多孔混凝土配合比与水质净化性能关系研究

(华北理工大学建筑工程学院 河北 唐山 063000)

一、引言

近年来我国工业化程度较高的城市中心区域，矿化物、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、铁、锰、硫酸盐和PH值等严重超标，此外，我国湖泊水库的氮、磷污染也日趋严重，主要表现在“富营养化”，严重影响了水体的功能以及危害水生生物，而且正在导致湖泊、水库本身的消亡。因此，与多外水平还存在差距。在多孔混凝土水质净化方面，同济大学教授陈志山利用了生态混凝土设置了一套装置为材料并研究其污水处理的效果。近年来东南大学的高建明教授在应用多孔混凝土进行江滨治理的研究中也取得了一定成果。本文从多孔混凝土的水质结构特点，提出多孔混凝土的配合比设计方法，总结了经验公式，并推荐出多孔混凝土配合比的合理范围。

二、多孔混凝土水质净化性能

多孔混凝土是生态混凝土的一种类型，也可以叫做无砂大孔混凝土、透水混凝土，它是由水、水泥、粗骨料、添加剂(矿渣、硅粉等)、减水剂等组成。多孔混凝土内部有着连通空隙，水与空气能够很容易通过连通空隙，因此具有良好的渗透性。

三、多孔混凝土水质净化机制

具体的多孔混凝土水质净化机理可分为物理作用、化学作用、生化作用。

(1)物理作用：多孔混凝土的孔径小，比表面积大，因此具有很好的过滤和吸附的功能，从而能达到净化水质的效果。在用生态混凝土处理生活污水的研究结果中表明，多孔混凝土水质净化效果主要与多孔混凝土的孔结构有关；

(2)生化作用：多孔混凝土内部连续孔隙为微生物和植物提供了合适的生存环境，大量好氧性和厌氧性细菌在多孔混凝土内外表面繁衍，使得多孔混凝土在与水体接触中能充分发挥生物膜作用，降解水中污染物质达到水质净化的效果。[1]

四、多孔混凝土配合比设计

(一)设计要求

多孔混凝土的结构特点是用胶结材料浆体包裹粗骨料，使粗骨料相互粘结成一个整体，粗骨料之间形成的孔隙使多孔混凝土具有渗透性，孔隙中为微生物提供了合适的生存环境，从而达到净化水质的效果。[2]

1.渗透系数

渗透系数作为多孔混凝土的排水性能参数是比较恰当的。有研究得出空隙率和渗透系数之间的关系式：

k=0.2η0-2.76(R2=0.86)

(1)

k=0.2ηe-0.73(R2=0.94)

(2)

η0——全空隙率;ηe——连通空隙率；k——渗透系数。

可以从式(1)、(2)中看出，渗透系数与空隙率成正比，而且连通空隙率(即有效孔隙率)与渗透系数的相关性要优于全空隙率与渗透系数的相关性，因为在排水过程中，只有连通空隙产生作用。因此在配合比设计过程中，应采用连通空隙作为目标设计参数。[3]

2.强度

为了优先保证多孔混凝土最主要的水质净化性能，在配合比设计过程中，应该首先要满足空隙率。在满足空隙率的前提下，再通过改变胶结材料的强度和骨料粒径来满足强度要求。[4]

(二)设计方法

1.确定粗骨料用量

确定单位体积多孔混凝土骨料的用量根据下式进行计算;

Mg=ρg·α

(3)

Mg——单位体积多孔混凝土粗骨料用量，();

ρg——粗骨料的紧密堆积密度，()；

α——折减系数，碎石取0.98。

2.确定胶结材料浆体用量

单位体积多孔混凝土是由胶结材料浆体体积、骨料体积、空隙体积三部分组成，确定胶结材料浆体体积根据下式计算：

Mj=(1-Mg·ρg-RVoid)ρj

(4)

Mj——单位体积多孔混凝土胶结材料浆体的用量,()；

RVoid——目标空隙率；

ρj——是胶结浆体密度。

多孔混凝土的空隙率并不是越高越好，空隙率过高会影响强度，有研究得出多孔混凝土目标空隙率合理范围是20%—30%。

3.确定水灰比

确定一个合理的水灰比在多孔混凝土制作过程中至关重要，水灰比影响胶结材料浆体的流动度在混凝土参考标准《水泥胶砂流动度测定方法》，在对胶结材料浆体的流动度进行测试中得出，多孔混凝土的合理水灰比范围是0.33—0.45.[5]

4.确定水泥和水的用量

确定单位体积多孔混凝土中水泥和水的用量根据下式计算：

(5)

Mω=Mj-Mc

(6)

Mc——单位体积多孔混凝土的水泥用量，();

Mω——是单位体积多孔混凝土的拌合水用量()；

五、结语

根据多孔混凝土水质净化性能和结构特点。

注意：

(1)多孔混凝土设计时不需考虑砂率问题，粗骨料用量基本只要考虑其的紧密堆积密度即可；

(2)在多孔混凝土配合比设计中，应首先满足空隙率，并且以连通空隙作为设计参数。[6]

(3)粉煤灰、矿渣、硅粉等掺和料可以提高胶结材料浆体流动度，提高多孔混凝土强度，并且可以在水中溶出,生成Ca(OH)2，有利于水质净化效果。