤中，进入地下水系，这既能补充地下水，也能缓解地表径流。但是雨水中自身也含有一些污染物质，如果不及时处理，就会污染地下水资源。这就要求透水混凝土需要具有对雨水起到良好的净化作用，减少非点源污染。

透水混凝土具有良好的净水特性，主要作用表现为吸附，当雨水中污染物质随着透水混凝土孔隙通道下渗时，由于吸附作用，污染物质(如重金属离子等)会被吸附到透水混凝土孔隙的内表面的浆体层上。然而，透水混凝土对污染物质的吸附作用与其内部孔隙表面浆体的有效吸附面积成正比关系，随着雨水下渗次数的增加，透水混凝土的孔隙内壁表面积有限的，浆体表面很容易吸附到饱和，从而使透水混凝土的净化特性逐渐下降甚至失去净化能力，使其变为普通的无净化能力的透水路面。如何延长透水混凝土的持续净水能力成为当下亟待解决的一个问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题提供一种具有持续净水功能的透水混凝土以及制备方法。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有持续净水功能的透水混凝土，所述的透水混凝土由壳聚糖、无机胶凝材料、轻集料、外加剂及水组成；每立方米所述的透水混凝土包括300～500kg/m³的所述无机胶凝材料及400～800kg/m³的所述轻集料和90～250kg/m³的所述水；所述壳聚糖的质量为无机胶凝材料质量的0.1％～10％。

上述方案中，所述壳聚糖为羧甲基壳聚糖、N-羧甲基壳聚糖、O-羧甲基壳聚糖或N,O-羧甲基壳聚糖中的一种或两种以上任意比例的混合。

上述方案中，所述无机胶凝材料为硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥中的一种或两种任意比例的混合。

上述方案中，所述轻集料为陶粒、浮石、火山渣或膨胀矿渣珠中的一种或两种以上任意比例的混合。

上述方案中，所述陶粒为粘土陶粒、粉煤灰陶粒、赤泥陶粒或煤矸石陶粒中的一种或两种以上任意比例的混合。

上述方案中，所述外加剂由减水剂、增粘剂以及早强剂组成，所述外加剂的用量为壳聚糖改性无机胶凝材料质量的0.4％～2.0％。

上述方案中，所述外加剂由30～60wt％的减水剂、10～30wt％的增粘剂以及20～40wt％的早强剂组成。

上述方案中，所述减水剂为木质素磺酸钠盐减水剂、萘系减水剂、氨基减水剂或聚羧酸减水剂中的一种或两种以上任意比例的混合。

上述方案中，所述增粘剂为纤维素醚、天然橡胶、丙烯类乳液或聚乙烯醇中的一种或两种以上任意比例的混合。

上述方案中，所述早强剂为三乙醇胺、甲酸钙中的一种或两种以上任意比例的混合。

所述的具有持续净水功能的透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在搅拌装置中，将所述的壳聚糖、无机胶凝材料混合搅拌均匀，搅拌时间不低于30s，制备壳聚糖改性无机胶凝材料；

2)然后将所述轻集料加入到壳聚糖改性无机胶凝材料中，混合搅拌均，搅拌1min随后将所述水与外加剂混合加入到搅拌装置中，使其充分搅拌，搅拌时间不低于2min；

3)搅拌完成后出料，分层装料振压或插捣成型，养护后得到所述透水混凝土。

上述方案中，所述轻集料的吸水率大于壳聚糖改性无机胶凝材料的吸水率。

上述方案中，轻集料在混合搅拌前保持干燥状态，且其含水量不超过轻集料质量的1％。

在本发明中，壳聚糖是一种具有良好的吸附效果的有机物质，加入壳聚糖会增强无机胶凝材料浆体的吸附性能，且其成本低廉，但是由于壳聚糖不易溶于水和酸性溶液，因此选择了壳聚糖的衍生物-羧甲基壳聚糖及其衍生物，它具有良好的水溶性和绿色环保性，更为强大的吸附性等。

在本发明中，轻集料为陶粒、浮石、火山渣、膨胀矿渣珠中的一种或两种以上任意比例的混合。与以往的透水混凝土的骨料相比，本发明采用轻集料，它具有质轻、多孔和吸水率高的特点。当雨水通过透水混凝土路面时，雨水由透水混凝土的孔隙通道渗透进入地下，同时水中存在的重金属离子等污染物质会被孔隙内壁的浆体吸附。雨水浸泡的表面浆体的湿度一般大于其内部集料的湿度，同时由于轻集料的吸水率较高，从而促进水分由从湿度高的位置向湿度低的位置转移，则水分中携带的重金属离子等污染物质和孔隙内壁上浆体附着的污染物质也会向轻集料转移；此外，当表面浆体的湿度与内部集料的湿度一致时，根据扩散理论，表面浆体所吸附的重金属离子等污染物质的浓度要高于内部轻集料中所还有的重金属离子等污染物的浓度，重金属离子等污染物质会由高浓度区域向低浓度区域转移，即同样会由表面浆体向轻集料及内部转移。将表面的重金属离子等污染物质从表面浆体储存到内部的多孔轻集料中去，这都会使得具有吸附特性的浆体表面重新恢复其吸附特性，提高了透水混凝土的净化能力，从而实现了透水混凝土对污染性物质的可持续净化功能。需要强调的是，本发明中的壳聚糖改性无机胶凝材料与轻集料的吸水率之间存在匹配关系，轻集料吸水率需大于壳聚糖改性无机胶凝材料吸水率。这是本专利成功的一个关键点，根据吸附理论和扩散理论，只有当轻集料的吸水率大于壳聚糖改性无机胶凝材料的吸水率，才能使得表面吸附物质由外向内迁移，从而获得具有持续净水功能的透水混凝土。

在本发明中，轻集料在混合搅拌前保持干燥状态，不预吸水或预湿。这也是本专利的一个创新点，传统使用轻集料的混凝土，轻集料要先预湿，否则会使混凝土用水量过多；但本专利不预湿，轻集料本身具有良好的吸水率，采用不预湿的轻集料，提高了内部轻集料的吸水容纳能力和表面浆体与内部轻集料的湿度差，促使了表面浆体吸附的重金属离子等污染物质随着水分向内部轻集料的转移。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.采用壳聚糖改性无机胶凝材料，利用了壳聚糖具有良好的吸附性，采用其改性无机胶凝材料，使浆体的吸附特性显著改善。

2.集料成分采用轻集料，利用轻集料吸水率高、多孔的特点，同时轻集料不预湿，并研究设计了集料与胶凝材料两者之间的吸水率匹配关系，使得表面浆体吸附的重金属离子等污染物质通过水分的转移或离子的迁移，由表面浆体转移到内部多孔的轻集料，净化能力得到了显著的增强，并具有持续净水的功能。

附图说明

图1为透水混凝土的净水测试装置。

其中，1-进液口，2-蓄水筒，3-溢流水槽；4-收集槽；5-出液口。

具体实施方式

具体实施例仅仅是对本发明的解释，以下参照具体实施方式来进一步描述本发明，以使本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受制于本发明的实施方式。

对比例1

该对比例提供一种普通的透水混凝土：400kg/m³普通硅酸盐水泥、1400kg/m³的碎石粗骨料、160kg/m³水、4kg/m³羧甲基壳聚糖、2kg/m³减水剂、0.8kg/m³增粘剂以及1.6kg/m³早强剂。

所述的减水剂为木质素磺酸钠盐减水剂；所述的增粘剂为纤维素醚；所述的早强剂为三乙醇胺。

普通的透水混凝土制备：在搅拌装置中，将所述的羧甲基壳聚糖与普通硅酸盐水泥搅拌，搅拌时间不低于30s，然后加入碎石粗骨料混合搅拌均匀，搅拌1min；将所述水与外加剂混合加入到搅拌装置中，使其充分搅拌，搅拌时间不低于2min；搅拌完成后出料，分层装料振压或插捣成型，室温下24h后脱模，放入到养护室养护28天后，最终得到透水混凝土。

对比例2

该对比例提供一种具有持续净水功能的透水混凝土(重量)：400kg/m³普通硅酸盐水泥、750kg/m³圆球形粉煤灰陶粒、160kg/m³水、4kg/m³羧甲基壳聚糖、2kg/m³减水剂、0.8kg/m³增粘剂以及1.6kg/m³早强剂。

根据GB/T17431.1-1998《轻集料及其实验方法》，测得圆球形粉煤灰陶粒的24h吸水率为2.1％，壳聚糖改性普通硅酸盐水泥浆体的24h吸水率为6.2％，可知轻集料吸水率小于浆体。

所述的减水剂为木质素磺酸钠盐减水剂；所述的增粘剂为纤维素醚；所述的早强剂为三乙醇胺。

具有持续净水功能的透水混凝土制备：在搅拌装置中，将所述的羧甲基壳聚糖与普通硅酸盐水泥搅拌，搅拌时间不低于30s，然后加入圆球形粉煤灰陶粒混合搅拌均匀，搅拌1min；将所述水与外加剂混合加入到搅拌装置中，使其充分搅拌，搅拌时间不低于2min；搅拌完成后出料，分层装料振压或插捣成型，室温下24h后脱模，放入到养护室，养护28天后最终得到透水混凝土。

对比例3

该对比例提供一种具有持续净水功能的透水混凝土(重量)：400kg/m³普通硅酸盐水泥、750kg/m³碎石形页岩陶粒、160kg/m³水、4kg/m³羧甲基壳聚糖、2kg/m³减水剂、0.8kg/m³增粘剂以及1.6kg/m³早强剂。

根据GB/T17431.1-1998《轻集料及其实验方法》，测得碎石形页岩陶粒的24h吸水率为6.0％，壳聚糖改性普通硅酸盐水泥的24h吸水率为6.2％。得到轻集料的吸水率约等于浆体。

具有持续净水功能的透水混凝土制备：在搅拌装置中，将所述的羧甲基壳聚糖与普通硅酸盐水泥搅拌，搅拌时间不低于30s，然后加入碎石形页岩陶粒混合搅拌均匀，搅拌1min；将所述水与外加剂混合加入到搅拌装置中，使其充分搅拌，搅拌时间不低于2min；搅拌完成后出料，分层装料振压或插捣成型，室温下24h后脱模，放入到养护室，养护28天后最终得到透水混凝土。

实施例1

本实施例提供一种具有持续净水功能的透水混凝土(重量)：400kg/m³普通硅酸盐水泥、750kg/m³柱形粘土陶粒、160kg/m³水、4kg/m³羧甲基壳聚糖、2kg/m³减水剂、0.8kg/m³增粘剂以及1.6kg/m³早强剂。

根据GB/T17431.1-1998《轻集料及其实验方法》，测得柱形粘土陶粒的24h吸水率为19.6％，壳聚糖改性普通硅酸盐水泥的24h吸水率为6.2％。得到轻集料的吸水率大于浆体。

具有持续净水功能的透水混凝土制备：在搅拌装置中，将所述的羧甲基壳聚糖与普通硅酸盐水泥搅拌搅拌时间不低于30s，然后加入柱形粘土岩陶粒混合搅拌均匀，搅拌1min；将所述水与外加剂混合加入到搅拌装置中，使其充分搅拌，搅拌时间不低于2min；搅拌完成后出料，分层装料振压或插捣成型，室温下24h后脱模，放入到养护室，养护28天后最终得到透水混凝土。

实施例2

本实施例提供一种具有持续净水功能的透水混凝土(重量)：300kg/m³普通硅酸盐水泥、400kg/m³柱形粘土陶粒、90kg/m³水、3kg/m³羧甲基壳聚糖、2kg/m³减水剂、0.8kg/m³份增粘剂以及1.6kg/m³早强剂。

根据GB/T17431.1-1998《轻集料及其实验方法》，测得柱形粘土陶粒的24h吸水率为19.6％，壳聚糖改性普通硅酸盐水泥的24h吸水率为6.2％。得到轻集料的吸水率大于浆体。

具有持续净水功能的透水混凝土制备：在搅拌装置中，将所述的羧甲基壳聚糖与普通硅酸盐水泥搅拌，搅拌时间不低于30s，然后加入柱形粘土陶粒混合搅拌均匀，搅拌1min；将所述水与外加剂混合加入到搅拌装置中，使其充分搅拌，搅拌时间不低于2min；搅拌完成后出料，分层装料振压或插捣成型，室温下24h后脱模，放入到养护室，养护28天后最终得到透水混凝土。

实施例3

本实施例提供一种具有持续净水功能的透水混凝土(重量)：500kg/m³普通硅酸盐水泥、800kg/m³柱形粘土陶粒、250kg/m³水、5kg/m³羧甲基壳聚糖、2kg/m³减水剂、0.8kg/m³份增粘剂以及1.6kg/m³早强剂。

根据GB/T17431.1-1998《轻集料及其实验方法》，测得柱形粘土陶粒的24h吸水率为19.6％，壳聚糖改性普通硅酸盐水泥的24h吸水率为6.2％。得到轻集料的吸水率大于浆体。

具有持续净水功能的透水混凝土制备：在搅拌装置中，将所述的羧甲基壳聚糖与普通硅酸盐水泥搅拌，搅拌时间不低于30s，然后加入柱形粘土岩陶粒混合搅拌均匀，搅拌1min；将所述水与外加剂混合加入到搅拌装置中，使其充分搅拌，搅拌时间不低于2min；搅拌完成后出料，分层装料振压或插捣成型，室温下24h后脱模，放入到养护室，养护28天后最终得到透水混凝土。

配置浓度为0.01mol/L的铅离子溶液，将上述对比例1至对比例3的样品和实施例1、2、3样品分别放在如图1所示装置。实验操作步骤为，将试件四周抹上密封材料或黄油装入金属套筒内(注意：试件上下表面不能接触密封材料)，等密封材料固化后放入真空装置内，保持一定的时间后，放入溢流水槽3，然后蓄水筒2通过进液口1注入重金属溶液，重金属铅离子溶液通过透水混凝土试件，下渗进入收集槽4，在出液口5收集过滤后的溶液，测其离子浓度，得到溶液剩余浓度。进行循环测试。每组测试时，样品保持不变，且每次循环后，均更换铅离子溶液以保证每次循环开始铅离子溶液的初始始终浓度不变，测量每次溶液全部通过样品后，下方溶液中重金属离子的浓度，从而计算得到每次循环后重金属溶液浓度降低率(％)，随着循环次数的增加，如果浓度降低率保持不变(或基本不变)，则说明透水混凝土具有可持续净水功能，如果浓度降低率逐渐降低，则说明其净水功能逐渐衰退。测试数据列于下表：

如上表所示，依据本发明所做的样品，实施例1、2和3随着循环次数的增加，其净化的离子下降浓度幅度总体保持不变，说明了以本发明所设计的透水混凝土具有持续净水功能。对比例1普通空白样以及对比例2和3，随着循环次数的增加，每次循环后溶液中Pb²⁺离子浓度的降低幅度呈现逐渐减弱的趋势，说明对比例1、2和3的透水混凝土其吸附重金属离子等污染物等能力逐渐减弱，不具备可持续净化的功能，这与本专利所述的吸水率匹配关系相对应，正如所设计的集料的吸水率要大于表面浆体的吸水率。

对所公开的实施例以及上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种具有持续净水功能的透水混凝土，其特征在于，所述的透水混凝土由壳聚糖、无机胶凝材料、轻集料、外加剂及水组成；每立方米所述的透水混凝土包括300～500kg/m³的所述无机胶凝材料、400～800kg/m³的所述轻集料和90kg～250kg/m³的所述水；所述壳聚糖的质量为无机胶凝材料质量的0.1％～10％，所述轻集料的吸水率大于壳聚糖和无机胶凝材料混合搅拌后得到的壳聚糖改性无机胶凝材料的吸水率，所述轻集料在加入前保持干燥状态，且其含水量不超过轻集料质量的1％。

2.根据权利要求1所述的具有持续净水功能的透水混凝土，其特征在于，所述壳聚糖为N-羧甲基壳聚糖、O-羧甲基壳聚糖或N,O-羧甲基壳聚糖中的一种或两种以上任意比例的混合。

3.根据权利要求1所述的具有持续净水功能的透水混凝土，其特征在于，所述无机胶凝材料为硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥中的一种或两种任意比例的混合。

4.根据权利要求1所述的具有持续净水功能的透水混凝土，其特征在于，所述轻集料为陶粒、浮石、火山渣或膨胀矿渣珠中的一种或两种以上任意比例的混合。

5.根据权利要求4所述的具有持续净水功能的透水混凝土，其特征在于，所述陶粒为粘土陶粒、粉煤灰陶粒、赤泥陶粒或煤矸石陶粒中的一种或两种以上任意比例的混合。

6.根据权利要求1所述的具有持续净水功能的透水混凝土，其特征在于，所述外加剂由减水剂、增粘剂以及早强剂组成，所述外加剂的用量为壳聚糖改性无机胶凝材料质量的0.4％～2 .0％。

7.根据权利要求6所述的具有持续净水功能的透水混凝土，其特征在于，所述外加剂由30～60wt％的减水剂、10～30wt％的增粘剂以及20～40wt％的早强剂组成。

8.根据权利要求1至7任一项所述的具有持续净水功能的透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在搅拌装置中，将所述的壳聚糖、无机胶凝材料混合搅拌均匀，搅拌时间不低于30s，制备壳聚糖改性无机胶凝材料；

2)然后将所述轻集料加入壳聚糖改性无机胶凝材料中，搅拌；随后将所述水与外加剂混合加入到搅拌装置中，使其充分搅拌；

3)搅拌完成后出料，分层装料振压或插捣成型，养护后得到所述透水混凝土。

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