兼备透水性和保水性的高强度混凝土预制件 【技术领域】
本发明涉及兼备透水性和保水性，其耐开裂性能被强化的混凝土预制件或混凝土施工物。
背景技术
相对于1重量份的硅酸盐水泥含有重量比2～10的多孔粒状矿渣的混凝土铺路材料是已知的(参照专利文献1)。
据认为这种铺路材料具有瞬时的透水性能、缓和热岛现象、保持地下水等用途，但是由于(1)在成形施工时混入的水过多，透水性能比较低；(2)在成形施工时碾实压力过大，使透水性降低；(3)欠缺保水性，不能期待长期保水；(4)容易产生裂纹；(5)弯曲强度低，而不适合在容易产生弯曲应力的铺路工程中使用。
【专利文献1】专利3,050,793号公报
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种具有优异的透水性和保水性，在耐开裂性能方面得到增强的混凝土预制件。
本发明的第一方面为，提供一种兼备透水性和保水性的高强度混凝土预制件，其包含，多孔骨料，该多孔骨料包括粒状矿渣、沸石、火山岩；吸水性树脂，该吸水性树脂包括水溶性树脂；纤维物质，该纤维物质包括玻璃纤维、金属纤维、或高分子纤维；硬化材料，该硬化材料包括硅酸盐水泥、生态水泥、高强度水泥、快速硬化水泥，在零坍塌或低坍塌状态下强行搅拌混合乃至施工。
本发明的第二方面为，在本发明的第一方面中，相对于混凝土的重量，吸水性树脂的添加量在0.3％之内。
本发明第三方面为，在第一方面中，相对于混凝土的重量，纤维物质的添加量在3％之内。
本发明第四方面为，在第二方面中，相对于混凝土的重量，纤维物质的添加量在3％之内。
本发明的第五方面为，在第一至第四方面中，在混入水以后的新鲜混凝土的状态，是通过调节混入水的量，使一般细骨料从表面干燥饱和状态达到表面含水率5％的范围内。
本发明的第六方面为，在第一至第四方面中，在多孔骨料中添加普通骨料，所述普通骨料包括非多孔地砂、碎石。
本发明的第七方面为，在第五方面中，在多孔骨料中添加普通骨料，所述普通骨料包括非多孔的砂、碎石。
在本发明中，由于由硬化材料互相结合的骨料是多孔物质，即使在比如作为铺路材料使用的混凝土预制件的表面有散水或降水，水也不会滞留在表面或者表层部分，而立即从混凝土预制件的底层浸透到混凝土预制件的支持基础上。
但是，由于在混凝土预制件中以一定的比例混入了吸水性树脂，散水或降水总量并没有全部跑到混凝土预制件的支持基础上，一定比例的水被吸收保持在吸水性树脂中，这些水分由于毛细管现象而逸出到混凝土预制件的表面上，由其蒸发潜热使路面降温，能够改善热岛现象。
如在图1中所示，多孔骨料1和吸水性树脂2通过硅酸盐水泥等硬化材料结合，而且还通过玻璃纤维或金属纤维等纤维物质3互相结合为一个整体，从而提高了弯曲强度，增大了抑制裂纹的效果，特别适合于铺路等重负荷的用途。
【附图说明】
图1是本发明的混凝土预制件示意性的部分断面图。
图2是在本发明的混凝土预制件防止开裂测试中使用的诱发裂纹装置的平面图。
图3是显示没有添加玻璃纤维的测试体中产生裂纹状况的照片。
图4是显示添加了玻璃纤维的测试体中产生裂纹状况的照片。
图5是在透水测试中使用透水测试装置的示意图。
图6是表示保水保持时间确认测试结果的图。
符号的说明
1 多孔骨料
2 吸水性树脂
3 纤维质物质
【具体实施方式】
相对于混凝土预制件的重量，吸水性树脂的混入量优选在0.3质量％以内，只要在此范围内，对混凝土预制件的强度以及透水性几乎不受影响，保水性提高两成到四成，而保水的保持时间提高到2倍至3倍的程度，可以期待长期的保水性能。
作为吸水性树脂，优选是在含有海水或地下水等含有多种电解质的水中也显示出稳定的吸水性能的耐盐性吸水树脂，比如株式会社日本催化剂制造的アクアリツクCS(注册商标)。此外，可以使用聚丙烯酸系列吸水聚合物、淀粉-丙烯酸系列吸水聚合物等。
作为粒状矿渣，可以使用软质粒状矿渣，这样的粒状矿渣，在外径1～3毫米左右的玻璃质粒子的内部具有无数的气泡。由硅酸盐水泥等硬化材料结合的粒状矿渣的粒子之间的空隙和粒状矿渣自身内部的空隙，确保良好的透水性能。
通过混入纤维质物质，提高混凝土弯曲强度两成至三成，耐开裂性能也有飞跃的改善。从相对于混凝土的重量比添加量在0.03％开始就几乎不再产生裂纹，伴随着添加量的增大，裂纹全面消失。相对于混凝土的重量，纤维物质的添加量在3％以内就足够了。
在混凝土中混入水的情况下，当水的混入量过大时，几乎丧失了混凝土预制件的透水性能和保水性能，因此适当地调节混入水量是必要的。在混入水以后的新鲜混凝土的状态使得一般的细骨料的表面从干燥饱和状态变成表面含水率为5％的范围内，就能够最大限度地确保透水性能和保水性能。
根据需要添加了适当的颜料和混合材料的上述各种材料，在零坍塌或近似于零坍塌的低坍塌状态下被强制混合，填充到所需的形框中进行成形或者在道路等施工现场进行施工。除了将混凝土材料填充到形框中然后使形框和混凝土材料一起静置的方法以外，可以根据需要在形框或混凝土材料上施加振动或压力的负荷进行成形。
除了多孔骨料以外，在混凝土材料中添加一定量的普通骨料时，能够增强混凝土预制件的机械强度，抑制由于损耗造成的寿命降低。在只用多孔骨料不能得到所需强度时，可以追加配合砂或砂砾、碎石等普通骨料。
本发明的混凝土预制件，除了作为铺路砌块或路面砌块等一般的混凝土预制件、多孔混凝土预制件、模块式混凝土预制件或多孔模块式混凝土预制件在工厂中生产而提供以外，还能够在道路、铺路或地面铺路的施工现场进行现场施工。
实施例
下面显示出对本发明的混凝土预制件进行性能测试的结果。
本测试是研究在使用多孔骨料的透水混凝土中添加吸水性树脂(水溶性聚合物)和纤维性物质(玻璃纤维)对混凝土性能和功能的影响。
测试是对在表1的环境下制造的测试体，进行表2中所示项目，即压缩强度、弯曲强度、透水性能、保水性能和防止开裂的测试。
表1 测试体制造日、场所、自然环境 案例 测试日 场所 天气 温度(℃) 湿度(％) 1 03-12-6 音羽工场 晴 13.6 82 2 03-12-17 音羽工场 晴 8.9 66 3 03-12-17 音羽工场 晴 8.9 66 4 03-12-18 音羽工场 晴 10.1 50
表2 测试内容 案例 压缩强度 测试 弯曲强度 测试 透水性能 测试 保水性能 测试 防止开裂 测试 1 ○ ○ ○ ○ 2 ○ ○ ○ ○ 3 ○ ○ ○ ○ ○ 4 ○ ○ ○
在制造测试体时使用的材料如在表3中所示，测试配方如在表4中所示，混炼方法如在表5中所示。
表3 使用材料 材料名称 符号 各种物理性能 水 W 自来水 水泥 C 太平洋水泥(株)制造的普通水泥 (密度：3.04g/cm3) 细骨料 S 新日本制铁(株)软质粒状矿渣 (表观干燥密度：2.62g/cm3) 纤维材料 GRC 日本ダラス(株)玻璃纤维(ACSPH-901X、 ACSH-103) 吸水性树 脂 AC (株)日本催化剂吸水性树脂(CAW101、CS6HM(颗粒 度50微米))、CS6HR(颗粒度100微米)、 CS6S(颗粒度15微米)
表4 各个测试使用的配方(单位千克) 案 例 W C S GRC AC ACSPH -901X ACSH- 103 CAW 101 CS6 HM CS6 HR CS6S 1 120 300 1680 2 120 300 1680 5 3 120 300 1680 5 4 120 300 1680 2.0 1.5
表5 混炼方法案例1 S+C→空混240秒 W→熟混180秒→排出2、3 S+AC→空混120秒 S→空混240秒 W→熟混180秒→排出4 S+AC→空混120秒 S→空混180秒 G→空混240秒 W→熟混180秒→排出
压缩强度测试，对在表1中所示的案例1、案例2、案例3和案例4进行。
使用如在表3中所示的材料和在表4中所示的案例1、案例2、案例3和案例4的配方，按照JIS A 1332制造测试体。测试体的尺寸是直径10厘米，高度20厘米，进行自然养护。养护期在一定条件下取一个月(30天)。压缩测试机是按照JIS B 7733所规定的装置。
测试方法按照JIS A 1108的规定。制造三件考虑到制造时偏差的测试体，计算出其平均直径。
压缩强度是使用在测试机上显示的测试体破坏时最大负荷，按照如下的公式计算出。
σc＝P/(π*(d/2)2)
σc：压缩强度(牛顿/平方毫米)
P：最大负荷(牛顿)
d：测试体的直径(毫米)
压缩强度的测试结果显示在表6中。由于添加吸水性树脂，根据树脂种类(案例2)的不同压缩强度有所下降，但通过采用颗粒度50微米的CS6HM和玻璃纤维有所改善，得到与案例1相同的强度。
表6 测试结果(单位：牛顿/平方毫米) 案例 测试体No 平均值 1 2 3 1 11.34 10.57 9.10 10.34 2 9.04 10.30 8.91 9.41 3 10.31 5.85 7.38 7.84 4 11.46 9.17 11.08 10.57
对在表2中所示的案例1、案例2、案例3和案例4进行弯曲强度测试。
使用如在表3中所示的材料和在表4中所示的案例1、案例2、案例3和案例4的配方，按照JIS A 1332制造测试体。测试体的尺寸是4厘米×4厘米×16厘米。进行自然养护，养护时间在一定条件下取一个月(30天)。测试装置是按照JIS B 7733中所规定的装置。
测试方法是按照JIS A 1106所规定的方法。考虑到制造时的偏差，制造三件测试体，计算出其平均值。
使用在测试机械上显示的测试体破坏时的最大负荷，使用以下的公式计算出弯曲强度。
σc＝P*l/b*h2
σb：弯曲强度(牛顿/平方毫米)
P：最大负荷(牛顿)
l：跨距(毫米)
b：破坏断面的宽度(毫米)
h：破坏断面的高度(毫米)
弯曲强度测试的结果如在表7中所示。由于添加了吸水性树脂，使得弯曲强度下降，但通过添加玻璃纤维会使其改善，确认是案例1的1.44倍。
表7 测试结果 案例 测试体No. 平均值 相对于案例1增 加的倍数 1 2 3 1 2.8 2.71 2.7 2.64 1.00 2 2.37 2.47 2.68 2.37 0.90 3 1.9 1.86 1.9 1.75 0.66 4 3.75 3.85 3.9 3.9 1.44
在上述表4中所示的配方案例4，由于添加了玻璃纤维等纤维材料，使得增强了混凝土的弯曲强度，改善了耐开裂性能。但是，混凝土的弯曲强度，由于矿渣等多孔材料(在粒径减小以后，成为有别于碎石的细骨料)性质的不同使得增强的程度不够稳定。为了得到对弯曲强度的稳定的高增强效果，要充分注意对所用多孔细骨料的选择，使该细骨料的性状和材质落入作为目的的一定范围内是有必要的。
作为能够稳定地得到增强的弯曲强度的另外一个方法，是加入上述矿渣作为细骨料，而使用添加粒径大约5毫米的碎石(按照JIS标准分类：7号碎石)作为粗骨料的方法。表8显示出对相对于全部骨料，使用添加20％、30％、70％、80％等不同比例的7号碎石的测试体进行弯曲强度测试的结果。
如在表8中所示，确认通过增大添加率使得弯曲强度得到稳定的增强。通过添加这样的碎石，对透水性能没有影响。在案例3和案例4中看到保水性能有一定程度的降低，但在案例1和案例2中则没有见到保水性能的降低。
表8 案 例 水 (kg) 水泥 (kg) 矿渣 (kg) 7#碎石 (kg) 玻璃纤维 (kg) 吸水性 树脂 (kg) 弯曲强度 (牛顿/平方 毫米) 1 120 380 1344 336 2 5 3.3 2 120 380 1176 504 2 5 3.3 3 120 380 504 1176 2 5 5.3 4 120 380 336 1344 2 5 5.8
防止裂纹测试确认在如表2中所示的案例3和案例4的混凝土中添加耐碱性玻璃纤维时的防止开裂的效果。
为了诱发裂纹，如在图2中所示，使用50毫米的方形框架围起来的框架，上面设置固定了直径13毫米钢筋的厚度4.5毫米铁板。使用在表3中所示的材料和表4中所示的案例3和案例4的配方混炼成混凝土，装入如图2中所示的框架中，在60℃下在养护室内静置24小时。
由于铁板和钢筋的膨胀会诱发裂纹，将脱模以后的测试体，在铁板一侧的铁板面上用氧气均匀地加热，加热的时间为3分钟。
如图3中所示，没有添加玻璃纤维的测试体，产生了许多裂纹，由此能够确认破损的位置。与此相反，添加了玻璃纤维的测试体，如在图4中所示，几乎没有产生裂纹。
透水性测试对表2中所示的案例1、案例2和案例3进行。
使用如在表3中所示的材料和在表4中所示的案例1、案例2和案例3的配方制造测试体。测试体的尺寸是直径10厘米，高度3厘米。进行自然养护，养护时间在一定条件下取一个月(30天)。
测试使用如在图5中所示的JASS 7 M101(连锁模块性能测试方法)中规定的装置，使得与上述测试体的尺寸相对应。考虑到制造时的偏差，制造三件测试体，计算出平均值。使用如下的公式从测量值计算出透水系数。
K＝(H/h)×(Q/(A×30秒))
K：透水系数(厘米/秒)
H：块的厚度(厘米)
h：水头差(厘米)
Q：30秒的排水量(立方厘米)
A：块的面积(平方厘米)
由表9的试验结果显示出，添加吸水性树脂对透水性能没有影响，表现出同样的透水性能。
表9 测试结果(单位：×10-2厘米/秒) 案例 测试体No. 平均值 1 2 3 1 1.973 2.120 2.243 2.112 2 2.094 2.167 1.893 2.051 3 2.223 2.014 2.086 2.108
对在表2中所示的案例1、案例2和案例3进行保水性能测试。
使用如在表3中所示的材料和在表4中所示的案例1、案例2和案例3的配方制造测试体。测试体的尺寸是直径10厘米，高度3厘米。进行自然养护，养护时间在一定条件下取一个月(30天)。
测试确认保水能力和保水保持时间等性能。
在保水能力测试中，用自来水将测试体饱和24小时，测定饱和的测试体的重量(w1(克))。然后在60℃的恒温室中将饱和的测试体干燥24小时，再测定干燥以后的测试体的重量(w2(克))。
用以下的公式计算出由块的含水比表示的保水能力。
w1＝(W1-W2)/w2×100
w1：含水比
在确认保水保持时间的测试中，用自来水将测试体饱和24小时，测定饱和的测试体的重量(w1(克))。然后在60℃的恒温室中将饱和的测试体干燥1小时、2小时、3小时、4小时、5小时、7小时和24小时时的测试体的重量(wi(克))，计算出含水比。
表8中所示的案例2和案例3的含水比的值是大致相同的，任何一个都在案例1的1.6倍以上。从而确认，通过添加吸水性树脂在相当程度上提高了混凝土的保水能力。
由表10和图6可以看出，对于在60℃下急速干燥时的块内含水量，由于案例2和案例3的保水能力更高，其含水比降低的速度比案例1更慢，在7小时以后显示出为案例1的两倍和3倍以上的高保水量。
表10 测试结果(单位：％) 案例 测试体No. 平均值 1 2 3 1 10.26 10.24 11.89 10.80 2 16.79 17.02 18.32 17.38 3 17.81 16.71 16.54 17.02
通过以上的测试可以确认，当在以多孔骨料为主原料的混凝土中添加吸水性树脂和玻璃纤维时，混凝土的功能发生以下的变化。
(1)确认不能期待增强压缩强度，但如果采用适当的吸水性树脂，可以对压缩强度不产生影响。
(2)通过添加玻璃纤维，弯曲强度有增大的倾向，也能够期待的相当程度上抑制裂纹产生。
(3)确认添加吸水性树脂能够增大混凝土的保水性能，也延长保水时间。对透水性能没有影响。
(4)在多孔细骨料中使用添加一定范围粒径的碎石时，能够稳定地增强混凝土的弯曲强度。