海绵城市建设用混凝土增强剂及其制备方法、透水混凝土

摘要

本发明公开一种海绵城市建设用混凝土增强剂及其制备方法、透水混凝土，属于建材混凝土技术领域，混凝土增强剂的原料包括膨胀剂、白炭黑、抗折组分、减水组分、增稠组分和增强组分。利用这种混凝土增强剂制备的透水混凝土，其原料包括水泥、骨料、水，还包括特定掺量的混凝土增强剂。本发明提供的混凝土增强剂，以及相应的透水混凝土，在满足预拌耐冲磨透水混凝土基础施工性能的同时，还能提高透水混凝土的抗压强度，抑制透水混凝土因水化温升引起的开裂问题，在保证其透水性的前提下，进一步提高透水混凝土的抗折强度，同时保障透水混凝土的抗压强度和抗折强度。

说明书

技术领域

本发明属于建材混凝土领域，特别是海绵城市建设用混凝土增强剂及其制备方法、透水混凝土。

背景技术

目前，透水混凝土因具有一定的透水性、承载力、高散热性、装饰效果等显著优点，得到了国家政府各级部门的大力支持和推广，广泛应用与海绵城市建设中。普通透水混凝土是由骨料、水泥、增强剂、和水拌制而成的一种多孔轻质混凝土，由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，它不含细骨料。透水混凝土要求在满足强度的同时，还需要保持一定的贯通孔隙来满足透水性的要求，而另一个关键技术在于透水混凝土的施工性能和使用寿命。透水混凝土增强剂应具有高强、抗裂和微膨胀等基本特性，以使其能与透水混凝土材料更有效地结合在一起共同工作，同时满足预拌透水混凝土施工性能的要求。预拌耐冲磨透水混凝土，是基于透水混凝土具有较高的抗压强度、较好的抗折性能和微膨胀特性，同时具有较好的耐冲磨性能，当受到水流和细砂石的冲击作用时，可以提高透水混凝土抵抗高速水流侵蚀和脉动压力的能力。而海绵城市建设用混凝土增强剂可以起到补偿透水混凝土材料硬化过程中的收缩，降低透水混凝土开裂风险，提高混凝土强度，同时还可以改善混凝土的施工性能。

透水混凝土可以改善城市的洪涝灾害，但受部分地区降雨量及环境的影响，尤其是多雨季节下的透水混凝土，很难保证其使用性能和寿命。现有技术制备的普通透水混凝土，有的无法满足其使用寿命，有的使用和维护成本较高，这些都严重制约了透水混凝土的使用场景和应用范围，影响了透水混凝土在下雨季节的使用功能。常规施工方案是采取增加胶材提高强度来延长使用周期，但透水混凝土的特殊构造，使其在应用过程中难以避免出现透水率降低，影响强度和出现断裂等问题。

中国专利CN108751784A公开了一种预拌透水混凝土专用增强剂及其制备方法。该专利所述的增强剂能够有效防止透水混凝土的后期收缩和降低应力开裂，显著提高透水混凝土的抗折性能和抗冻性，同时增强透水混凝土的保水性和保坍性，使其能满足预拌透水混凝土的施工要求。但该专利所述的增强剂，不能从根本上提高混凝土的强度，从而影响路面的抗碾压、耐久等性能；另一方面，没有解决透水混凝土内部由于水化温升引起的收缩开裂问题，从而影响透水混凝土的弯拉强度。

中国专利CN107098637A公开了一种新型生态透水混凝土材料及其制备方法，该专利所述的由该外加剂制成的透水混凝土具有高强度，高透水系数和孔隙率可调控，但该专利所述的外加剂，不能解决透水混凝土硬化过程中的收缩，从而影响透水混凝土的弯拉强度。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供了一种海绵城市建设用混凝土增强剂及其制备方法、透水混凝土，具体通过以下技术实现。

海绵城市建设用混凝土增强剂，其原料包括膨胀剂35-40wt％、白炭黑20-25wt％、抗折组分18-24wt％、减水组分8-10wt％、增稠组分5-10wt％、增强组分0.01-0.04wt％；

所述抗折组分为纳米碳酸钙、纳米二氧化硅中的至少一种；所述减水组分为聚羧酸减水剂、萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂中的至少一种；所述增稠组分为羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、可分散性乳胶粉中的至少一种；所述增强组分为三乙醇胺、三异丙醇胺、乙二醇单异丙醇胺中的至少一种。

上述海绵城市建设用混凝土增强剂的原料中，膨胀剂可以选用市面上常见的混凝土膨胀剂，例如水化热抑制型膨胀剂、温控型膨胀剂、组合型膨胀剂。组合型膨胀剂是水化热抑制剂、三聚磷酸钠与氧化镁膨胀剂、钙镁复合膨胀剂、钙质高性能膨胀剂，这几种膨胀剂的任意组合。白炭黑是一种常见的市售原料，一般而言SiO

将本发明提供的上述海绵城市建设用混凝土增强剂掺入到混凝土中，在满足预拌耐冲磨透水混凝土基础施工性能的同时，还能提高透水混凝土的抗压强度，抑制透水混凝土因水化温升引起的开裂问题，在保证其透水性的前提下，进一步提高透水混凝土的抗折强度，同时保障透水混凝土的抗压强度和抗折强度。

优选地，其原料包括水化热抑制型膨胀剂、白炭黑、纳米碳酸钙、聚羧酸减水剂、可再分散性乳胶粉、三异丙醇胺，且质量比为1.75:1:1:0.45:0.36:0.0018。

上述海绵城市建设用混凝土增强剂的制备方法，是先将膨胀剂、增强组分、抗折组分、白炭黑按比例搅拌均匀；再按比例加入增稠组分、减水组分继续搅拌均匀即可。

优选地，上述海绵城市建设用混凝土增强剂的制备方法种，两次搅拌的时间分别为20-25min和15-20min。

本发明还提供了一种透水混凝土，其原料包括上述的海绵城市建设用混凝土增强剂，用量为透水混凝土除水以外的其他原料总重量的1.0-3.0％。

优选地，上述透水混凝土中，所述海绵城市建设用混凝土增强剂的用量为透水混凝土除水以外的其他原料总重量的2.5％。

优选地，上述透水混凝土的原料还包括水泥330-380份、骨料1400-1800份、水100-140份。

优选地，上述透水混凝土的原料中，所述骨料的粒径为1-5mm，或5-10mm，或10-15mm。

更优选地，所述骨料的粒径为5-10mm。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明提供了一种混凝土增强剂，以及使用这种增强剂制备的用于海绵城市建设用透水混凝土，在满足预拌耐冲磨透水混凝土基础施工性能的同时，还能提高透水混凝土的抗压强度，抑制透水混凝土因水化温升引起的开裂问题，在保证其透水性的前提下，进一步提高透水混凝土的抗折强度，同时保障透水混凝土的抗压强度和抗折强度。

附图说明

图1为不同骨料粒径下的透水混凝土的收缩值变化图；

图2为混凝土增强剂掺量2.5％时的透水混凝土的初始坍落度、流动度情况；

图3为混凝土增强剂掺量2.5％时的透水混凝土1h后的坍落度、流动度情况；

图4为混凝土增强剂不同掺量的透水混凝土的收缩值变化图；

图5为实施例1-4和对比例1-4的混凝土增强剂制备的透水混凝土的收缩值变化图。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例和对比例的混凝土增强剂中，所使用的白炭黑：SiO

混凝土增强剂的制备方法为先将膨胀剂、增强组分、抗折组分、白炭黑按比例搅拌均匀；再按比例加入增稠组分、减水组分继续搅拌均匀即可。

在制备透水混凝土时所用的原料中，水泥选用华新P.O 42.5普通硅酸盐水泥，骨料选用1～5mm或5～10mm或10～15mm的单一粒径碎石；

实施例1

本实施例提供的一种海绵城市建设用混凝土增强剂，其原料包括水化热抑制型膨胀剂38wt％、白炭黑22wt％、纳米碳酸钙22wt％、聚羧酸减水剂10wt％、可再分散性乳胶粉8wt％、增强组分0.04wt％，即质量比约为质量比为1.75:1:1:0.45:0.36:0.0018。

实施例2

本实施例提供的一种海绵城市建设用混凝土增强剂，其原料包括温控型膨胀剂38wt％、白炭黑22wt％、纳米二氧化硅22wt％、萘系减水剂10wt％、羟丙基甲基纤维素8wt％、增强组分0.04wt％，即质量比约为质量比为1.75:1:1:0.45:0.36:0.0018。

实施例3

本实施例提供的一种海绵城市建设用混凝土增强剂，其原料包括水化热抑制型膨胀剂40wt％、白炭黑20.96wt％、纳米碳酸钙19wt％、聚羧酸减水剂10wt％、可再分散性乳胶粉10wt％、增强组分0.04wt％，即质量比约为质量比为2.1:1.16:1:0.47:0.53:0.002。

实施例4

本实施例提供的一种海绵城市建设用混凝土增强剂，其原料包括水化热抑制型膨胀剂36wt％、白炭黑24.96wt％、纳米碳酸钙24wt％、聚羧酸减水剂9wt％、可再分散性乳胶粉6wt％、增强组分0.04wt％，即质量比约为质量比为1.5:1.04:1:0.375:0.25:0.0017。

对比例1

本对比例提供的一种海绵城市建设用混凝土增强剂，其原料包括水化热抑制型膨胀剂、纳米碳酸钙、聚羧酸减水剂、可再分散性乳胶粉、三异丙醇胺，且质量比为1.75:1:0.45:0.36:0.0018。即增强剂中不含有白炭黑。

对比例2

本对比例提供的一种海绵城市建设用混凝土增强剂，其原料包括水化热抑制型膨胀剂、白炭黑、聚羧酸减水剂、可再分散性乳胶粉、三异丙醇胺，且质量比为1.75:1:0.45:0.36:0.0018。即增强剂中不含有纳米碳酸钙。

对比例3

本对比例提供的一种海绵城市建设用混凝土增强剂，其原料包括白炭黑、纳米碳酸钙、聚羧酸减水剂、可再分散性乳胶粉、三异丙醇胺，且质量比为1:1:0.45::0.36:0.0018。即增强剂中不含有膨胀剂。

对比例4

本对比例提供的一种海绵城市建设用混凝土增强剂，其原料包括水化热抑制型膨胀剂、白炭黑、纳米碳酸钙、聚羧酸减水剂、三异丙醇胺，且质量比为1.75:1:1:0.45:0.0018。即增强剂中不含有可再分散性乳胶粉。

效果例：实施例和对比例的混凝土增强剂对混凝土性能的影响

1、制备透水混凝土

(1)取实施例和对比例的混凝土增强剂，按下表1的配比取水泥、骨料和水。其中，骨料分别选择1-5mm、5-10mm、10-15mm三个粒径；混凝土增强剂的用量为水泥、骨料总用量的0、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％。

表1透水混凝土原料配比

(2)将全部骨料(碎石)及50份水加入搅拌机中润湿预拌30s，再加入水泥、混凝土增强剂搅拌2min，最后加入剩余的50份水搅拌均匀后出料，立即分别装入150mm×150mm×150mm和100mm×100mm×515mm的试模中制备成型；

装模方式具体为：先对试模进行手工插捣，之后将试模放在振动台上振动30s左右，将试块抹平。

(3)养护：将试件用塑料布盖好，防止水分蒸发，试件成型后养护1-2天后拆模。

参照CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》测定抗压强度、抗折强度及透水系数；参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的收缩试验方法，采用接触式混凝土收缩测试装置测定透水混凝土收缩率；参照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的方法测定坍落度和扩展度。

2、不同粒径的骨料对透水混凝土力学性能和收缩性能的影响

选择实施例1制备的混凝土增强剂，掺量为2.5％。透水混凝土骨料粒径选择1-5mm、5-10mm、10-15mm的单一粒径碎石，制备150mm×150mm×150mm的试件，参照CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》测定抗压强度、抗折强度及透水系数，具体结果如下表2所示。参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的收缩试验方法，采用接触式混凝土收缩测试装置测定透水混凝土收缩率，如附图1所示。

表2不同粒径下透水混凝土的力学性能

由表2可知，当骨料粒径为5-10mm时，透水混凝土的28d抗压强度和抗折强度效果最好。随着骨料粒径的增加，透水混凝土的透水系数也在不断的增加，28d抗压和抗折强度出现先增大后减小。经分析，其原因可能是由于骨料粒径过大，硬化后透水混凝土的空隙越大，导致胶凝材料与骨料间的界面粘着力减小，产生的张力也较小，进而导致强度降低。适宜的骨料粒径可以有效地改善平衡透水混凝土的强度和透水系数问题，因此透水混凝土的骨料粒径在制备过程中选择5-10mm最佳。

由附图1可以看到，不同骨料粒径下的透水混凝土硬化后随着龄期的延长，其收缩值在不断的增大，且骨料粒径越小，透水混凝土的收缩值越大。这是因为在混凝土配合比相同的情况下，骨料粒径越小，透水混凝土的孔隙越小，从而导致其收缩越大。

3、混凝土增强剂的不同掺量对透水混凝土力学性能、收缩性、工作性能的影响

选取采用粒径为5-10mm的骨料和实施例1制备的混凝土增强剂，且掺量为水泥、骨料总用量的0、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％的透水混凝土试件，测量透水混凝土的力学性能、收缩性和工作性能。

表3不同掺量的透水混凝土的力学性能、工作性能

由上表3中可以看出，随着实施例1制备的混凝土增强剂掺量的增加，透水混凝土28d抗压强度均有一定的增长，掺量为3.5％的透水混凝土抗压强度比掺量为2.5％的仅高1.0Mpa；随着掺量的增加，透水混凝土的抗折强度也在不断提高，这是因为增强剂改善了胶材与骨料间的界面性能，使混凝土形成一种均匀的整体，从而增强了混凝土的抗压和抗折强度；而透水系数出现先增大后减小，可能的原因是预拌透水混凝土增强剂增加了透水混凝土的粘稠度，增强剂的多孔胶体填充了水泥石结构，导致透水系数减小。另外，现场使用情况也反映，掺2.5％海绵城市建设用混凝土增强剂后，透水混凝土的包裹性以及粘聚性方面效果更佳，故从经济性和施工性能综合方面考虑，透水混凝土中海绵城市建设用混凝土增强剂的最佳掺量选择2.5％为最佳。

从表3还可以看到，随着混凝土增强剂的增加，透水混凝土的坍落度和扩展度也随之增大，并且能够延缓透水混凝土的坍落度损失，保持其流动性，其1小时坍落度损失5％左右。从附图2和附图3可以看出，混凝土增强剂掺量2.5％时，透水混凝土的包裹性和流动性都较好。因此，掺量的增大虽然对透水混凝土的施工和强度都有帮助，但对透水系数有一定的影响。控制适宜的掺量及适宜的坍落度及扩展度，不仅可以提高其施工性能，还有利于其力学性能的发展。

从附图4可以看到，透水混凝土硬化后随着龄期的延长，其收缩值在不断的增大，而随着海绵城市建设用混凝土增强剂掺量的增加，透水混凝土的收缩值明显的降低。可能的原因是混凝土增强剂在水泥水化的过程中使水泥水化平稳进行，从而使水泥水化更充分，同时补偿了透水混凝土在硬化过程中的收缩，进而可以降低混凝土后期收缩引起的断裂。

4、混凝土增强剂的原料配方对透水混凝土力学性能、收缩性、工作性能的影响

选取采用粒径为5-10mm的骨料，且选取实施例1-4，对比例1-4制备的混凝土增强剂，掺量为水泥、骨料总用量的2.5％，制备相应的透水混凝土。

测定透水混凝土的抗压强度、抗折强度、透水系数、透水混凝土收缩率和工作性能。具体如下表4和附图5所示。

表4不同掺量的透水混凝土的力学性能、工作性能

由上表4可以看到，从经济性和施工性能综合方面考虑，当选用实施例1-4的混凝土增强剂，制得的透水混凝土同时具有更好的透水性、力学性能和工作性能。而采用对比例1-4的混凝土增强剂，制得的透水混凝土，都只能在使透水混凝土某一方面的性能提升，并不能达到综合最优的性能。

从附图5可以看到，透水混凝土硬化后随着龄期的延长，其收缩值在不断的增大，当选用实施例1-4的混凝土增强剂，制得的透水混凝土具有更好的收缩性能，收缩值较低。而采用对比例1-4的混凝土增强剂，制得的透水混凝土因为某一组分的缺失，导致其收缩性能也受到明显影响。