CN114014584A - 一种高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂、高强度耐冲磨透水混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂、高强度耐冲磨透水混凝土及其制备方法和应用，所述增强剂包括以下重量份的原料：纳米二氧化硅粉8‑10份、氧化铝陶瓷微球20‑25份、聚丙烯仿钢纤维18‑22份、玻璃短切纤维15‑20份、水性环氧树酯‑聚氨酯乳液25‑30份；所述增强剂可提高混凝土成型后的强度、透水性及抗冲磨冲蚀能力。

Description

一种高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂、高强度耐冲磨透水 混凝土及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于化学建筑材料技术领域，具体涉及一种高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂、高强度耐冲磨透水混凝土及其制备方法和应用。
背景技术
随着社会经济的发展和城市建设的进程，现代城市的地表逐步被钢筋混凝土的房屋建筑和不透水的路面所覆盖，与自然的土壤相比，现代化地表给城市带来一系列的问题，其主要表现为以下几个方面：不透水的路面阻碍了雨水的下渗，使得雨水对地下水的补充被阻断，再加上地下水的过度抽取，城市地面容易产生下沉。传统的密实路表面，轮胎噪声大。传统城市路面为不透水结构，雨水通过路表排除，泄流能力有限，当遇到大雨或暴雨时，雨水容易在路面汇集，大量集中在机动车和自行车道上，导致路面大范围积水。透水混凝土材料的出现解决了以上难题，其表现出优秀的渗水、抗压、环保以及美观多彩、舒适和吸音减噪等特点，目前随着海绵城市建设的不断推广，透水混凝土的应用也越来越广泛。
透水混凝土又称多孔混凝土，无砂混凝土，是由骨料、水泥、掺和料、水、外加剂、颜料等拌和而成的一种多孔混凝土，由骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘接而形成空隙均匀分布的蜂窝状结构，故具有透气、透水等特点，其基本性能有两点：1)强度；2)透水性，该两点相辅相成，相互制约。为确保透水混凝土的透水性指标，水泥胶凝材料用量小，而水泥胶凝材料浆体与骨料界面连接多为点点接触，且界面处胶凝材料较薄，强度正是通过骨料间的胶结点传递力的作用表现出来的。水泥浆体与骨料之间的粘结力主要来源于浆体-骨料界面过渡区的交联效果，增加胶结点的面积，提高浆体-骨料间的机械啮合力和胶结层的致密实性、疏水性能，是透水性混凝土耐侵蚀性提升的关键。同时，提高透水混凝土的抗冲磨、抗冲蚀能力是一个非常重要的问题，对透水混凝土技术的发展具有重要的推动意义。
如何在提高强度的同时，保证有较好的透水性，还要兼具有良好的抗冲磨冲蚀能力，这是透水混凝土需要解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂及其制备方法，所述增强剂可提高混凝土成型后的强度、透水性及抗冲磨冲蚀能力。
本发明的另一目的在于提供一种高强度耐冲磨透水混凝土及其制备方法和应用，所述高强度耐冲磨透水混凝土在成型后同时兼具高强度、良好的透水性及良好的抗冲磨冲蚀能力。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高强度耐冲磨透水混凝土用增羟剂，包括以下重量份的原料：纳米二氧化硅粉8-10份、氧化铝陶瓷微球20-25份、聚丙烯仿钢纤维18-22份、玻璃短切纤维15-20份、水性聚氨酯-环氧树脂乳液25-30份。
所述增强剂的制备方法包括以下步骤：
(1)将配方量的纳米二氧化硅粉、氧化铝陶瓷微球、聚丙烯仿钢纤维、玻璃短切纤维加入到钛酸酯偶联剂的丙酮溶液中搅拌均匀，然后烘干；
(2)将步骤(1)处理之后的混合料与配方量的聚氨酯-环氧树脂乳液放入高速分散机搅拌至均匀。
所述钛酸酯偶联剂的丙酮溶液的用量为纳米二氧化硅粉、氧化铝陶瓷微球、聚丙烯仿钢纤维与玻璃短切纤维总重量的15-20％；所述钛酸酯偶联剂的丙酮溶液中，钛酸酯偶联剂的质量浓度为0.8～1.5％。
所述步骤(1)、(2)中的搅拌速度分别为800-1000r/min、2000-3000r/min。
一种高强度耐冲磨透水混凝土，包括以下重量份的原料：水泥300-400份，粉煤灰50-60份，粗骨料1300-1500份，增强剂40-50份，水80-100份，缓凝剂0.3-0.5份，减水剂5-7份。
所述水泥为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥或硫铝酸盐水泥中的任意一种或多种；优选为硅酸盐水泥；所述硅酸盐水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥或者P.O 52.5普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰为一级粉煤灰和二级粉煤灰中的一种或两种。
所述粗骨料为单级配粒径为10-15mm的碎石，其含泥量小于0.5％。
所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、白糖、柠檬酸中的任意一种或多种。
所述减水剂为聚羧酸减水剂。
所述高强度耐冲磨透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：将配方量的水泥、粉煤灰、粗骨料、增强剂、缓凝剂加入混凝土搅拌机中预拌；再边搅拌边加入配方量的水、减水剂进行拌合，搅拌均匀后出料。
所述预拌的时间为2～5min；所述拌合的时间为3-6min。
本发明还提供了所述高强度耐冲磨透水混凝土在制备高强度耐冲磨透水路面中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂是由聚丙烯仿钢纤维、玻璃短切纤维、纳米二氧化硅粉、氧化铝陶瓷微球这些填料与聚氨酯-环氧树脂乳液组成，填料在加入之前事先经钛酸酯偶联剂预处理，以提高分散性。经钛酸酯偶联剂处理过的纤维、粉末状和球状的填料，在聚氨酯-环氧树脂乳液中能形成很好的分散相，制得的增强剂最终在混凝土中均匀分散，形成独特紧密的立体网络状结构，同时粉末状和球形填料分布在纤维与纤维空隙中，产生协同效应而搭接成交联胶质骨架，在水泥基体中分布大大提高了混凝土的强度，而且由于形成了紧密的网状立体结构同时使得混凝土的耐冲刷性能也得到了提高。
本发明提供的高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂通过有机-无机复合纤维材料，在提高透水混凝土抗压强度的同时，可以提高透水混凝土的耐久性，使得透水混凝土成型后不容易开裂，有利于延长透水混凝土的使用寿命；
本发明提供的高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂通过加入水性聚氨酯-环氧树脂乳液，既保留了环氧树脂的刚性和附着力强等特点，又引入了聚氨酯的柔韧性和耐磨性，有利于增强混凝土中各填料与水泥表面的附着力，提高材料的韧性，使得透水混凝土长期受水冲刷时能保持材料整体的完整性。
本发明提供的高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂通过加入纳米二氧化硅粉，由于纳米颗粒的尺度效应有利于提高透水混凝土的抗压强度，使得透水混凝土不容易开裂，同时纳米二氧化硅粉还具有一定过滤能力，从而使得透水混凝土的透水性能增强：纳米二氧化硅的主要成分是二氧化硅，二氧化硅表面一般不经疏水处理均容易存在羟基，二氧化硅表面的羟基也具有较强的极性，容易与硅烷偶联剂水解形成的硅醇以及硅酸盐水泥表面的羟基脱水缩合，使得分子链更长，有利于交联网络的形成。
(2)使用了本发明提供的高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂制备的混凝土，在成型后同时兼具高强度、良好的透水性及良好的抗冲磨冲蚀能力。
(3)本发明提供的高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂、高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂的制备工艺简单，性能优异，适宜推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例和对比例中的水泥均选用湖南石门产P.O42.5海螺水泥；粉煤灰选用襄阳电厂产Ⅱ级粉煤灰；减水剂选用襄阳海螺新材料产PC150聚羧酸减水剂；纳米二氧化硅粉选用上海超威纳米科技有限公司产，型号CW-001；氧化铝陶瓷微球选用淄博赢驰陶瓷新材料有限公司产，直径1mm；聚丙烯仿钢纤维选用泰安同半纤维有限公司产；玻璃短切纤维选用巨石集团产，型号534A；水性聚氨酯-环氧树脂乳液选用美国瀚森HEXION产，型号5520-w-60A；试验温度为25℃，试验湿度80％；混凝土养护条件：温度为20℃±2℃，湿度≥95％。
实施例1
一种高强度耐冲磨透水混凝土，由以下质量份数的组分制备得到：水80份、P.O42.5硅酸盐水泥300份、粉煤灰50份、碎石1300份、增强剂40份、聚羧酸减水剂5份、葡萄糖酸钠0.3份。
其中增强剂由以下质量份数的组分制备得到：纳米二氧化硅粉8份、氧化铝陶瓷微球20份、聚丙烯仿钢纤维20份、玻璃短切纤维15份、水性聚氨酯-环氧树酯乳液30份；其制备方法为：将配方量的纳米二氧化硅粉、氧化铝陶瓷微球、聚丙烯仿钢纤维、玻璃短切纤维加入到15份的质量浓度为1％的钛酸酯偶联剂的丙酮溶液中800r/min搅拌均匀，然后放入100℃烘箱中烘干；将烘干后的混合料与配方量的环氧树脂-聚氨酯乳液放入高速分散机，在2500r/min转速下搅拌1.5小时。
所述高强度耐冲磨透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)在混凝土搅拌机中，常温条件下，转速50r/min，加入300份硅酸盐水泥、50份粉煤灰、1300份碎石、40份增强剂、0.3份葡萄糖酸钠进行搅拌，搅拌2分钟；
(2)边搅拌边加入80份水，5份聚羧酸减水剂，搅拌3分钟出料。
实施例2
一种高强度耐冲磨透水混凝土，由以下质量份数的组分制备得到：水90份、P.O42.5硅酸盐水泥350份、粉煤灰55份、碎石1400份、增强剂55份、聚羧酸减水剂6份、柠檬酸0.3份。
其中增强剂由以下质量份数的组分制备得到：纳米二氧化硅粉10份、氧化铝陶瓷微球22份、聚丙烯仿钢纤维20份、玻璃短切纤维20份、水性聚氨酯-环氧树酯乳液28份；其制备方法为：将配方量的纳米二氧化硅粉、氧化铝陶瓷微球、聚丙烯仿钢纤维、玻璃短切纤维加入到18份的质量浓度为1％的钛酸酯偶联剂的丙酮溶液中800r/min搅拌均匀，然后放入100℃烘箱中烘干；将烘干后的混合料与配方量的环氧树脂-聚氨酯乳液放入高速分散机，在2500r/min转速下搅拌1.5小时。
所述高强度耐冲磨透水混凝土的制备方法如下：
(1)在混凝土搅拌机中，常温条件下，转速50r/min，加入350份硅酸盐水泥、55份粉煤灰、1400份碎石、55份增强剂、0.3份柠檬酸进行搅拌，搅拌2分钟；
(2)边搅拌边加入90份水，6份聚羧酸减水剂，搅拌3分钟出料。
实施例3
一种高强度耐冲磨透透水混凝土，由以下质量份数的组分制备得到：水100份、P.O42.5硅酸盐水泥400份、粉煤灰60份、碎石1500份、增强剂50份、聚羧酸减水剂7份、白糖0.5份。
其中增强剂由以下质量份数的组分制备得到：纳米二氧化硅粉10份、氧化铝陶瓷微球22份、聚丙烯仿钢纤维20份、玻璃短切纤维20份、水性聚氨酯-环氧树酯乳液28份；其制备方法为：将配方量的纳米二氧化硅粉、氧化铝陶瓷微球、聚丙烯仿钢纤维、玻璃短切纤维加入到20份的质量浓度为1％的钛酸酯偶联剂的丙酮溶液中800r/min搅拌均匀，然后放入100℃烘箱中烘干；将烘干后的混合料与配方量的环氧树脂-聚氨酯乳液放入高速分散机，在2500r/min转速下搅拌1.5小时。
所述高强度耐冲磨透水混凝土的制备方法如下：
(1)在混凝土搅拌机中，常温条件下，转速50r/min，加入400份硅酸盐水泥、60份粉煤灰、1500份碎石、50份增强剂、0.5份白糖进行搅拌，搅拌2分钟；
(2)边搅拌边加入由100份水，7份减水剂，搅拌3分钟出料。
对比例1
一种透水混凝土，由以下质量份数的组分制备得到：水80份、硅酸盐水泥(P.O42.5)300份、粉煤灰50份、碎石1300份、聚羧酸减水剂5份、葡萄糖酸钠0.3份。
所述透水混凝土的制备方法如下：
(1)在混凝土搅拌机中，常温条件下，转速50r/min，加入300份硅酸盐水泥、50份粉煤灰、1300份碎石、0.3份葡萄糖酸钠进行搅拌，搅拌2分钟；
(2)边搅拌边加入80份水，5份聚羧酸减水剂，搅拌3分钟出料；
与实施例1对比，本对比例中没加增强剂，其它与实施例1相同。
对比例2
与实施例1对比，本对比例中增强剂组分没加纳米二氧化硅粉，其它与实施例1相同。
即增强剂由以下质量份数的组分制备得到：氧化铝陶瓷微球20份、聚丙烯仿钢纤维20份、玻璃短切纤维15份、水性聚氨酯-环氧树酯乳液30份。
对比例3
与实施例1对比，本对比例中增强剂组分没加氧化铝陶瓷微球，其它与实施例1相同。
即增强剂由以下质量份数的组分制备得到：纳米二氧化硅粉8份、聚丙烯仿钢纤维20份、玻璃短切纤维15份、水性聚氨酯-环氧树酯乳液30份。
对比例4
与实施例1对比，本对比例中增强剂组分没加聚丙烯仿钢纤维和玻璃短切纤维，其它与实施例1相同。
即增强剂由以下质量份数的组分制备得到：纳米二氧化硅粉8份、氧化铝陶瓷微球20份、水性聚氨酯-环氧树酯乳液30份。
对比例5
与实施例1对比，本对比例中增强剂组分没加水性聚氨酯-环氧树酯乳液，其它与实施例1相同。
即增强剂由以下质量份数的组分制备得到：纳米二氧化硅粉8份、氧化铝陶瓷微球20份、聚丙烯仿钢纤维20份、玻璃短切纤维15份。
性能检测试验
将以上实施例和对比例制备的透水混凝土装入150mm×150mm×150mm的模具中制备成型，养护2-3天后拆模。
将每组实施例中的一部分试块放入水流下冲刷(冲刷方式：连续水流冲洗4天后停3天，不断的反复，测定透水混凝土质量损失情况)；另一部分试块放入自然环境中养护；参照CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》，在水流冲刷和自然养护两种情况下分别测定其7d、28d抗压强度和抗折强度及其透水系数：
1、抗压强度和抗弯折强度：按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试；
2、孔隙率：将立方体试块在水中浸泡24h，测试各试样浸水后的质量m1，之后将各试样风干，测试各试样的质量m2，根据以下公式计算混凝土试块的孔隙率P，P＝[1-(m2-m1)/V×ρ]×100％，式中：V为立方体试块的体积，ρ为水的密度；
3、透水系数：按照“固定水位高度法”测试；并以参照GB/T12988-2009《无机地面材料耐磨性试验方法》，测定其耐磨性(磨坑长度)。
测试结果如下表1和表2所示：
表1透水混凝土强度、透水率、孔隙率检测结果
Figure BDA0003359216800000091
Figure BDA0003359216800000101
表2透水混凝土耐磨性能检测结果
磨坑长度(mm) 质量损失(％)
实施例1 9 1.2
实施例2 10 1.3
实施例3 9 1.2
对比例1 35 5.8
对比例2 23 4.3
对比例3 25 4.4
对比例4 24 4.4
对比例5 28 4.8
由表1可看出，对比例中，水流冲刷下的试块7d、28d抗压、抗折强度较自然养护下的下降明显；实施例中，水流冲刷下的试块7d、28d抗压强度、抗折强度基本没有保持不变。将实施例1-3与对比例1-5对比，可以看出，当不添加增强剂或者虽然添加增强剂，但减少增强剂中的某一组分，都会使透水混凝土的透水性、强度和耐磨性变差，并且其透水混凝土在水流冲击下的抗压强度和抗折强度较自然养护下会明显下降，说明增强剂中的纳米粉末、球状陶瓷颗粒、有机-无机纤维、树脂乳液这些组分具有协同作用，只有同时存在时才能发挥作用，缺少其中某一组分性能会明显降低。由表2可看出，实施例的耐磨性与对比例相比，平均提高了65％以上。由此说明，本发明方法制备的高强耐冲磨透水混凝土，能够很好的提高透水混凝土的抗冲击耐磨损性能，进而延长透水混凝土的使用寿命。
上述参照实施例对一种高强度耐冲磨透水混凝土用增强剂、高强度耐冲磨透水混凝土及其制备方法和应用进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度耐冲磨透水混凝土，其特征在于，包括以下重量份的原料：水泥300-400份，粉煤灰50-60份，粗骨料1300-1500份，增强剂40-50份，水80-100份，缓凝剂0.3-0.5份，减水剂5-7份。
2.根据权利要求1所述的高强度耐冲磨透水混凝土，其特征在于，所述增强剂包括以下重量份的原料：纳米二氧化硅粉8-10份、氧化铝陶瓷微球20-25份、聚丙烯仿钢纤维18-22份、玻璃短切纤维15-20份、水性聚氨酯-环氧树脂乳液25-30份。
3.根据权利要求2所述的高强度耐冲磨透水混凝土，其特征在于，所述增强剂的制备方法包括以下步骤：
(1)将配方量的纳米二氧化硅粉、氧化铝陶瓷微球、聚丙烯仿钢纤维、玻璃短切纤维加入到钛酸酯偶联剂的丙酮溶液中搅拌均匀，然后烘干；
(2)将步骤(1)处理之后的混合料与配方量的聚氨酯-环氧树脂乳液放入高速分散机搅拌至均匀。
4.根据权利要求3所述的高强度耐冲磨透水混凝土，其特征在于，所述钛酸酯偶联剂的丙酮溶液的用量为纳米二氧化硅粉、氧化铝陶瓷微球、聚丙烯仿钢纤维与玻璃短切纤维总重量的15-20％；所述钛酸酯偶联剂的丙酮溶液中，钛酸酯偶联剂的质量浓度为0.8～1.5％。
5.根据权利要求3所述的高强度耐冲磨透水混凝土，其特征在于，所述步骤(1)、(2)中的搅拌速度分别为800-1000r/min、2000-3000r/min。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的高强度耐冲磨透水混凝土，其特征在于，所述粗骨料为单级配粒径为10-15mm的碎石，其含泥量小于0.5％。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的高强度耐冲磨透水混凝土，其特征在于，所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、白糖、柠檬酸中的任意一种或多种。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的高强度耐冲磨透水混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
9.如权利要求1-8任意一项所述的高强度耐冲磨透水混凝土的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将配方量的水泥、粉煤灰、粗骨料、增强剂、缓凝剂加入混凝土搅拌机中预拌；再边搅拌边加入配方量的水、减水剂进行拌合，搅拌均匀后出料。
10.如权利要求1-8任意一项所述的高强度耐冲磨透水混凝土在制备高强度耐冲磨透水路面中的应用。
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