快速固化的透水混凝土混合物的制作方法
【專利說明】快速固化的透水混凝土混合物
【背景技術】
[0001] 本申請要求2012年12月21日提交的美國臨時申請第61/740, 863號和2013年 12月19日提交的美國正式申請第14/134, 659號的優先權，所述申請的公開內容通過引用 整體并入本文，用于所有目的。
[0002] 透水混凝土（perviousconcrete)也稱為多孔混凝土、可滲透混凝土、無砂混凝 土（n〇-finesconcrete)、間斷級配混凝土（enhanced-porosityconcrete)或高孔隙度混 凝土，是包含粗集料、波特蘭水泥和水的復合材料。粗集料在其接觸點通過一層由水泥和水 形成的糊料結合在一起，形成使流體穿過固化材料排出的開放孔隙或空隙相連的網絡。透 水混凝土混合物通常包括與在普通混凝土混合物中所使用的相同的材料，但比例不同。在 透水混凝土中，水和膠凝材料（cementitiousmaterial)結合，使得濃稠的糊料包覆集料顆 粒。減少或消除了細集料，并且使用窄粒徑的粗集料。減少的膠凝糊料含量和不存在細集 料避免了被包覆的粗集料顆粒之間的緊密堆積，并且獲得了包含開放且相連的空隙的硬化 結構。
[0003] 透水混凝土允許雨水滲透穿過結構體至下面的地下。通過收集雨水并且允許其滲 入地下，透水混凝土有助于減少下游水路中的雨水徑流污染并且補充地下水供應。對雨水 污染的負面影響的敏感性極大擴展了透水混凝土的用途。根據聯邦清潔水法案的EPA法 規，以及區域標準、國家標準和地方標準逐漸納入透水混凝土的使用作為最佳管理實踐，以 減少雨水徑流并改善水質。因此，對透水混凝土的需求持續增長，作為停車場、車道、步行通 道、走道、便道、廣場、路緣、路面、擋土墻及積聚雨水并將雨水排放至環境的其他結構的首 選材料。
[0004] 透水混凝土的混合物特性需要謹慎的澆注和固化以使透水結構體的強度和耐久 度最大化。透水混合物中減少的膠凝材料含量產生了強度比非透水結構體相對更低，但需 要更多固化時間以發展出足夠的強度來承受載荷的混凝土。與此同時，透水混凝土的集料 上的糊料薄覆層、開放結構和粗糙表面增加了水泥結合反應所需的糊料中的水的蒸發。為 了恰當地固化，透水混凝土通常加濕并覆蓋至少七天。對服務于交通的路面應用，通常建議 路面七天內不對施工或公共交通開放，并且建議連續固化直至路面開放，連續固化中斷了 工作進度，延遲項目的完工并且增加了成本。參見例如由美國混凝土學會公布的透水混凝 土路面規范，ACI522. 1-08。仍然對與現有混合物所容許的相比可以更快固化至承載強度 并且更早對交通開放的透水混凝土混合物存在需求。
【發明內容】
[0005] 本發明涉及快速固化的透水混凝土混合物。因此根據本發明各方面的第一實施方 案，是通過合并水、包含波特蘭水泥和輔助膠凝材料的膠凝材料、經篩分以形成透水混凝土 的集料、減水劑、一定量的纖維和聚合物粘結劑而制成的快速固化的透水混凝土混合物，該 混合物在澆注24小時之內固化至至少2000psi的抗壓強度。
[0006] 根據本發明各方面的另一優選實施方案是根據前述實施方案的快速固化的透水 混凝土混合物，其通過合并400鎊/碼3至700鎊/碼3膠凝材料、2000鎊/碼 3至3000鎊 /碼3集料、1盎司/百鎊/碼3(〇z/cwt/yd3)至20盎司/百鎊/碼3減水劑、0.5鎊/碼3 至2. 5鎊/碼3纖維和0. 5加侖/碼3至1. 5加侖/碼3聚合物粘結劑而制成。
[0007] 根據本發明各方面的另一優選實施方案是根據上述第一實施方案的快速固化的 透水混凝土混合物，其中輔助膠凝材料是粉煤灰（flyash)。
[0008] 根據本發明各方面的另一實施方案是通過澆注和固化快速固化的透水混凝土混 合物而獲得的透水混凝土，所述快速固化的透水混凝土混合物通過合并水、包含波特蘭水 泥和輔助膠凝材料的膠凝材料、經篩分以形成透水混凝土的集料、減水劑、一定量的纖維和 聚合物粘結劑而制成，該混合物在饒注24小時之內固化至至少2000psi的抗壓強度。
[0009] 根據本發明各方面的另一實施方案是生產透水混凝土的方法，其包括以下步驟： 通過合并水、包含波特蘭水泥和輔助膠凝材料的膠凝材料、經篩分以形成透水混凝土的集 料、減水劑、一定量的纖維和聚合物粘結劑而形成混合物、將該混合物以期望的結構澆注并 且固化該經澆注的混合物，在澆注24小時之內達到至少2000psi的抗壓強度。
[0010] 本發明的這些和其他特征、方面和優勢將參照以下說明和所附權利要求而得到更 好的理解。
【具體實施方式】
[0011] 一般而言，根據本發明各方面的透水混凝土混合物包含以下基本成分：水、包含波 特蘭水泥和輔助膠凝材料的膠凝材料、集料、減水劑、一定量的纖維和聚合物粘結劑。根據 本發明各方面的典型混合物設計包括至少400鎊/碼3至多700鎊/碼3的膠凝材料；至少 2000鎊/碼 3至多3000鎊/碼3的經篩分用于透水混凝土的集料，所述透水混凝土具有約 15%至約25%的孔隙含量和約5加侖/英尺 2 ·分鐘的滲透率；相對于膠凝材料的重量比 為至少0. 25至多0. 40的水；2盎司/百鎊/碼3至20盎司/百鎊/碼3減水劑；0. 5鎊/ 碼3至2. 5鎊/碼3纖維；和0. 5加侖/碼3至1. 5加侖/碼3聚合物粘結劑。
[0012] 然而，普通技術人員應當理解，本文所述的尺寸和量可以根據特定應用的需求和 要求而變化，并且除明確描述或要求外，無意限制于這些或本發明的任意其他實施方案。透 水混凝土混合物設計的一般性說明參見由美國混凝土學會（ACI)公布的設計指南211中。 考慮到可獲得的材料，可能需要變化以獲得期望的孔隙度，或考慮到可接受的孔隙度，可能 需要變化以獲得期望的強度。
[0013]水
[0014] 水作為以膠凝材料轉化成混凝土為特征的水合反應中的反應物，是任何混凝土混 合物的基本要素。在根據本發明各方面的快速固化的透水混凝土混合物中，以相對于膠凝 材料的如下重量比混入水，所述重量比為至少〇. 25、優選至少0. 26、更優選至少0. 27、至多 〇· 40、優選至多 0· 39、0· 38、0· 37、0· 36、0· 35、0· 34、0· 33、0· 32、0· 31 或 0· 30。水相對于膠凝 材料的通常比例包括0. 25至0. 40、0. 26至0. 38和0. 27至0. 30。水相對于膠凝材料的合 適比例還包括0. 34至0. 40、0. 27至0. 43和0. 27至0. 38。根據本發明各方面的水相對于 膠凝材料的比例可以在本文所述的下限和上限的任意組合的范圍之間。
[0015] 水相對于膠凝材料的特別優選的范圍是0. 27至0. 30。然而，如通過技術人員根據 特定應用或澆注的條件或要求所確定，可以使用高達0. 40和更高，例如高達0. 43的水相對 于膠凝材料的比例。
[0016]膠凝材料
[0017] 為了本發明的目的并且如本文中所使用，術語"膠凝材料"和"水泥"在一般意義 上用于廣義地指在水合作用下凝結并硬化的硅酸鹽材料，又被稱為水硬性水泥。在所有的 水硬性水泥中，波特蘭水泥使用最廣泛。本發明的膠凝材料包含波特蘭水泥和輔助膠凝材 料兩者。
[0018] 波特&水泥
[0019] 波特蘭水泥通過將原料的均質混合物，例如石灰巖和粘土或頁巖，或其他鈣質和 泥質材料（argillaceousmaterial)的混合物加熱至恪結（fused)或燒結態而產生。恪結 料稱為"熟料"，通常采取約〇. 2英寸至1英寸大小的球粒（nodule)的形式。波特蘭水泥熟 料的四種主要化學組分是硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣。用于熟料的主要原 料通常是與包含粘土作為鋁硅酸鹽源的第二材料混合的石灰巖（CaC03)。石灰巖的CaOV# 量可以低至80%。通常使用包含粘土或SiOj^不純的石灰巖。第二原料（除石灰巖外的材 料）將取決于石灰巖的純度。一些典型的第二原料包括粘土、頁巖、砂、鐵礦石、鋁礬土、粉 煤灰和礦渣。當用煤來燒水泥窯時，煤灰可以充當第二原料。典型的波特蘭熟料將包含按