快速固化的透水混凝土混合物的制作方法
【专利说明】快速固化的透水混凝土混合物
【背景技术】
[0001] 本申请要求2012年12月21日提交的美国临时申请第61/740, 863号和2013年 12月19日提交的美国正式申请第14/134, 659号的优先权，所述申请的公开内容通过引用 整体并入本文，用于所有目的。
[0002] 透水混凝土（perviousconcrete)也称为多孔混凝土、可渗透混凝土、无砂混凝 土（n〇-finesconcrete)、间断级配混凝土（enhanced-porosityconcrete)或高孔隙度混 凝土，是包含粗集料、波特兰水泥和水的复合材料。粗集料在其接触点通过一层由水泥和水 形成的糊料结合在一起，形成使流体穿过固化材料排出的开放孔隙或空隙相连的网络。透 水混凝土混合物通常包括与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，水和胶凝材料（cementitiousmaterial)结合，使得浓稠的糊料包覆集料颗 粒。减少或消除了细集料，并且使用窄粒径的粗集料。减少的胶凝糊料含量和不存在细集 料避免了被包覆的粗集料颗粒之间的紧密堆积，并且获得了包含开放且相连的空隙的硬化 结构。
[0003] 透水混凝土允许雨水渗透穿过结构体至下面的地下。通过收集雨水并且允许其渗 入地下，透水混凝土有助于减少下游水路中的雨水径流污染并且补充地下水供应。对雨水 污染的负面影响的敏感性极大扩展了透水混凝土的用途。根据联邦清洁水法案的EPA法 规，以及区域标准、国家标准和地方标准逐渐纳入透水混凝土的使用作为最佳管理实践，以 减少雨水径流并改善水质。因此，对透水混凝土的需求持续增长，作为停车场、车道、步行通 道、走道、便道、广场、路缘、路面、挡土墙及积聚雨水并将雨水排放至环境的其他结构的首 选材料。
[0004] 透水混凝土的混合物特性需要谨慎的浇注和固化以使透水结构体的强度和耐久 度最大化。透水混合物中减少的胶凝材料含量产生了强度比非透水结构体相对更低，但需 要更多固化时间以发展出足够的强度来承受载荷的混凝土。与此同时，透水混凝土的集料 上的糊料薄覆层、开放结构和粗糙表面增加了水泥结合反应所需的糊料中的水的蒸发。为 了恰当地固化，透水混凝土通常加湿并覆盖至少七天。对服务于交通的路面应用，通常建议 路面七天内不对施工或公共交通开放，并且建议连续固化直至路面开放，连续固化中断了 工作进度，延迟项目的完工并且增加了成本。参见例如由美国混凝土学会公布的透水混凝 土路面规范，ACI522. 1-08。仍然对与现有混合物所容许的相比可以更快固化至承载强度 并且更早对交通开放的透水混凝土混合物存在需求。
【发明内容】
[0005] 本发明涉及快速固化的透水混凝土混合物。因此根据本发明各方面的第一实施方 案，是通过合并水、包含波特兰水泥和辅助胶凝材料的胶凝材料、经筛分以形成透水混凝土 的集料、减水剂、一定量的纤维和聚合物粘结剂而制成的快速固化的透水混凝土混合物，该 混合物在浇注24小时之内固化至至少2000psi的抗压强度。
[0006] 根据本发明各方面的另一优选实施方案是根据前述实施方案的快速固化的透水 混凝土混合物，其通过合并400镑/码3至700镑/码3胶凝材料、2000镑/码 3至3000镑 /码3集料、1盎司/百镑/码3(〇z/cwt/yd3)至20盎司/百镑/码3减水剂、0.5镑/码3 至2. 5镑/码3纤维和0. 5加仑/码3至1. 5加仑/码3聚合物粘结剂而制成。
[0007] 根据本发明各方面的另一优选实施方案是根据上述第一实施方案的快速固化的 透水混凝土混合物，其中辅助胶凝材料是粉煤灰（flyash)。
[0008] 根据本发明各方面的另一实施方案是通过浇注和固化快速固化的透水混凝土混 合物而获得的透水混凝土，所述快速固化的透水混凝土混合物通过合并水、包含波特兰水 泥和辅助胶凝材料的胶凝材料、经筛分以形成透水混凝土的集料、减水剂、一定量的纤维和 聚合物粘结剂而制成，该混合物在饶注24小时之内固化至至少2000psi的抗压强度。
[0009] 根据本发明各方面的另一实施方案是生产透水混凝土的方法，其包括以下步骤： 通过合并水、包含波特兰水泥和辅助胶凝材料的胶凝材料、经筛分以形成透水混凝土的集 料、减水剂、一定量的纤维和聚合物粘结剂而形成混合物、将该混合物以期望的结构浇注并 且固化该经浇注的混合物，在浇注24小时之内达到至少2000psi的抗压强度。
[0010] 本发明的这些和其他特征、方面和优势将参照以下说明和所附权利要求而得到更 好的理解。
【具体实施方式】
[0011] 一般而言，根据本发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 特兰水泥和辅助胶凝材料的胶凝材料、集料、减水剂、一定量的纤维和聚合物粘结剂。根据 本发明各方面的典型混合物设计包括至少400镑/码3至多700镑/码3的胶凝材料；至少 2000镑/码 3至多3000镑/码3的经筛分用于透水混凝土的集料，所述透水混凝土具有约 15%至约25%的孔隙含量和约5加仑/英尺 2 ·分钟的渗透率；相对于胶凝材料的重量比 为至少0. 25至多0. 40的水；2盎司/百镑/码3至20盎司/百镑/码3减水剂；0. 5镑/ 码3至2. 5镑/码3纤维；和0. 5加仑/码3至1. 5加仑/码3聚合物粘结剂。
[0012] 然而，普通技术人员应当理解，本文所述的尺寸和量可以根据特定应用的需求和 要求而变化，并且除明确描述或要求外，无意限制于这些或本发明的任意其他实施方案。透 水混凝土混合物设计的一般性说明参见由美国混凝土学会（ACI)公布的设计指南211中。 考虑到可获得的材料，可能需要变化以获得期望的孔隙度，或考虑到可接受的孔隙度，可能 需要变化以获得期望的强度。
[0013]水
[0014] 水作为以胶凝材料转化成混凝土为特征的水合反应中的反应物，是任何混凝土混 合物的基本要素。在根据本发明各方面的快速固化的透水混凝土混合物中，以相对于胶凝 材料的如下重量比混入水，所述重量比为至少〇. 25、优选至少0. 26、更优选至少0. 27、至多 〇· 40、优选至多 0· 39、0· 38、0· 37、0· 36、0· 35、0· 34、0· 33、0· 32、0· 31 或 0· 30。水相对于胶凝 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。水相对于胶凝材料的合 适比例还包括0. 34至0. 40、0. 27至0. 43和0. 27至0. 38。根据本发明各方面的水相对于 胶凝材料的比例可以在本文所述的下限和上限的任意组合的范围之间。
[0015] 水相对于胶凝材料的特别优选的范围是0. 27至0. 30。然而，如通过技术人员根据 特定应用或浇注的条件或要求所确定，可以使用高达0. 40和更高，例如高达0. 43的水相对 于胶凝材料的比例。
[0016]胶凝材料
[0017] 为了本发明的目的并且如本文中所使用，术语"胶凝材料"和"水泥"在一般意义 上用于广义地指在水合作用下凝结并硬化的硅酸盐材料，又被称为水硬性水泥。在所有的 水硬性水泥中，波特兰水泥使用最广泛。本发明的胶凝材料包含波特兰水泥和辅助胶凝材 料两者。
[0018] 波特&水泥
[0019] 波特兰水泥通过将原料的均质混合物，例如石灰岩和粘土或页岩，或其他钙质和 泥质材料（argillaceousmaterial)的混合物加热至恪结（fused)或烧结态而产生。恪结 料称为"熟料"，通常采取约〇. 2英寸至1英寸大小的球粒（nodule)的形式。波特兰水泥熟 料的四种主要化学组分是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。用于熟料的主要原 料通常是与包含粘土作为铝硅酸盐源的第二材料混合的石灰岩（CaC03)。石灰岩的CaOV# 量可以低至80%。通常使用包含粘土或SiOj^不纯的石灰岩。第二原料（除石灰岩外的材 料）将取决于石灰岩的纯度。一些典型的第二原料包括粘土、页岩、砂、铁矿石、铝矾土、粉 煤灰和矿渣。当用煤来烧水泥窑时，煤灰可以充当第二原料。典型的波特兰熟料将包含按