一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂及其应用
阅读说明：本技术 一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂及其应用 (Inorganic-organic composite powder reinforcing agent for pervious concrete and application thereof ) 是由 李辉 杨洁 李准 张毅 于 2021-01-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂及其应用,增强剂包括以下组分及重量份含量：硅灰66-71份、可再分散性乳胶粉18-22份、早强剂10-11份、减水剂0.7-0.9份及β-环糊精-碳纳米管复合物0.01-0.05份；应用时,增强剂在透水混凝土的拌合过程中加入,并且增强剂的掺量为水泥质量的4％-6％。与现有技术相比,本发明结合了无机增强和有机增韧的复合改性方法,通过将特定组分按一定比例进行混合,可有效改善水泥胶浆的内聚性能和黏附性能,进而在保持相同孔隙率的前提下改善透水混凝土的抗压强度和抗折强度,对冻融耐久性也具有良好的改善效果。(The invention relates to an inorganic-organic composite powder reinforcing agent for pervious concrete and application thereof, wherein the reinforcing agent comprises the following components in parts by weight: 66-71 parts of silica fume, 18-22 parts of redispersible latex powder, 10-11 parts of early strength agent, 0.7-0.9 part of water reducing agent and 0.01-0.05 part of beta-cyclodextrin-carbon nanotube compound; when the cement admixture is applied, the reinforcing agent is added in the mixing process of the pervious concrete, and the mixing amount of the reinforcing agent is 4-6% of the mass of the cement. Compared with the prior art, the invention combines the inorganic reinforcing and organic toughening composite modification method, and can effectively improve the cohesive property and the adhesion property of the cement mortar by mixing the specific components according to a certain proportion, thereby improving the compressive strength and the flexural strength of the pervious concrete on the premise of keeping the same porosity, and having good improvement effect on the freeze-thaw durability.)
技术领域
本发明属于透水混凝土改性剂技术领域，涉及一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂及其应用。
背景技术
透水混凝土路面具有优良的环境效益，一般采用增强剂可使其抗压强度提升到C30。为了开发面向中重载交通的透水混凝土，其力学性能和耐久性能仍有改善的空间。在保证一定孔隙率的情况下，对透水混凝土性能的改善有三种方式：①改善胶凝体系性能；②改善界面过渡区性能；③增加接触点数量和面积。这三种方式归根结底在于对水泥胶浆性能进行改善，通过添加增强剂对水泥胶浆的性能进行提升，同时对水泥胶浆与骨料之间的粘结强度进行提升，对接触点的面积进行改善，目前是较为公认的提升透水混凝土强度的主要方法。
目前常见的透水混凝土增强剂多为液体状态，混合液在搅拌均匀的前提下具有一定程度上的增强效果，然而，长期放置会造成固体沉降，出现增强组分分布不均匀的现象。在每次使用时，多数情况下需要对增强剂进行搅拌，但是搅拌并不能保证液体组分混合均匀，因此会造成增强效果不稳定的情况出现。对增强剂组分有效的混合，以及使其在透水混凝土中有效的分散是提升增强剂性能的关键。另外，透水混凝土由于其抗折强度不足容易发生断裂等病害，而多数增强剂对透水混凝土的抗压强度具有很好的增强效果，却对抗折强度的影响不明晰或效果不佳。
因此，对透水混凝土的增强增韧均十分重要，而现有增强剂无法满足上述要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂及其应用。本发明综合考虑透水混凝土的早期和后期强度性能、耐久性能以及环境效益，通过使用各种粉体改性材料，并进行预混合以保证增强剂分散均匀，进而得到一种性能稳定、改性效果良好的增强增韧透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂，仅需在拌合时将增强剂添加到拌合料中，便能使增强剂的作用充分发挥，使透水混凝土性能得到改善。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂，该增强剂包括以下组分及重量份含量：硅灰66-71份、可再分散性乳胶粉18-22份、早强剂10-11份、减水剂0.7-0.9份及β-环糊精-碳纳米管复合物0.01-0.05份。
进一步地，所述的硅灰的中值粒径为38-42μm，优选为40μm。
优选地，所述的硅灰中，SiO2的含量大于95wt％。
进一步地，所述的可再分散性乳胶粉为粉体增强型醋酸乙烯酯-乙烯共聚物，优选为瓦克化学股份公司产品ETONIS 7550A。
进一步地，所述的早强剂为甲酸盐类早强剂，其有效成分含量大于99.0wt％，优选为甲酸钙。
进一步地，所述的减水剂为粉体型聚羧酸减水剂，减水率优选为20％-30％。
进一步地，所述的β-环糊精-碳纳米管复合物采用以下方法制备而成：将β-环糊精及碳纳米管加入至水中，超声震荡后过滤，再进行烘干。
进一步地，所述的碳纳米管包括单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或更多种，纯度优选为大于99.5％，所述的β-环糊精与碳纳米管的质量比为(2.5-3.5):1，所述的水的温度为85-95℃，所述的超声震荡的时间为3-5h，所述的烘干的温度为75-85℃。
优选地，所述的β-环糊精与碳纳米管的质量比为3:1，所述的水的温度为90℃，所述的超声震荡的时间为4h，所述的烘干的温度为80℃。
一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂的制备方法，该方法为：将各组分混合均匀，即得到所述的增强剂。
一种无机-有机复合粉体增强剂在透水混凝土中的应用。
进一步地，所述的增强剂在透水混凝土的拌合过程中加入，并且所述的增强剂的掺量为水泥质量的4％-6％。
优选地，所述的透水混凝土的水胶比范围为0.26-0.34；拌合过程中，增强剂以先掺法加入。
本发明的作用机理为：
1、通过小颗粒硅灰对水泥颗粒间的孔隙进行填充，使水泥胶浆包裹层更加密实，硅灰还可与水泥水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应，增加水化硅酸钙凝胶的含量；
2、通过可再分散性乳胶粉，增加硬化混凝土的柔性，乳胶粉固化后可形成互联的网状膜，可胶连水泥水化产物，起到增强增韧的效果；
3、通过减水剂、β-环糊精-碳纳米管复合物实现水泥胶浆在较低水灰比下的良好流动性能，水灰比降低有利于减少水泥胶浆的孔隙率，增加透水混凝土强度；
4、由于可再分散性乳胶粉和β-环糊精的引入，会造成透水混凝土发生缓凝的现象，加入早强剂可起到早强效果，保证透水混凝土早期强度的形成；
5、碳纳米管具有较高的弹性模量和抗拉强度，能够较好地改善水泥的脆性，增强韧性，但其疏水的特性使其在水中分散性较差，而在与β-环糊精混合并超声复合之后，增加了其与水泥浆的亲和性，增加胶浆的内聚性能，可提高透水混凝土的抗剥落性能。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明结合了无机增强和有机增韧的复合改性方法，通过将特定组分按一定比例进行混合，可有效改善水泥胶浆的内聚性能和黏附性能，进而在保持相同孔隙率的前提下改善透水混凝土的抗压强度和抗折强度，对冻融耐久性也具有良好的改善效果；
2)本发明增强剂具有良好的分散效果，不会造成分散不均而导致透水混凝土性能产生差异，并且各组分本身性能稳定，随取随用；
3)不同粉剂分别起到填充、优化水化产物、分散、增粘增塑、改善界面粘结等作用，能够改善透水混凝土的孔隙结构以及粘结方式，从多个方面综合改善透水混凝土的力学性能以及耐久性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1-6中的原材料为：硅灰中SiO2含量大于95wt％，中值粒径为40μm；可再分散性乳胶粉为瓦克化学股份公司产品ETONIS 7550A；早强剂为甲酸钙，有效成分含量为99.8wt％；减水剂为聚羧酸减水剂，减水率20％-30％；β-环糊精-碳纳米管复合物采用以下方法制备而成：将β-环糊精及碳纳米管加入至水中，超声震荡后过滤，再进行烘干。其中，碳纳米管为多壁碳纳米管，其纯度达99.5％，管径为20-30nm，长度为3-12μm，比表面积为160-220m2/g；β-环糊精与碳纳米管的质量比为3:1，水的温度为90℃，超声震荡的时间为4h，烘干的温度为80℃。
实施例1：
如表1所示，一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂，包括以下组分及重量份含量：硅灰66份，可再分散性乳胶粉18份，早强剂11份，减水剂0.7份，β-环糊精-碳纳米管复合物0.05份。其使用方法为：该增强剂在混凝土拌合过程中加入，其掺量为水泥质量的4％。
实施例2：
如表1所示，一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂，包括以下组分及重量份含量：硅灰71份，可再分散性乳胶粉22份，早强剂10份，减水剂0.9份，β-环糊精-碳纳米管复合物0.01份。其使用方法为：该增强剂在混凝土拌合过程中加入，其掺量为水泥质量的6％。
实施例3：
如表1所示，一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂，包括以下组分及重量份含量：硅灰66份，可再分散性乳胶粉22份，早强剂11份，减水剂0.7份，β-环糊精-碳纳米管复合物0.05份。其使用方法为：该增强剂在混凝土拌合过程中加入，其掺量为水泥质量的4％。
实施例4：
如表1所示，一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂，包括以下组分及重量份含量：硅灰71份，可再分散性乳胶粉18份，早强剂10份，减水剂0.9份，β-环糊精-碳纳米管复合物0.01份。其使用方法为：该增强剂在混凝土拌合过程中加入，其掺量为水泥质量的6％。
实施例5：
如表1所示，一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂，包括以下组分及重量份含量：硅灰71份，可再分散性乳胶粉18份，早强剂11份，减水剂0.7份，β-环糊精-碳纳米管复合物0.01份。其使用方法为：该增强剂在混凝土拌合过程中加入，其掺量为水泥质量的6％。
实施例6：
如表1所示，一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂，包括以下组分及重量份含量：硅灰71份，可再分散性乳胶粉18份，早强剂11份，减水剂0.9份，β-环糊精-碳纳米管复合物0.05份。其使用方法为：该增强剂在混凝土拌合过程中加入，其掺量为水泥质量的6％。
实施例1-6的配方如表1所示。
表1透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂配方
按照上述实施例1-6得到的增强剂用于透水混凝土的制备，采用集料为4.75-9.5mm的单一粒径玄武岩碎石，表观密度为2.930g/cm3，堆积密度为1.700g/cm3，水泥为海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，设计孔隙率15％。具体配合比见表2。其中，以不掺增强剂的透水混凝土为对比例。
表2透水混凝土配合比
采用水泥裹石法进行透水混凝土拌制。分别成型立方体试件(100mm×100mm×100mm)和长方体试件(100mm×100mm×400mm)用于力学性能的表征。分三次将拌合料加入到模具中并用捣棒进行插捣，表面用平板振动器振动10s。用湿布覆盖试件表面，脱模后定期洒水，并用湿布裹覆试件至龄期。参照GB/T 50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行力学性能测试，GB/T 50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行抗冻测试(25次快速冻融循环)，DG/TJ08-2265《透水性混凝土路面应用技术标准》进行空隙率和有效空隙率的测试，采用变水头法进行透水系数测试。结果如表3所示。
表3透水混凝土性能测试结果
由表3试验结果可知，实施例1-6配制的增强剂使透水混凝土的抗压强度和抗折强度均得到有效提高，提升幅度分别为43％-87％和17％-43％。根据CJJT 135《透水水泥混凝土路面技术规程》的性能要求，C30强度等级的透水混凝土要求28d抗压强度大于30.0MPa，抗折强度大于3.5MPa，抗冻性质量损失率小于5％，且透水系数大于0.5mm/s，连续孔隙率大于10％。采用实施例1-6配制的增强剂后，透水混凝土的强度等级均达C30，且透水性能良好，尤其是采用实施例6的增强剂可使透水混凝土的抗压强度达40.3MPa，抗折强度达4.3MPa。对于不同组别的增强剂，由于增粘组分和增塑组分的用量差异，导致新拌透水混凝土的工作性能有所不同，由此导致部分组别的浆体发生轻微离析，导致透水混凝土底部空隙产生轻微堵塞现象，进而导致透水系数有所降低。
实施例7：
一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂，该增强剂包括以下组分及重量份含量：硅灰66份、可再分散性乳胶粉22份、早强剂10份、减水剂0.9份及β-环糊精-碳纳米管复合物0.01份。
其中，硅灰的中值粒径为42μm。可再分散性乳胶粉为粉体增强型醋酸乙烯酯-乙烯共聚物。早强剂为甲酸盐类早强剂。减水剂为粉体型聚羧酸减水剂。
β-环糊精-碳纳米管复合物采用以下方法制备而成：将β-环糊精及碳纳米管加入至水中，超声震荡后过滤，再进行烘干。碳纳米管为单壁碳纳米管，β-环糊精与碳纳米管的质量比为2.5:1，水的温度为95℃，超声震荡的时间为3h，烘干的温度为85℃。
制备方法为：将各组分混合均匀，即得到增强剂。
应用时，增强剂在透水混凝土的拌合过程中加入，并且增强剂的掺量为水泥质量的4％。
实施例8：
一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂，该增强剂包括以下组分及重量份含量：硅灰71份、可再分散性乳胶粉18份、早强剂11份、减水剂0.7份及β-环糊精-碳纳米管复合物0.05份。
其中，硅灰的中值粒径为38μm。可再分散性乳胶粉为粉体增强型醋酸乙烯酯-乙烯共聚物。早强剂为甲酸盐类早强剂。减水剂为粉体型聚羧酸减水剂。
β-环糊精-碳纳米管复合物采用以下方法制备而成：将β-环糊精及碳纳米管加入至水中，超声震荡后过滤，再进行烘干。碳纳米管为多壁碳纳米管，β-环糊精与碳纳米管的质量比为3.5:1，水的温度为85℃，超声震荡的时间为5h，烘干的温度为75℃。
制备方法为：将各组分混合均匀，即得到增强剂。
应用时，增强剂在透水混凝土的拌合过程中加入，并且增强剂的掺量为水泥质量的6％。
实施例9：
一种透水混凝土用无机-有机复合粉体增强剂，该增强剂包括以下组分及重量份含量：硅灰68份、可再分散性乳胶粉20份、早强剂10.5份、减水剂0.8份及β-环糊精-碳纳米管复合物0.03份。
其中，硅灰的中值粒径为40μm。可再分散性乳胶粉为粉体增强型醋酸乙烯酯-乙烯共聚物。早强剂为甲酸盐类早强剂。减水剂为粉体型聚羧酸减水剂。
β-环糊精-碳纳米管复合物采用以下方法制备而成：将β-环糊精及碳纳米管加入至水中，超声震荡后过滤，再进行烘干。碳纳米管包括单壁碳纳米管及多壁碳纳米管，β-环糊精与碳纳米管的质量比为3:1，水的温度为90℃，超声震荡的时间为4h，烘干的温度为80℃。
制备方法为：将各组分混合均匀，即得到增强剂。
应用时，增强剂在透水混凝土的拌合过程中加入，并且增强剂的掺量为水泥质量的5％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
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