CN110272245B - 一种高强度的海绵城市透水混凝土及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种高强度的海绵城市透水混凝土及制备方法，所述透水混凝土是将多孔壳聚糖微球、玻璃纤维及京尼平溶液反应得到的微球‑纤维框架与高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水混合而制得。本发明提供的透水混凝土中添加了微球‑纤维框架结构，该网络结构埋置于透水混凝土中可形成网状结构，显著提高透水混凝土的强度，同时具有数量众多的微型孔道，畅通空隙多，因而具有良好的透水性，十分契合海绵城市的建设，利于透水混凝土的推广和应用。

Description

一种高强度的海绵城市透水混凝土及制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，特别是涉及一种高强度的海绵城市透水混凝土及制备方法。
背景技术
海绵城市是为了应对解决当前城市道路排水储水难等问题而提出的新一代的城市雨洪管理概念，指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。建设海绵城市需要有良好的“海绵体”，透水性铺装材料是加强海绵城市渗透功能的重要因素，推广和使用透水铺装材料，将会在海绵城市的发展与建设中起到显著作用。
透水性水泥混凝土是以水泥为胶凝材料，采用一个或几个不同的特殊级配，少用或者不用细骨料配制的具有透水空隙的混凝土。以水泥作为它的胶凝材料，采用薄层水泥浆包覆、相互粘贴于粗骨料表面，形成拥有均匀分布孔穴的蜂窝结，连通孔隙率约为15～25%。常用于自行车道、人行道、景观园林道路、社区内地面装饰及城市广场等地面。
透水混凝土应用的主要目的是水资源、环境保护和防止城市降雨期间的洪涝灾害，其作用方式是将其表面的水分通过自身和基层原地渗透或就近渗透至土壤中，从而维护局部地区的地下水位、净化水质、减小城市排水***的排水负荷和低洼地区的雨水聚集。对于透水水泥混凝土，要综合协调水胶比-流变性-强度～孔隙率之间的关系，这样才能使所制备的透水水泥混凝土一方面具有所需要的透水能力，另一方面具有良好的强度。
可见，现有技术中的透水混凝土因存在较多连通孔洞，普遍存在密实度差，导致整体强度偏低，这些问题大大阻碍了透水混凝土的推广和应用。
中国发明专利申请号201610566934.0公开了一种用于建设海绵城市的聚合物透水混凝土，每立方米含有如下原料：水泥370～420kg；碎石1500kg，碎石粒径为5～10mm；粒径0.5mm的硅砂，用量是水泥重量的5～10%，硅砂颗粒为椭圆形；混合强度增强剂，用量是水泥重量的5～8%；水，水与水泥的重量比为1：0.27～1:0.33；聚合物复合制剂，用量是水泥重量的3%；聚合物复合制剂是由如下重量配比的原料混配而成：环氧树脂12份、氯化石蜡0.6份、蒙脱石粉1.6份、聚丙烯酰胺1.2份、丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物0.3份；此发明的聚合物透水混凝土，成型过程中产生的半畅通空隙及封闭空隙少，畅通空隙多，透水性能好，强度高；引入的聚合物，使水泥石具有一定柔性，抗变形能力好，具有较好的抗冻性能。中国发明专利申请号201710374266.6公开了一种透水混凝土，包括以下组分：粗集料1500～1700份；水泥300～550份；水90～120份；外加剂30～80份；介孔材料50～150份；增强纤维150～220份；此发明具有以下优点和效果：第一，透水混凝土内介孔材料、增强纤维以及水泥混合后在粗集料颗粒内形成胶结层，胶结层内的增强纤维通过介孔材料连接，形成网状结构，提高透水混凝土的强度；第二，粗集料颗粒表面胶结层内的网状结构，使得透水混凝土在高温下具有较高的力学性能，提高透水混凝土的耐高温性能；第三，粗集料采用单一粒级，使透水混凝土具有优异的透水性能，排水降噪，调节地表温湿度等生态功能，保护环境，达到了透水性好、生态环保、强度高、耐高温、应用范围广的效果。但现有的透水混凝土一般都存在强度低的缺陷，这也是制约透水混凝土发展的主要瓶颈。
为了解决透水混凝土因存在较多连通孔洞而导致的普遍存在整体强度偏低的问题，有必要提出一种新型高强度的透水混凝土，进而有效促进透水混凝土的推广和应用。
发明内容
针对目前透水混凝土因存在较多连通孔洞，普遍存在密实度差，导致整体强度偏低等缺点，本发明提出一种高强度的海绵城市透水混凝土及制备方法，从而在实现了透水混凝土的良好透水性的同时，提高了透水混凝土的强度。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种高强度的海绵城市透水混凝土，所述透水混凝土是由微球-纤维框架与高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水按照质量比6～10:30～40:60～90:1～1.5:20～25:4～8:7～12:80～110混合而制得；所述微球-纤维框架是由多孔壳聚糖微球、玻璃纤维、京尼平溶液按照质量比7:2:120～200制备得到。
京尼平是栀子苷经β-葡萄糖苷酶水解后的产物，是一种优良的天然生物交联剂。可以单分子和多分子形式与明胶、壳聚糖等进行交联，得到稳定、有效的交联制品。在京尼平的作用下，多孔壳聚糖微球可与玻璃纤维交织形成微球-纤维框架结构。优选的，所述京尼平溶液的质量分数为5～10%。
优选的，所述粗骨料为石灰岩碎石，颗粒粒径为8～20mm。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂中的一种或两种的组合。
优选的，所述发泡剂为蛋白质-表面活性剂复合型发泡剂；所述表面活性剂为α烯基磺酸钠(AOS)、十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基苯磺酸钠（LAS）中的至少一种；所述蛋白质为植物蛋白或动物蛋白。
优选的，所述胶黏剂为聚氨酯类胶黏剂、环氧树脂类胶黏剂、酚醛树脂类胶黏剂、有机硅类胶黏剂中的一种。
本发明还提供了一种高强度的海绵城市透水混凝土的制备方法，具体制备方法如下：
（1）制备微球-纤维框架：将多孔壳聚糖微球与平均长度为0.4～0.6mm的玻璃纤维混合30～60min，然后加入京尼平溶液，在55～60℃下交联3d，再用蒸馏水洗净残余京尼平溶液，最后在-5～-10℃并置于高真空10～40Pa的容器中，冷冻干燥24～28h，得到微球-纤维框架；
（2）制备高强度透水混凝土：将微球-纤维框架与高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水，混合搅拌均匀，出料，制得高强度的海绵城市透水混凝土。
优选的，步骤（1）中，多孔壳聚糖微球、玻璃纤维、京尼平溶液的质量比例为7:2:120～200。
优选的，步骤（2）中，微球-纤维框架、高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水的质量比例为6～10:30～40:60～90:1～1.5:20～25:4～8:7～12:50～80。
进一步的，将微球-纤维框架结构埋置于透水混凝土中，可形成网状结构，利用玻璃纤维以及和形成的网状结构的双重增强，可显著提高透水混凝土的强度。多孔壳聚糖微球选用市售的具有微孔结构的多孔壳聚糖微球。
更进一步的，微球-纤维框架结构具有数量众多的微型孔道，畅通空隙多，因而具有良好的透水性。
另外，通过加入蛋白质-表面活性剂复合型发泡剂，可有效避免单一的表面活性剂发泡剂与混凝土基体相容性差的缺陷，同时解决了蛋白质发泡剂存在的原材料不足、发泡效果不理想的问题，通过改变溶液的界面张力而进一步增强其表面活性，混合体系中界面吸附机理主要是置换和增溶，因此具有良好的发泡效果，进一步提高了透水混凝土的透水性。蛋白质与表面活性剂复合型发泡剂是通过改变溶液的界面张力而进一步增强其表面活性的，混合体系中界面吸附机理主要是置换和增溶。相关研究表明蛋白质和表面活性剂界面上的情况能够影响泡沫的稳定性。膜上吸附活性剂分子越多，弹性愈强，因此泡沫内气体不易透过液膜扩散到外面，泡沫可以较长时间稳定存在。
现有的透水混凝土因存在较多连通孔洞，因而普遍存在整体强度偏低等缺点。鉴于此，本发明提出一种高强度的海绵城市透水混凝土及制备方法，将多孔壳聚糖微球与玻璃纤维混合，再加入京尼平溶液，交联后再用蒸馏水洗净残余京尼平溶液，冷冻干燥后得到微球-纤维框架；将微球-纤维框架与高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水混合均匀，制得高强度的海绵城市透水混凝土。本发明提供的透水混凝土中添加了微球-纤维框架结构，该网络结构埋置于透水混凝土中，形成网状结构，显著提高透水混凝土的强度，同时具有数量众多的微型孔道，畅通空隙多，因而具有良好的透水性，十分契合海绵城市的建设，利于透水混凝土的推广和应用。
本发明提出一种高强度的海绵城市透水混凝土及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明通过以京尼平交联多孔壳聚糖微球并与玻璃纤维交织形成微球-纤维框架结构，将该网络结构埋置于透水混凝土中，形成网状结构，显著提高透水混凝土的强度。
2、本发明制得的微球-纤维框架结构用于透水混凝土时，具有数量众多的微型孔道，畅通空隙多，因而具有良好的透水性，十分契合海绵城市的建设，利于透水混凝土的推广和应用。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）制备微球-纤维框架：将多孔壳聚糖微球与平均长度为0.5mm的玻璃纤维混合50min，然后加入京尼平溶液，在57℃下交联3d，再用蒸馏水洗净残余京尼平溶液，最后在-5℃并置于高真空10Pa的容器中，冷冻干燥24h，得到微球-纤维框架；京尼平溶液的质量分数为7%；其中，多孔壳聚糖微球、玻璃纤维、京尼平溶液的质量比例为7:2:170；
（2）制备高强度透水混凝土：将微球-纤维框架与高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水，混合搅拌均匀，出料，制得高强度的海绵城市透水混凝土；粗骨料为石灰岩碎石；减水剂为聚羧酸减水剂；发泡剂为蛋白质-表面活性剂复合型发泡剂；胶黏剂为聚氨酯类胶黏剂；其中，微球-纤维框架、高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水的质量比例为7:34:70:1.3:23:7:9:100。
测试方法：
为了便于定性比较,选用的水泥为425号普通硅酸盐水泥,将本实施例制备获得的透水混凝土进行性能测试，首先将得到的混凝土制成边长150mm的立方体试样，在标准条件下养护28d，测试试样的抗压强度，同时测试水温为25℃时的透水系数，得到结果如表1所示。
实施例2
（1）制备微球-纤维框架：将多孔壳聚糖微球与平均长度为0.4mm的玻璃纤维混合30min，然后加入京尼平溶液，在55℃下交联3d，再用蒸馏水洗净残余京尼平溶液，最后在-5℃并置于高真空10Pa的容器中，冷冻干燥24h，得到微球-纤维框架；京尼平溶液的质量分数为5%；其中，多孔壳聚糖微球、玻璃纤维、京尼平溶液的质量比例为7:2:120；
（2）制备高强度透水混凝土：先将微球-纤维框架与高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水，混合搅拌均匀，出料，制得高强度的海绵城市透水混凝土；粗骨料为石灰岩碎石；减水剂为萘系减水剂；发泡剂为蛋白质-表面活性剂复合型发泡剂；胶黏剂为环氧树脂类胶黏剂；其中，微球-纤维框架、高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水的质量比例为6:30: 90:1:20:4:7:100。
采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
实施例3
（1）制备微球-纤维框架：将多孔壳聚糖微球与平均长度为0.6mm的玻璃纤维混合30min，然后加入京尼平溶液，在60℃下交联3d，再用蒸馏水洗净残余京尼平溶液，最后在-5℃并置于高真空10Pa的容器中，冷冻干燥24h，得到微球-纤维框架；京尼平溶液的质量分数为10%；其中，多孔壳聚糖微球、玻璃纤维、京尼平溶液的质量比例为7:2: 200；
（2）制备高强度透水混凝土：将微球-纤维框架与高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水，混合搅拌均匀，出料，制得高强度的海绵城市透水混凝土；粗骨料为石灰岩碎石；减水剂为聚羧酸减水剂；发泡剂为蛋白质-表面活性剂复合型发泡剂；胶黏剂为酚醛树脂类胶黏剂；其中，微球-纤维框架、高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水的质量比例为10: 40:60: 1.5: 25: 8: 12: 105。
采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
实施例4
（1）制备微球-纤维框架：将多孔壳聚糖微球与平均长度为0.5mm的玻璃纤维混合45min，然后加入京尼平溶液，在58℃下交联3d，再用蒸馏水洗净残余京尼平溶液，最后在-5℃并置于高真空10Pa的容器中，冷冻干燥24h，得到微球-纤维框架；京尼平溶液的质量分数为8%；其中，多孔壳聚糖微球、玻璃纤维、京尼平溶液的质量比例为7:2:160；
（2）制备高强度透水混凝土：将微球-纤维框架与高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水，混合搅拌均匀，出料，制得高强度的海绵城市透水混凝土；粗骨料为石灰岩碎石；减水剂为萘系减水剂；发泡剂为蛋白质-表面活性剂复合型发泡剂；胶黏剂为有机硅类胶黏剂；其中，微球-纤维框架、高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水的质量比例为8:35:75:1.5:22:6:10:95。
采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
对比例1
对比例1与实施例1相比，未添加微球-纤维框架，制得的透水混凝土采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
表1：
性能指标 抗压强度（MPa） 透水系数（15℃，mm/s）
实施例1 30.3 1.48
实施例2 29.9 1.49
实施例3 31.1 1.43
实施例4 30.6 1.51
对比例1 24.3 0.56

Claims (7)

1.一种高强度的海绵城市透水混凝土，其特征在于，所述透水混凝土是由微球-纤维框架与高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水按照质量比6～10:30～40:60～90:1～1.5:20～25:4～8:7～12:80-110混合而制得；所述微球-纤维框架是由多孔壳聚糖微球、玻璃纤维、京尼平溶液按照质量比7:2:120～200制备得到；所述发泡剂为蛋白质-表面活性剂复合型发泡剂；
所述透水混凝土是由以下方法制备得到的：
（1）制备微球-纤维框架：将多孔壳聚糖微球与平均长度为0.4～0.6mm的玻璃纤维混合30～60min，然后加入京尼平溶液，在55～60℃下交联3d，再用蒸馏水洗净残余京尼平溶液，最后在-5～-10℃并置于高真空10～40Pa的容器中，冷冻干燥24～28h，得到微球-纤维框架；
（2）制备高强度透水混凝土：将微球-纤维框架与高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水，混合搅拌均匀，出料，制得高强度的海绵城市透水混凝土。
2.根据权利要求1所述的一种高强度的海绵城市透水混凝土，其特征在于，所述京尼平溶液的质量分数为5～10%。
3.根据权利要求1所述的一种高强度的海绵城市透水混凝土，其特征在于，所述粗骨料为石灰岩碎石，颗粒粒径为8～20mm。
4.根据权利要求1所述的一种高强度的海绵城市透水混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂中的一种或两种的组合。
5.根据权利要求1所述的一种高强度的海绵城市透水混凝土，其特征在于，所述胶黏剂为聚氨酯类胶黏剂、环氧树脂类胶黏剂、酚醛树脂类胶黏剂、有机硅类胶黏剂中的一种。
6.如权利要求1～5任一项所述的一种高强度的海绵城市透水混凝土的制备方法，其特征在于，具体制备方法如下：
（1）制备微球-纤维框架：将多孔壳聚糖微球与平均长度为0.4～0.6mm的玻璃纤维混合30～60min，然后加入京尼平溶液，在55～60℃下交联3d，再用蒸馏水洗净残余京尼平溶液，最后在-5～-10℃并置于高真空10～40Pa的容器中，冷冻干燥24～28h，得到微球-纤维框架；
（2）制备高强度透水混凝土：将微球-纤维框架与高钙粉煤灰、粗骨料、减水剂、水泥、发泡剂、胶黏剂、水，混合搅拌均匀，出料，制得高强度的海绵城市透水混凝土。
7.根据权利要求6所述的一种高强度的海绵城市透水混凝土的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述微球-纤维框架制备中，多孔壳聚糖微球、玻璃纤维、京尼平溶液的质量比例为7:2:120～200。
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