凈水型生態透水混凝土的研制

姜建松，柴天紅，洪一粟，羅建成

江西省建筑材料工業科學研究設計院,江西 南昌 330001

0 引言

為緩解城鎮化發展帶來的城市內澇、熱島效應和雨水徑流污染等城市生態問題［1］，目前國內各大城市都在大力推行建設具備“滲、滯、蓄、凈”功能的“海綿城市”，而透水混凝土作為建設“海綿城市”的關鍵材料，近年來也逐漸成為學者們研究的熱點。

王慶利等［2］研究了不同砂率對再生透水混凝土性能的影響；唐海玥［3］等研究了不同骨料粒徑對透水混凝土性能影響；王錫峰［3］研究了不同成型方式對透水混凝土強度及透水性能的影響；Fawzy 等［5］的研究表明將聚丙烯纖維引入透水混凝土中可提高其抗拉強度。現有研究主要集中在透水混凝土的力學性能及透水性能上，而對透水混凝土的凈水效果研究較少，研究表明，雨水中含有一定量的污染性物質，這些污染物質隨著雨水透過透水路面結構直接滲入地下，勢必會污染地下水系，對生態環境造成難以逆轉的危害。

硅藻土等多孔材料具有大量微孔結構、巨大的比表面積和眾多的孔道，同時還含有大量的活性基團和負電荷，能夠很好地吸附水體中的污染物，并給微生物提供較好的生活環境使其能協助分解水中的污染物。本研究采用正交試驗的方法研究分析了膨潤土、硅藻土、沸石、陶粒對透水混凝土力學性能及水質凈化效果的影響規律，并確定各無機多孔材料的在透水混凝土中的最佳摻量。

1 原材料及試驗研究方案

1.1 原材料

（1）水泥

試驗釆用江西萬年青水泥公司生產的P·O42.5 型普通硅酸鹽水泥，其具體指標見下表1。

（2）粗集料

試驗采用的粗骨料4.75～9.5mm 的石灰石碎石為粗骨料，粗骨料的物理性能如表2 所示。

表1 水泥主要物理力學性能

表2 粗集料的物理性能

（3）膨潤土：選用信陽（中國）工業城同創膨潤土有限公司生產的鈉基膨潤土，其粒徑＜500μm。

（4）沸石：鄭州竹林活性炭開發有限公司生產的沸石（粒徑5～10mm，吸附率＞90%，密度2.16g/cm3）。

（5）硅藻土：項目選用的無機多孔材料有青島閣瑞特硅藻土有限公司生產的硅藻土（SiO2含量＞85%，400 目，密度2.2g/cm3）主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3。

（6）陶粒：試驗中用陶粒由到湖南衡陽市云喬建材有限公司生產，物理性能如表2 所示。

（7）拌合用水：試驗中用到的拌合水為南昌市普通自來水，滿足混凝土拌合用水標準的要求。

（8）增強劑：研究所用增強劑為自制的膠結料。自制膠結料的摻量為膠凝材料的2.0%～2.5%。

1.2 研究方案及試驗方法

1.2.1 試驗方案

根據本研究的特點，本研究以膨潤土用量、沸石用量、硅藻土用量、陶粒用量為四大因素，設計四因素三水平的正交實驗。結合前期研究成果先確定一組配合比后，分別將膨潤土、硅藻土和水泥進行等質量取代，沸石、陶粒和骨料進行等質量替換。根據試驗結果分析其對材料 7d、28d 抗壓強度和水質凈化效果的影響規律，并確定材料的最優配合比。正交試驗設計表及單位體積材料配合比分別見表3、4。

表3 正交試驗設計表 %

表4 材料配合比 kg/m3

1.2.2 透水混凝土成型

按表4 配合比先將水泥、膨潤土、硅藻土和水攪拌形成漿體，后加入骨料、陶粒、沸石與之拌和均勻，使用模具在成型壓力為15MPa時成型，飽壓時間5s，試塊尺寸為100 mm×100 mm×100mm，脫模后標準條件下養護至28d。

1.2.4 性能測定

（1）抗壓強度

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）測定材料7d、28d抗壓強度，試塊尺寸100mm×100mm×100mm。

（2）水質凈化效果研究

參照《水與廢水監測分析方法》，分別用各組透水混凝土對待測水進行連續 6 次重復凈化，每次時間為 30min，隨后分別采用《重鉻酸鹽法》（GB 11914-89）、和《納氏試劑光度法》（GB 7479-87）測定凈化后水中化學需氧量（COD）和氨氮（(NH4+-N）的濃度變化情況，以此判定水質凈化效果。待測水中，化學需氧量233.7mg/L、氨氮濃度（(NH4+-N）15.6mg/L。

2 結果與討論

表5 試驗結果

2.1 力學性能分析

表6 抗壓強度的極差分析 MPa

根據上述結果，分析了各因素對透水混凝土 7d、28d 抗壓強度的影響規律。由表6 可知，硅藻土用量是決定材料7d、28d 抗壓強度的主要因素。7d 時將硅藻土用量從0.0%提高至2.0%和 4.0%，7d 抗壓強度降低8.8%和27.8%；膨潤土用量從0%提高至 3%和6%，強度降低8.4%和 13.3%；沸石用量從0%提高至5%和10%，抗壓強度降低了4.5%和12.7%，陶粒用量從0%提高至5%和10%，抗壓強度降低了8.1%和12.7%。分析四因素對 7d 抗壓強度的影響程度從大到小依次為硅藻土用量＞陶粒用量＞膨潤土用量＞沸石用量。

分析28d 抗壓強度可知，硅藻土用量從0.0%提高至2.0%和4.0%抗壓強度降低6.4%和15.9%；膨潤土用量從0%提高至3%和6%，抗壓強度降低8.2%和10.2%；沸石用量從0%提高至5%和10%，抗壓強度降低了5.5%和 8.9%，陶粒用量從0%提高至5%和10%，抗壓強度降低了3.5%和7.6%。分析各因素對 28d 抗壓強度的影響程度從大到小依次為硅藻土用量＞膨潤土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

2.2 水質凈化效果分析

表7 水質凈化效果分析

分析各因素與氨 氮（NH4+-N）濃度值，化學需氧量（COD）的關系，結果見表7。由表7 可知，硅藻土用量是決定水質凈化效果的主要因素。當硅藻土用量從0.0%提高至2.0%和4.0%，透水混凝土內氨 氮 （NH4+-N）濃度值分別降低了7.7%和21.6%；膨潤土用量從0%提高至 3%和6%，透水混凝土內氨 氮 （NH4+-N）濃度值分別降低了5.5%和9.1%；沸石用量從0%提高至 5%和10%，氨 氮 （NH4+-N）濃度值分別降低了6.3%和9.9%；陶粒用量從0%提高至5%和10%，氨 氮 （NH4+-N）濃度值分別降低了5.5%和9.1%。分析各因素對氨 氮 （NH4+-N）濃度值的影響程度從大到小依次為，硅藻土用量＞沸石用量＞膨潤土用量≥陶粒用量。

當硅藻土用量從0.0%提高至2.0%和4.0%，透水混凝土化學需氧量（COD）分別降低了9.8%和22.6%；膨潤土用量從0%提高至 3%和6%，透水混凝土化學需氧量（COD）分別降低了3.0%和5.9%；沸石用量從0%提高至 5%和10%，化學需氧量（COD）分別降低了2.7%和5.8%，陶粒用量從0%提高至5%和10%，化學需氧量（COD）降低了3.0%和 4.3%。分析四因素對化學需氧量（COD）影響程度從大到小依次為，硅藻土用量＞膨潤土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

結合各因素對透水混凝土力學性能及水質凈化效果的影響規律，本研究認為透水混凝土中各無機多孔材料的摻量為膨潤土用量3%、沸石用量5%、硅藻土用量2%、陶粒用量5%時最為適宜，此時透水混凝土7d 抗壓強度為23.6MPa，28d 抗壓強度為34.1MPa，待測水經6 次凈化后氨 氮 （NH4+-N）濃度值10.5mg/L，化學需氧量（COD）為158.3mg/L，較未凈化前分別降低了32.7%和47.3%。

3 結論

（1）各多孔填充材料的摻入都會顯著降低透水混凝土的力學性能，其中硅藻土是影響透水混凝土力學性能的主要因素，7d時各因素對透水混凝土抗壓強度的影響程度從大到小依次為硅藻土用量＞陶粒用量＞膨潤土用量＞沸石用量，28d 各因素對透水混凝土抗壓強度的影響程度從大到小依次為硅藻土用量＞膨潤土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

（2）多孔填充材料的摻入顯著地提高了透水混凝土對水質的凈化能力，其中硅藻土用量對水質凈化效果最好，是影響透水混凝土凈水效果的主要因素，各因素對氨 氮 （NH4+-N）濃度值，化學需氧量（COD）凈化效果的影響程度從大到小依次為硅藻土用量＞沸石用量＞膨潤土用量≥陶粒用量和硅藻土用量＞膨潤土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

（3）結合各因素對透水混凝土力學性能及水質凈化效果的影響規律，本研究認為透水混凝土中各無機多孔材料的摻量為膨潤土用量3%、沸石用量5%、硅藻土用量2%、陶粒用量5%時最為適宜，此時透水混凝土7d 抗壓強度為23.6MPa，28d 抗壓強度為34.1MPa，待測水經6 次凈化后 （NH4+-N）濃度值10.5mg/L，化學需氧量（COD）158.3mg/L，較未凈化前分別降低了32.7%和47.3%。