绿色种植屋面用功能梯度混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及建筑材料领域，具体地说是一种绿色种植屋面用功能梯度混凝土及其制备方法。

背景技术：

随着经济发展与城镇化进程的加速，大气污染愈加严重，同时建筑能耗居高不下。绿色屋面对解决环境污染及建筑能耗方面具有巨大潜力。而目前，绿色屋面最大的问题即刚性屋面的防水性能，柔性阻根层的老化性能较差，有机阻根成分与防水材料中的油分极易挥发，导致防水阻根效果较差，而刚性屋面不具备阻根效果，严重限制了刚性屋面的服役性能。因此，急需开发一种刚性阻根防水材料用于绿色种植屋面。

功能梯度材料是根据具体的使用要求，选择两种或两处以上具有不同性能的材料，通过连续改变这些材料的组成和结构，使其内部面减少直至消失，从而使材料成为性质和功能均呈连续平稳变化的一种非均质复合材料。把梯度的概念引入到水泥混凝土中，通过组分的变化来改善其性能并能够适用于比较复杂的特殊的工程环境中是很多混凝土材料工作者不断追求和探索的目的标。

目前梯度混凝土主要用于高层建筑、大跨度结构、高压地下水及高温环境中，如申请号201711373004.4为一种梯度功能混凝土塔柱结构及其施工方法，主要特点是普通混凝土、高韧性纤维增强水泥基复合材料分层组合，实现材料体系在性能上的均匀过渡，消除界面不连续性弱区，有效地提高结构的承载能力，确保整体结构的完整性和稳定性；又如专利号201510856951.3的一种温度梯度控制桥梁大体积混凝土，它从内向外由内层低温升高抗裂混凝土i、中层低温升高抗裂混凝土ii和外层高韧性高抗裂混凝土构成。通过内层低温升高抗裂混凝土中复合控温材料高相变温度和中层低温升高抗裂混凝土中复合控温材料低相变温度的特性，各自吸收各层胶凝材料水化热，降低混凝土内部和中部温度。可见，现有公开的梯度混凝土通常是从强度、温度或者韧性上的梯度变化进行考虑，应用领域有限，现有并无用于绿色种植屋面的记载。并且，如果考虑将梯度混凝土用于绿色种植屋面的建筑材料，由于植物根系生长穿刺的影响，存在破坏梯度混凝土中相邻两层的界面的可能性，对平行于梯度材料界面的剪切强度具有更高要求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种具有抗裂、防水、阻根性外，自愈合性能、抗泥性、抗压抗折性能好的绿色种植屋面用功能梯度混凝土。

本发明还提供一种方法简单、原料易得、成本低的绿色种植屋面用功能梯度混凝土制备方法。

本发明功能梯度混凝土由上层的阻根混凝土层和下层的自愈抗裂防水混凝土层组成，其中，

按重量份数，阻根混凝土层原料包括水泥300-400份，砂750-800，碎石1000-1100份，减水剂3-6份，膨胀剂15-35份、铜纤维10-30份、水160-170份；

按重量份数，自愈抗裂防水混凝土层原料包括水泥250-300份，砂750-850份，碎石1000-1100份，减水剂2-5份，纤维10-30份，膨胀剂15-35份，吸水树脂1-5份、水160-170份。

所述铜纤维粒径为3-6mm，其中，铜含量>55％，锌含量>30％。

所述水泥为硅酸盐水泥pi52.5水泥，所述砂为粒径3.0-3.2中区砂，碎石为粒径5-16mm碎石。

所述减水剂为聚羧酸减水剂、四甲基氯化铵、焦亚硫酸钠、奈系减水剂按照重量比(50-60):2:2:1的混合物。

所述膨胀剂为偶氮二甲酰胺与氧化镁混合物，混合比例为1:5。

所述纤维为钢纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维中的至少一种，所述吸水树脂为超细高分子吸水树脂，平均粒径<30微米。

所述自愈抗裂防水混凝土层的上表面具有压印，所述阻根混凝土层的下表面具有与所述压印对应的突印，所述压印与突印对应啮合。

所述阻根混凝土层的厚度优选为5cm，所述自愈抗裂防水混凝土层厚度优选为15cm。

上述功能梯度混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将自愈抗裂防水混凝土的原材料按照比例搅拌均匀后进行浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；待终凝临近时，对混凝土表面进行压印处理；

(2)待自愈抗裂防水混凝土层终凝之后，将阻根混凝土原材料按照比例搅拌均匀后，浇筑于防水保温混凝土层之上，终凝后即得到绿色种植屋面用功能梯度混凝土。

所述阻根混凝土层的厚度为5cm，所述自愈抗裂防水混凝土层厚度为15cm；所述压印间隔18-22cm，压印深度2-4mm。

针对背景技术中存在的问题，发明人引入了梯度混凝土的概念，由上层的阻根混凝土层和下层的自愈抗裂防水混凝土层组成，上层的阻根混凝土层在普通混凝土原料中加入了铜纤维，既起到了抗开裂的效果，同时铜具有化学阻根的效果，所述铜纤维粒径优选为3-6mm，过大会影响混凝土致密性，过小会抗裂效果不明显，优选铜含量>55％，锌含量>30％。

自愈抗裂防水混凝土层的原料中加入了纤维、高分子吸水树脂及膨胀剂，其中纤维起到抗裂效果，铜纤维起到抗裂与阻根的双重效果；膨胀剂起到抑制微裂缝产生的作用；而当发生不可避免的微裂缝时，高分子吸水树脂可对微裂缝进行主动修补，三者配合，不仅可以提高防水抗裂效果，同时具有自愈合微裂缝的作用；

并且本发明混凝土中所使用的减水剂优选为聚羧酸减水剂、四甲基氯化铵、焦亚硫酸钠、奈系减水剂四种混合物，特别添加的四甲基氯化铵与焦亚硫酸钠在泥的层状结构中的插层作用，避免减水剂的插层消耗，同时利用焦亚硫酸钠中的硫酸根延迟氯酸盐矿物水化，以降低坍落度损失，抗泥性好，所述聚羧酸减水剂、四甲基氯化铵、焦亚硫酸钠、奈系减水剂按照重量比50-60:2:2:11，焦亚硫酸钠添加量过高会引起基体硬化缓慢，过低会影响基体工作性能。

进一步，由于本发明混凝土用于绿色屋面结构，种植的植物根系对混凝土层有穿刺作用，这种作用不同于其它建筑材料所面临的环境，采用梯度混凝土时，对相邻两层混凝土层界面间的结合性能有了更高的要求，为此，发明人一方面在自愈抗裂防水混凝土浇筑震实后不进行抹平处理外，提高结合面的粗糙度，以进一步提高混凝土层之间有的结合性能，并且还采用待终凝临近时对混凝土表面进行压印处理的方式，该压印处理方法不同于现有技术中为了美观而进行压印，而是为了进一步提高自愈抗裂防水混凝土层与阻根混凝土层结合面的结合性能，通过压印处理后，再在自愈抗裂防水混凝土层表面浇筑阻根混凝土层，两者结合面处会形成啮合状态的压印与突印，不仅增加了两层混凝土之间的接触面积，提高结合性，而且大大提高了平行于梯度材料界面(即结合面)的剪切强度，有效对抗植物根系的穿刺作用，通过机械咬合力与混凝土物理化学粘结力提供梯度混凝土良好的界面结合性能。优选的所述阻根混凝土层的厚度为5cm，所述自愈抗裂防水混凝土层厚度为15cm；所述压印间隔优选18-22cm，间隔过大会引起结合性能不良，过小会增加施工难度；压印深度2-4mm，深度过大会影响基体强度，深度过小引起结合界面性能不良。

本发明混凝土采用功能性梯度布置，上层主要发挥防水阻根作用，下层主要发挥抗裂、自愈合、抗泥性和抗压抗折性能，各材料共同发挥增强、增韧效果，上下两层之间界面结合性能良好，进一步提高梯度混凝土的综合性能。本发明混凝土生产方法简单易行，原料易得、生产成本低，特别适用于绿色种植屋面结构用建筑材料。

附图说明

图1为本发明混凝土上、下层结构示意图。

图2在梯度混凝土上进行平行于梯度材料界面的剪切强度实验的作用力方向示意图。

其中1-阻根混凝土层、2-自愈抗裂防水混凝土层、3-压印、4-突印。

具体实施方式

参见图1，本发明梯度混凝土包括由上层厚度为5cm的阻根混凝土层1和下层厚度为15cm的自愈抗裂防水混凝土层2组成，其中，下层的自愈抗裂防水混凝土层2的上表面具有压印3，所述阻根混凝土层1的下表面具有与所述压印3对应的突印4，所述压印3与突印4对应啮合，所述压印间隔h为18-22cm，压印深度2-4mm。

下述实施例中：所述铜纤维粒径为3-6mm，其中，铜含量>55％，锌含量>30％；所述水泥为硅酸盐水泥pi52.5水泥，所述砂为粒径3.0-3.2中区砂，碎石为粒径5-16mm碎石；所述减水剂为聚羧酸减水剂、四甲基氯化铵、焦亚硫酸钠、奈系减水剂按照重量比(50-60):2:2:1的混合物；所述膨胀剂为偶氮二甲酰胺与氧化镁混合物，混合比例为1:5；所述吸水树脂为超细高分子吸水树脂，平均粒径<30微米。

实施例1

第一步，自愈抗裂防水混凝土的制备：称取水泥250份，砂760份，碎石1020份，减水剂4.5份，纤维25份(钢纤维)，膨胀剂30份，吸水树脂5份；

第二步，阻根混凝土的制备：称取水泥300份，砂760，碎石1090份，减水剂5.5份，膨胀剂30份、铜纤维12份。

第三步，自愈抗裂防水混凝土搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；待终凝临近时，采用钢筋将混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm，压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土，其中，阻根混凝土层厚度为5cm，自愈抗裂防水混凝土层厚度为15cm。自然养护3d、7d、28d后，进行力学性能测试，抗压强度测试。自然养护3d、7d、28d的抗压强度分别为45.4mpa、59.7mpa、68.5mpa；自然养护3d、7d、28d的平行于梯度材料界面的剪切强度(如图2所示)分别为10.3mpa、17.7mpa、21.1mpa。经阻根试验后，结果表明，植物无坏死，植物根系未发生穿刺；混凝土初始坍落度220cm，1h后坍落度为220cm；二次抗渗高度为1cm；圆环开裂试验未发现裂缝。

实施例2

第一步，自愈抗裂防水混凝土的制备：称取水泥300份，砂750份，碎石1040份，减水剂3.5份，纤维18份(芳纶纤维)，膨胀剂28份，吸水树脂2.5份

第二步，阻根混凝土的制备：称取水泥400份，砂750，碎石1080份，减水剂5份，膨胀剂28份、铜纤维16份。

第三步，自愈抗裂防水混凝土搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；待终凝临近时，采用钢筋将混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm，压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土，其中，阻根混凝土层厚度为5cm，自愈抗裂防水混凝土层厚度为15cm。自然养护3d、7d、28d后，进行力学性能测试，抗压强度测试，自然养护3d、7d、28d的抗压强度分别为44.5mpa、58.1mpa、64.9mpa；自然养护3d、7d、28d的平行于梯度材料界面的剪切强度分别为10.1mpa、16.9mpa、20.5mpa。经阻根试验后，结果表明，植物无坏死，植物根系未发生穿刺；混凝土初始坍落度210cm，1h后坍落度为210cm；二次抗渗高度为1.2cm；圆环开裂试验未发现裂缝。

实施例3

第一步，自愈抗裂防水混凝土的制备：称取水泥260份，砂850份，碎石1000份，减水剂2.5份，纤维16份，膨胀剂25份，吸水树脂3.5份

第二步，阻根混凝土的制备：称取水泥390份，砂800，碎石1000份，减水剂4.5份，膨胀剂24份、铜纤维18份。

第三步，自愈抗裂防水混凝土搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；待终凝临近时，采用钢筋将混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm，压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土，其中，阻根混凝土层厚度为5cm，自愈抗裂防水混凝土层厚度为15cm。自然养护3d、7d、28d后，进行力学性能测试，抗压强度测试，自然养护3d、7d、28d的抗压强度分别为46.7mpa、58.6mpa、67.6mpa；自然养护3d、7d、28d的平行于梯度材料界面的剪切强度分别为10.1mpa、17.9mpa、21.6mpa。经阻根试验后，结果表明，植物无坏死，植物根系未发生穿刺；混凝土初始坍落度220cm，1h后坍落度为220cm；二次抗渗高度为1.1cm；圆环开裂试验未发现裂缝。

实施例4

第一步，自愈抗裂防水混凝土的制备：称取水泥270份，砂770份，碎石1100份，减水剂2份，纤维14份(聚丙烯纤维)，膨胀剂20份，吸水树脂4份

第二步，阻根混凝土的制备：称取水泥380份，砂770，碎石1100份，减水剂3份，膨胀剂20份、铜纤维25份。

第三步，自愈抗裂防水混凝土搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；待终凝临近时，采用钢筋将混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm，压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土，其中，阻根混凝土层厚度为5cm，自愈抗裂防水混凝土层厚度为15cm。自然养护3d、7d、28d后，进行力学性能测试，抗压强度测试结构如图2所示。自然养护3d、7d、28d的抗压强度分别为44.7mpa、51.9mpa、64.7mpa；自然养护3d、7d、28d的平行于梯度材料界面的剪切强度分别为9.9mpa、15.4mpa、20.1mpa。经阻根试验后，结果表明，植物无坏死，植物根系未发生穿刺；混凝土初始坍落度210cm，1h后坍落度为220cm；二次抗渗高度为0.9cm；圆环开裂试验未发现裂缝。

实施例5

第一步，自愈抗裂防水混凝土的制备：称取水泥280份，砂780份，碎石1060份，减水剂5份，纤维10份(玻璃纤维)，膨胀剂17份，吸水树脂3份

第二步，阻根混凝土的制备：称取水泥360份，砂780，碎石1060份，减水剂6份，膨胀剂15份、铜纤维20份。

第三步，自愈抗裂防水混凝土搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；待终凝临近时，采用钢筋将混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm，压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土，其中，阻根混凝土层厚度为5cm，自愈抗裂防水混凝土层厚度为15cm。自然养护3d、7d、28d后，进行力学性能测试，抗压强度测试。自然养护3d、7d、28d的抗压强度分别为42.4mpa、57.3mpa、63.7mpa；自然养护3d、7d、28d的平行于梯度材料界面的剪切强度分别为10.6mpa、18.7mpa、21.8mpa。经阻根试验后，结果表明，植物无坏死，植物根系未发生穿刺；混凝土初始坍落度220cm，1h后坍落度为220cm；二次抗渗高度为0.8cm；圆环开裂试验未发现裂缝。

实施例6

第一步，自愈抗裂防水混凝土的制备：称取水泥290份，砂800份，碎石1080份，减水剂4份，纤维30份(碳纤维)，膨胀剂15份，吸水树脂2份

第二步，阻根混凝土的制备：称取水泥340份，砂790，碎石1040份，减水剂4份，膨胀剂35份、铜纤维10份。

第三步，自愈抗裂防水混凝土搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；待终凝临近时，采用钢筋将混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm，压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土，其中，阻根混凝土层厚度为5cm，自愈抗裂防水混凝土层厚度为15cm。自然养护3d、7d、28d后，进行力学性能测试，抗压强度测试。自然养护3d、7d、28d的抗压强度分别为40.6mpa、51.5mpa、63.5mpa；自然养护3d、7d、28d的平行于梯度材料界面的剪切强度分别为10.0mpa、16.7mpa、23.5mpa。经阻根试验后，结果表明，植物无坏死，植物根系未发生穿刺；混凝土初始坍落度220cm，1h后坍落度为210cm；二次抗渗高度为1.1cm；圆环开裂试验未发现裂缝。

实施例7

第一步，自愈抗裂防水混凝土的制备：称取水泥270份，砂820份，碎石1090份，减水剂3份，纤维12份(玄武岩纤维)，膨胀剂35份，吸水树脂1份

第二步，阻根混凝土的制备：称取水泥320份，砂770，碎石1020份，减水剂3.5份，膨胀剂17份、铜纤维30份。

第三步，自愈抗裂防水混凝土搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；待终凝临近时，采用钢筋将混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm，压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土，其中，阻根混凝土层厚度为5cm，自愈抗裂防水混凝土层厚度为15cm。自然养护3d、7d、28d后，进行力学性能测试，抗压强度测试。自然养护3d、7d、28d的抗压强度分别为41.8mpa、55.6mpa、63.1mpa；自然养护3d、7d、28d的平行于梯度材料界面的剪切强度分别为11.2mpa、18.4mpa、23.0mpa。经阻根试验后，结果表明，植物无坏死，植物根系未发生穿刺；混凝土初始坍落度220cm，1h后坍落度为220cm；二次抗渗高度为1.2cm；圆环开裂试验未发现裂缝。

比较例1

除在第一步和第二步的减水剂中不添加焦亚硫酸钠，其余同实施例1。阻根混凝土层厚度为5cm，自愈抗裂防水混凝土层厚度为15cm。自然养护3d、7d、28d后，进行力学性能测试，抗压强度测试。自然养护3d、7d、28d的抗压强度分别为40.1mpa、52.4mpa、60.5mpa；自然养护3d、7d、28d的平行于梯度材料界面的剪切强度分别为10.0mpa、14.5mpa、21.3mpa。经阻根试验后，结果表明，植物无坏死，植物根系未发生穿刺；混凝土初始坍落度210cm，1h后坍落度为180cm；二次抗渗高度为1.9cm；圆环开裂试验未发现裂缝。

比较例2：

除在第三步不进行压印处理外，其余同实施例1。阻根混凝土层厚度为5cm，自愈抗裂防水混凝土层厚度为15cm。自然养护3d、7d、28d后，进行力学性能测试，抗压强度测试。自然养护3d、7d、28d的抗压强度分别为41.8mpa、55.6mpa、63.1mpa；自然养护3d、7d、28d的平行于梯度材料界面的剪切强度分别为5.7mpa、9.8mpa、17.1mpa。经阻根试验后，结果表明，植物无坏死，植物根系发生穿刺；混凝土初始坍落度220cm，1h后坍落度为220cm；二次抗渗高度为1.2cm；圆环开裂试验可发现裂缝。

比较例3：

不制备上层阻根混凝土层，其余同实施例1。自然养护3d、7d、28d的抗压强度分别为42.4mpa、55.4mpa、61.8mpa；自然养护3d、7d、28d的平行于梯度材料界面的剪切强度分别为10.7mpa、17.8mpa、22.1mpa。经阻根试验后，结果表明，植物无坏死，植物根系发生穿刺；混凝土初始坍落度220cm，1h后坍落度为220cm；二次抗渗高度为1.2cm；圆环开裂试验未发现裂缝。