净水型透水混凝土的制备与性能研究

王春萱，张意，曾路，何牟，陆长海

（1重庆市建设岗位培训中心，重庆 400015；2重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015；3重庆大学 材料学院，重庆 400045）

伴随城市化建设的加快，硬质地面等不透水面积的大幅增加，严重影响了降雨、蒸发、雨水径流汇流过程，使得城镇内涝现象频发，城市热岛效应和雨水径流污染问题严重[1]。近年来，国内开始大力推进建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”，并推广和应用低影响雨水开发系统的建设模式。因此，透水混凝土的研究和运用日益广泛。

透水混凝土凭借自身大量的连通孔隙所带来的透水透气性，一方面，增加了人类发展与自然环境的协调性，减轻环境的负荷；另一方面，各种工业废水和生活污水在未经处理的情况下经透水路面直接渗入地下水，污染水质[2]。本文探讨了透水混凝土对有机污染物的吸附性能，将透水与净水相结合，缓解雨水径流对地下水质的直接污染。

1 实验

1.1 原材料

水泥：重庆富皇水泥有限公司，P·O42.5级水泥。性能测试如表1。

粗骨料：采用5～10mm单粒级石灰石碎石。性能测试如表2。

粉煤灰：由实验室提供，性能测试如表3。

减水剂：聚羧酸减水剂。生产商为山东滨州市诚力建材有限责任公司，其固含量为40%，减水率为28.5%。

膨润土。

水：自来水。

1.2 配合比设计

本文采用的透水混凝土配合比设计方法为体积法，其原理如下：粗骨料在紧密堆积的情况下，其空隙部分主要包括浆体和所需目标空隙两部分，是建立在粗骨料空隙率、目标孔隙率、水灰比三个参数之上的[3]。膨润土改性后等量代替骨料进行研究。详细配比见表4。

表1 水泥技术性能指标

表2 粗骨料技术性能指标（产地：重庆歌乐山）

表3 粉煤灰技术性能指标（产地：珞璜）

表4 透水混凝土各组成材料的用量

1.3 试验方法

1.3.1 试件成型及养护搅拌方法为水泥裹石法，具体步骤如下：

图1 透水混凝土透水系数测试

所有试件均采用强制式搅拌机搅拌而成，100mm×100mm×100mm钢模成型。拌合物分三次装模，每次装模后用直径为25mm的钢筋进行插捣。然后采用平板振动器均匀振动，抹刀抹平，覆膜放置24h后拆模，成型之后放入标准养护室养护[4-5]。

1.3.2 膨润土改性试验

将膨润土分别采用300℃、400℃、500℃、600℃恒温焙烧两小时。焙烧改性后的膨润土通过亲水性和净水能力检测，确定最佳改性条件。

1.3.3 抗压强度的测定

透水混凝土的抗压强度测试按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

1.3.4 孔隙率的测定

P为试件透水系数（0.1mm/s）；

V1为第一次读数时的水量（mL）；

V2为第二次读数时的水量（mL）；

A为透水面积（mm2）；

t为水面从到所需的时间间隔（s）。

1.3.6 吸附试验

采用TU-1901双光束紫外可见分光光度计测试试块对于罗丹明B的吸光度，分析试块对染料的吸附能力，测试波长为554.00nm。，其中，P为有效孔隙率 （%）；m1为试件浸水饱和状态下在水中的重量 （kg）；m2为试件从水中取出后，擦干表面水烘干至恒重，试件在空气中的质量 （kg）；V0为试件的外观体积（cm3）。

1.3.5 透水系数的测定（图1）

实验通过模拟路面透水仪测定透水系数，测试前任意选取试件的两面，作为透水的顶面和底面，其余四面均需蜡封，然后需橡皮泥再次密封加固。有机玻璃与试件间进行多次密封实验检测之后方可进行试验。

2 结果与讨论

2.1 膨润土的改性实验

如图1所示，300℃、400℃、500℃、600℃分别对应A、B、C、D。膨润土经过高温改性后，破碎成5～10mm粒径大小，取一定量放入量筒内浸泡24h。摇匀后结果明显（图2）。

图2 改性膨润土亲水实验

结果表明，A组溃散严重，B组适量溃散，C组轻微溃散，D组无溃散。膨润土自身亲水性较强，无法直接代替粗骨料。高温改性后，亲水能力大量降低。

将A、B、C、D四组膨润土研磨，过200目筛。 取样品各5g，分别加入四组浓度为5mg/L的罗丹明B溶液中。取样2min、5min、10min、20min、30min、60min时的溶液离心，将上清液进行吸光度测试（图3）。

图3 改性膨润土吸附试验

A、B、C三组对罗丹明B的去除效果显著，60min后溶液归于无色。D组去除效果较弱。因此，300℃和400℃改性后的膨润土亲水性太强，600℃改性后吸附能力较弱，这三种温度对于膨润土的改性皆不予采纳。此后的实验均为500℃。

2.2 膨润土对透水混凝土性能的影响

2.2.1 膨润土粒径对透水混凝土性能的影响

根据表4中，组1和组2试验结果如图4所示，随着膨润土粒径的增加，透水混凝土的抗压强度呈下降趋势，孔隙率和透水系数逐渐增加。改性膨润土代替骨料掺入透水混凝土，粒径越小，堆积密度越大，骨料之间相互填充，接触点增加，透水混凝土的强度就越高，但其阻断了部分混凝土内部封闭孔隙或连通孔隙，造成孔隙率和透水系数的下降。相同条件下，骨料粒径越大，比表面积越小，骨料之间的接触点减少，胶结面积越小，透水混凝土的强度降低，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，膨润土的最优掺入粒径为2.36～4.74mm。

图4 改性膨润土粒径对透水混凝土性能的影响

2.2.2 膨润土掺加方式对透水混凝土性能的影响

图5 改性膨润土的掺加方式对透水混凝土的性能影响

对比组2和组3的试验结果（图5），外掺法较于内掺法，透水混凝土的抗压强度有所增长，其中28d强度增加了40%。但外掺时孔隙率和透水系数明显下降。采用内掺法取代骨料时，保证单方骨料用量不变的情况下，减少了天然碎石的用量，混凝土的孔隙率增加且改性膨润土的自身承压能力较天然碎石弱，因此，强度有所下降；采用外掺时，每方透水混凝土的骨料用料增加，膨润土填充于碎石空隙中，骨料之间的接触点增加，因此，透水混凝土的强度增加，孔隙率和透水能力下降。

2.2.3 膨润土掺量对透水混凝土性能的影响

图6 膨润土掺量对透水混凝土抗压强度、孔隙率、透水系数的影响

如图6所示，随着膨润土掺量的增加，透水混凝土的强度先增加后减小，其中掺量为20%时，7d强度高达10.13MPa，28d强度最高可达17MPa。孔隙率和透水系数随着掺量的增加呈下降趋势。根据颗粒堆积理论[8]，小粒径颗粒不断填充在大粒径颗粒的空隙中，增加骨架的密实程度，因此透水混凝土的强度提高，透水能力下降。但其密实程度与骨料的填充方式和填充比例有关，存在最佳掺量，在目前所得试验中最佳掺量为20%。当小粒径颗粒掺量过多，在骨架体系中造成局部堆积，混凝土受力不均造成破坏。

2.1.2 膨润土掺量对透水混凝土吸附性能的影响

如图7所示，随着膨润土掺量的增加，透水混凝土的净水能力逐渐增加。在早期的100min内，混凝土对罗丹明B的去除能力快速增加，最高可达65%。主要是由于此时罗丹明B溶液的浓

图7 膨润土掺量对透水混凝土吸附性能的影响

度最高，可吸附的物质最多。在此之后，净水能力增加的速度减慢，直至达到平衡。最高的净水能力达到80%[9-10]。透水混凝土的孔隙结构增加了罗丹明B溶液与混凝土的接触面积，提供了更多的可吸附机会。随着掺量的增加，每立方米透水混凝土所含吸附剂的含量越多，混凝土的净水能力越强。综合考虑，膨润土的最优掺量为20%。

3 结论

从上述研究中可以看出膨润土的改性温度、掺量、粒径、掺加方式对透水混凝土的孔隙率、透水系数、抗压强度都有一定的影响：

（1）膨润土的改性温度对其亲水性和吸附能力有一定影响，综合考虑，500℃为最佳改性温度。

（2）膨润土的掺入粒径对透水混凝土的孔隙率、强度、透水系数的影响较大，粒径越小，强度越高。在保证透水能力达标的基础上，2.36～4.75mm的掺入粒径为最佳。

（3）外掺法明显优于内掺法，内掺法会降低减小单方天然骨料的用量，透水混凝土的强度降低。外掺法配制的透水混凝土28d抗压强度可达20.63MPa。

（4）膨润土的掺量存在最优值，掺量为20%时，透水混凝土的透水能力为1.5mm/s。

（5）膨润土的掺量明显影响透水混凝土的吸附净水能力，两者呈正相关的关系。

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