一种兼顾高早强与高固碳量的透水混凝土及其制备方法

本发明属于建筑材料的，具体涉及一种兼顾高早强与高固碳量的透水混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，我国大力推进“海绵城市”建设，而透水混凝土路面铺装是一种增加雨水下渗的优良的海绵城市技术方法，可以很好的改善地表径流条件。透水混凝土是一种生态环保型的混凝土，其主要特点在于内部大量的连通孔隙和高透水效率。透水混凝土的高透水性使其在城市透水路面铺装、水循环系统建设和河流边坡防护等方面都有着良好的应用前景，能够有效推动“海绵城市”的建设。

2、良好的透水性是透水混凝土最重要的优势之一，而研究表明，对多孔透水混凝土而言，透水系数与抗压强度是相互矛盾的指标。与普通混凝土相比，传统透水混凝土的孔隙率较高，粗骨料之间大多为点式连接，导致其抗压、抗拉和抗弯强度均偏低，限制了使用发展。若增加胶凝材料用量来提高混凝土强度会造成透水系数降低；而增大孔隙率则会使材料之间空隙更大，黏着性降低，从而导致混凝土强度的降低。因此，提升骨料颗粒粘结点的胶凝能力是在不牺牲透水性能前提下改善力学性能的关键。

3、超高性能混凝土(uhpc)是一种基于颗粒紧密堆积原理设计的具有超高力学性能与优异耐久性的新型土木工程材料。在保证透水性的同时，研究提高传统透水混凝土的力学性能思路可以借鉴uhpc，采用硅灰等增强材料取代水泥，注意骨料级配，调整水灰比、浆骨比。然而，uhpc的低水灰比与高水泥用量使其碳排放量大，可持续性低。此外，为获得超高的力学强度，传统uhpc通常采用蒸汽养护的方法，工序复杂，能耗大。

4、为降低混凝土生产过程中的高碳排放问题，一些学者提出采用二氧化碳与水泥的早期碳化反应进行混凝土养护，固碳的同时获得了明显的早期强度提升效果。水泥的早期碳化反应是一种高效的二氧化碳捕获手段，能有效减少水泥工业的碳排放，对达成碳达峰、碳中和的目标有促进作用，碳化养护作为蒸汽养护的一种替代手段，能够减轻养护过程中的能耗。然而，由于常规混凝土尤其是uhpc致密的微结构，二氧化碳只能停留在混凝土表层几毫米以内，不能完全碳化混凝土整体，使得固碳效率大打折扣。而常规的轻质骨料虽然具有连通的多孔结构但其力学性能差难以满足强度要求。若寻找一种新型的多孔并高强的骨料作为碳化养护透水混凝土的骨架，可以在保证力学强度的同时大大地提升碳化效率。

5、此外，水泥的碳化反应会产生球霰石、文石、方解石三类晶型，而球霰石与文石含量的增加会显著提升浆体的抗折强度，为提升透水混凝土的抗裂效果提供了一个有利途径。同时，以往的研究表明，浆体的稠度能够影响透水混凝土骨料颗粒表面包裹层的厚度，进而改变透水混凝土的强度。

6、基于此，提供一种兼顾高早强与高固碳量的透水混凝土及其制备方法，选择合适的原料及配合比既能够改善浆体的稠度增加包裹层厚度，又能与碳化养护相配合，诱导水泥碳化产物朝着球霰石与文石方向转化，不仅能够显著提升透水混凝土的力学强度，解决透水混凝土强度低、强度增长慢等问题，而且对于节约经济、保护生态环境具有重要的生产意义。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种兼顾高早强与高固碳量的透水混凝土的制备方法。

2、本发明的目的之二在于提供一种兼顾高早强与高固碳量的透水混凝土。

3、本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供一种兼顾高早强与高固碳量的透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、按重量份数计，准备以下原料：水泥4～4.5份、石灰石粉0.4～0.6份、硅灰0.7～0.9份、石英砂1～1.2份、铝矾土骨料19～23份、纳米纤维素0.002～0.01份、水0.9～1.2份、减水剂0.03～0.07份；

5、s2、将水泥、石灰石粉、硅灰、石英砂、铝矾土骨料和纳米纤维素混合均匀，得到混合物；

6、s3、向所述混合物中加入减水剂和部分水，混匀后加入余量的水，继续混合得到浆体；

7、s4、将所述浆体预养护成型，而后置于常温常压条件下，利用含二氧化碳的气体进行碳化养护至规定龄期，即得到兼顾高早强与高固碳量的透水混凝土。

8、本发明的总体思路如下：

9、本发明提供了一种利用二氧化碳养护技术制备的透水混凝土及其制备方法，在混凝土的配方中引入了铝矾土骨料作为透水混凝土的骨架，铝矾土骨料具有强度高、多孔等优势，能够提升透水混凝土的强度与碳化效率；同时引入一定比例的纳米纤维素，纳米纤维素的加入不仅能改善uhpc基透水混凝土包裹体的厚度，还能诱导产生更多的球霰石与文石，进而提升uhpc基透水混凝土的抗折强度与抗裂性能，不仅解决了透水混凝土早期强度低、强度增长慢、碳排放量大等问题，还能够对工业尾气中的二氧化碳进行资源化利用，显著降低透水混凝土制备过程的能源消耗，具有良好的经济效益、环境效益和社会效益。

10、进一步地，在本发明的原料组成中，在以铝矾土骨料为主要成分搭配一定比例的纳米纤维素的基础上，还加入了一定比例的水泥、石灰石粉、硅灰和石英砂。其中，水泥作为胶凝材料保证了混凝土结构的整体性；石灰石粉的加入可以改善uhpc的流动性，同时替代一部分水泥能够降低生产过程中水泥的二氧化碳排放量，对减少碳排放有积极作用；硅灰反应后能够填充混凝土中的微细裂孔，从而提高其抗渗性、抗裂性和耐久性；纳米纤维素不仅能够改善浆体的粘稠度增加包裹层厚度，还能诱导碳化动力过程产生更多的球霰石与文石，增强透水混凝土的抗裂性能。采用上述原料及配合比制得的透水混凝土材料混合凝结后具有高强度、高耐久的特点，可以提升透水混凝土的抗压、抗折等力学性能；在具备良好的力学性能的同时，该透水混凝土具有大孔及多孔结构，可以有效提高路面积水等的渗透排放效果。

11、进一步地，在本发明中，纳米纤维素的使用对于提高透水混凝土的强度起到了重要的作用。经研究发现，在一定范围内提高纳米纤维素的用量，能够同步提升透水混凝土的抗压、抗折等力学性能。然而，随着纳米纤维素含量的提高，浆体的稠度会变高，当纳米纤维素过量时，会导致浆体流动性降低，引入大量气泡进而降低力学强度。因此，优选地，纳米纤维素的质量份数为0.002～0.01份，在粉体组分(包括水泥、石灰石粉和硅灰)中的质量分数约为0.03％～0.18％。

12、优选地，所述铝矾土骨料的粒径分布范围为10～20目，压碎值(材料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力的性能指标，指被压碎碎屑的重量与试样总重量之比)为3％～7％；铝矾土骨料的组成成分中，al2o3含量为71wt.％～80wt.％；sio2含量为10wt.％～15wt.％；cao含量为0～1wt.％。

13、优选地，所述纳米纤维素的直径为3～30nm，长度为500～1500nm。更优选地，所述纳米纤维素的直径为30nm，长度为1000nm，该长径比条件下，具有更好的分散性能。

14、优选地，所述水泥的标号为52.5r，水泥颗粒的中值粒径为15～25μm。

15、优选地，所述石灰石粉的粒径分布范围为0.3～200μm，中值粒径为8～12μm。

16、优选地，所述硅灰的粒径分布范围为0.02～100μm，中值粒径为0.1～0.2μm。

17、优选地，所述石英砂的粒径分布范围为70～120目。

18、优选地，所述减水剂采用聚羧酸型高效液体减水剂，其减水效率≥30％。

19、上述优选的原料基于骨料堆积原理进行设计，合理的配合比结合多级配骨料设计，可以更好地兼顾透水混凝土的孔隙率和力学性能，制备得到高强、高耐久的透水混凝土材料。

20、进一步地，步骤s2中，混合的搅拌转速为20～30rpm，混合的时间为3～5min。该操作采用慢速搅拌的方式，能够确保水泥、石灰石粉、硅灰、石英砂这些粉体材料充分均匀地包裹在铝矾土骨料周围，充分发挥粉体材料的润滑与粘结作用，在保证孔隙率和透水系数的同时，以实现较好的抗折、抗压强度等力学性能。

21、优选地，步骤s3中，先加入减水剂与占总水质量70％的水与混合物混匀，再加入余量的水继续混合。

22、进一步地，步骤s4中，预养护成型包括：将所述浆体倒入模具中，振捣、压实，保鲜膜包裹1d脱模后，于15～25℃条件下养护0.5～2d；优选地，养护温度为20℃，养护时间为1d。在碳化养护前，先进行预养护操作，能够使得透水混凝土获得一定的初期强度，同时降低浆体内部的水分含量，以获得较好的碳化湿度环境(小于80％)。

23、进一步地，步骤s4中，所述含二氧化碳的气体为工业烟气或尾气，气体中二氧化碳的体积浓度为10％～30％。

24、进一步地，步骤s4中，碳化养护的相对湿度为70％～80％、温度20～30℃、碳化养护时间为1～3d。

25、本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种根据本发明目的之一所述的制备方法制得的兼顾高早强与高固碳量的透水混凝土。

26、在一些较好的实施方式中，所述透水混凝土的3d抗折强度为5.8～7.3mpa，3d抗压强度为26.2～30.2mpa。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

28、(1)本发明提供的兼顾高早强与高固碳量的透水混凝土的制备方法，采用原料优化和养护工艺相结合的方案，以铝矾土骨料为主要原料，搭配水泥、石灰石粉、硅灰、石英砂和纳米纤维素，充分利用各组分材料的自身优势，实现性能互补：水泥作为胶凝材料保证了混凝土结构的整体性；石灰石粉的加入可以改善uhpc的流动性，同时替代一部分水泥可以降低生产过程中水泥的二氧化碳排放量，对减少碳排放有积极作用；硅灰反应后能够填充混凝土中的微细裂孔，从而提高其抗渗性、抗裂性和耐久性；而铝矾土骨料作为骨料支撑着透水混凝土的整体结构，同时多孔结构可以促进碳化，纳米纤维素不仅能够改善浆体的粘稠度增加包裹层厚度，还能诱导碳化动力过程产生更多的球霰石与文石，增强透水混凝土的抗裂性能在工程实践上具有良好的可行性。

29、(2)本发明提供的兼顾高早强与高固碳量的透水混凝土的制备方法，工艺简单、操作方便，养护过程在常温常压下即可完成，不需要借助高温养护等手段，降低生产过程中的能耗与碳排放，提高了生产效率，以含二氧化碳的工业尾气作为碳化养护的气体，有助于减碳固碳，具有较高的经济、环境和社会效益。本发明制得的透水混凝土在保持良好的透水性能的同时，还具有较高的早期力学强度，具有广阔的推广及应用前景。