凈水型透水混凝土的制備與性能研究

王春萱，張意，曾路，何牟，陸長海

（1重慶市建設崗位培訓中心，重慶 400015；2重慶建工住宅建設有限公司，重慶 400015；3重慶大學 材料學院，重慶 400045）

伴隨城市化建設的加快，硬質地面等不透水面積的大幅增加，嚴重影響了降雨、蒸發、雨水徑流匯流過程，使得城鎮內澇現象頻發，城市熱島效應和雨水徑流污染問題嚴重[1]。近年來，國內開始大力推進建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，并推廣和應用低影響雨水開發系統的建設模式。因此，透水混凝土的研究和運用日益廣泛。

透水混凝土憑借自身大量的連通孔隙所帶來的透水透氣性，一方面，增加了人類發展與自然環境的協調性，減輕環境的負荷；另一方面，各種工業廢水和生活污水在未經處理的情況下經透水路面直接滲入地下水，污染水質[2]。本文探討了透水混凝土對有機污染物的吸附性能，將透水與凈水相結合，緩解雨水徑流對地下水質的直接污染。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：重慶富皇水泥有限公司，P·O42.5級水泥。性能測試如表1。

粗骨料：采用5～10mm單粒級石灰石碎石。性能測試如表2。

粉煤灰：由實驗室提供，性能測試如表3。

減水劑：聚羧酸減水劑。生產商為山東濱州市誠力建材有限責任公司，其固含量為40%，減水率為28.5%。

膨潤土。

水：自來水。

1.2 配合比設計

本文采用的透水混凝土配合比設計方法為體積法，其原理如下：粗骨料在緊密堆積的情況下，其空隙部分主要包括漿體和所需目標空隙兩部分，是建立在粗骨料空隙率、目標孔隙率、水灰比三個參數之上的[3]。膨潤土改性后等量代替骨料進行研究。詳細配比見表4。

表1 水泥技術性能指標

表2 粗骨料技術性能指標（產地：重慶歌樂山）

表3 粉煤灰技術性能指標（產地：珞璜）

表4 透水混凝土各組成材料的用量

1.3 試驗方法

1.3.1 試件成型及養護攪拌方法為水泥裹石法，具體步驟如下：

圖1 透水混凝土透水系數測試

所有試件均采用強制式攪拌機攪拌而成，100mm×100mm×100mm鋼模成型。拌合物分三次裝模，每次裝模后用直徑為25mm的鋼筋進行插搗。然后采用平板振動器均勻振動，抹刀抹平，覆膜放置24h后拆模，成型之后放入標準養護室養護[4-5]。

1.3.2 膨潤土改性試驗

將膨潤土分別采用300℃、400℃、500℃、600℃恒溫焙燒兩小時。焙燒改性后的膨潤土通過親水性和凈水能力檢測，確定最佳改性條件。

1.3.3 抗壓強度的測定

透水混凝土的抗壓強度測試按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

1.3.4 孔隙率的測定

P為試件透水系數（0.1mm/s）；

V1為第一次讀數時的水量（mL）；

V2為第二次讀數時的水量（mL）；

A為透水面積（mm2）；

t為水面從到所需的時間間隔（s）。

1.3.6 吸附試驗

采用TU-1901雙光束紫外可見分光光度計測試試塊對于羅丹明B的吸光度，分析試塊對染料的吸附能力，測試波長為554.00nm。，其中，P為有效孔隙率 （%）；m1為試件浸水飽和狀態下在水中的重量 （kg）；m2為試件從水中取出后，擦干表面水烘干至恒重，試件在空氣中的質量 （kg）；V0為試件的外觀體積（cm3）。

1.3.5 透水系數的測定（圖1）

實驗通過模擬路面透水儀測定透水系數，測試前任意選取試件的兩面，作為透水的頂面和底面，其余四面均需蠟封，然后需橡皮泥再次密封加固。有機玻璃與試件間進行多次密封實驗檢測之后方可進行試驗。

2 結果與討論

2.1 膨潤土的改性實驗

如圖1所示，300℃、400℃、500℃、600℃分別對應A、B、C、D。膨潤土經過高溫改性后，破碎成5～10mm粒徑大小，取一定量放入量筒內浸泡24h。搖勻后結果明顯（圖2）。

圖2 改性膨潤土親水實驗

結果表明，A組潰散嚴重，B組適量潰散，C組輕微潰散，D組無潰散。膨潤土自身親水性較強，無法直接代替粗骨料。高溫改性后，親水能力大量降低。

將A、B、C、D四組膨潤土研磨，過200目篩。 取樣品各5g，分別加入四組濃度為5mg/L的羅丹明B溶液中。取樣2min、5min、10min、20min、30min、60min時的溶液離心，將上清液進行吸光度測試（圖3）。

圖3 改性膨潤土吸附試驗

A、B、C三組對羅丹明B的去除效果顯著，60min后溶液歸于無色。D組去除效果較弱。因此，300℃和400℃改性后的膨潤土親水性太強，600℃改性后吸附能力較弱，這三種溫度對于膨潤土的改性皆不予采納。此后的實驗均為500℃。

2.2 膨潤土對透水混凝土性能的影響

2.2.1 膨潤土粒徑對透水混凝土性能的影響

根據表4中，組1和組2試驗結果如圖4所示，隨著膨潤土粒徑的增加，透水混凝土的抗壓強度呈下降趨勢，孔隙率和透水系數逐漸增加。改性膨潤土代替骨料摻入透水混凝土，粒徑越小，堆積密度越大，骨料之間相互填充，接觸點增加，透水混凝土的強度就越高，但其阻斷了部分混凝土內部封閉孔隙或連通孔隙，造成孔隙率和透水系數的下降。相同條件下，骨料粒徑越大，比表面積越小，骨料之間的接觸點減少，膠結面積越小，透水混凝土的強度降低，但孔隙尺寸和有效孔隙率的增加，提高了透水混凝土的透水能力[6-7]。因此，膨潤土的最優摻入粒徑為2.36～4.74mm。

圖4 改性膨潤土粒徑對透水混凝土性能的影響

2.2.2 膨潤土摻加方式對透水混凝土性能的影響

圖5 改性膨潤土的摻加方式對透水混凝土的性能影響

對比組2和組3的試驗結果（圖5），外摻法較于內摻法，透水混凝土的抗壓強度有所增長，其中28d強度增加了40%。但外摻時孔隙率和透水系數明顯下降。采用內摻法取代骨料時，保證單方骨料用量不變的情況下，減少了天然碎石的用量，混凝土的孔隙率增加且改性膨潤土的自身承壓能力較天然碎石弱，因此，強度有所下降；采用外摻時，每方透水混凝土的骨料用料增加，膨潤土填充于碎石空隙中，骨料之間的接觸點增加，因此，透水混凝土的強度增加，孔隙率和透水能力下降。

2.2.3 膨潤土摻量對透水混凝土性能的影響

圖6 膨潤土摻量對透水混凝土抗壓強度、孔隙率、透水系數的影響

如圖6所示，隨著膨潤土摻量的增加，透水混凝土的強度先增加后減小，其中摻量為20%時，7d強度高達10.13MPa，28d強度最高可達17MPa。孔隙率和透水系數隨著摻量的增加呈下降趨勢。根據顆粒堆積理論[8]，小粒徑顆粒不斷填充在大粒徑顆粒的空隙中，增加骨架的密實程度，因此透水混凝土的強度提高，透水能力下降。但其密實程度與骨料的填充方式和填充比例有關，存在最佳摻量，在目前所得試驗中最佳摻量為20%。當小粒徑顆粒摻量過多，在骨架體系中造成局部堆積，混凝土受力不均造成破壞。

2.1.2 膨潤土摻量對透水混凝土吸附性能的影響

如圖7所示，隨著膨潤土摻量的增加，透水混凝土的凈水能力逐漸增加。在早期的100min內，混凝土對羅丹明B的去除能力快速增加，最高可達65%。主要是由于此時羅丹明B溶液的濃

圖7 膨潤土摻量對透水混凝土吸附性能的影響

度最高，可吸附的物質最多。在此之后，凈水能力增加的速度減慢，直至達到平衡。最高的凈水能力達到80%[9-10]。透水混凝土的孔隙結構增加了羅丹明B溶液與混凝土的接觸面積，提供了更多的可吸附機會。隨著摻量的增加，每立方米透水混凝土所含吸附劑的含量越多，混凝土的凈水能力越強。綜合考慮，膨潤土的最優摻量為20%。

3 結論

從上述研究中可以看出膨潤土的改性溫度、摻量、粒徑、摻加方式對透水混凝土的孔隙率、透水系數、抗壓強度都有一定的影響：

（1）膨潤土的改性溫度對其親水性和吸附能力有一定影響，綜合考慮，500℃為最佳改性溫度。

（2）膨潤土的摻入粒徑對透水混凝土的孔隙率、強度、透水系數的影響較大，粒徑越小，強度越高。在保證透水能力達標的基礎上，2.36～4.75mm的摻入粒徑為最佳。

（3）外摻法明顯優于內摻法，內摻法會降低減小單方天然骨料的用量，透水混凝土的強度降低。外摻法配制的透水混凝土28d抗壓強度可達20.63MPa。

（4）膨潤土的摻量存在最優值，摻量為20%時，透水混凝土的透水能力為1.5mm/s。

（5）膨潤土的摻量明顯影響透水混凝土的吸附凈水能力，兩者呈正相關的關系。

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