净水型生态透水混凝土的研制

姜建松，柴天红，洪一粟，罗建成

江西省建筑材料工业科学研究设计院,江西 南昌 330001

0 引言

为缓解城镇化发展带来的城市内涝、热岛效应和雨水径流污染等城市生态问题［1］，目前国内各大城市都在大力推行建设具备“渗、滞、蓄、净”功能的“海绵城市”，而透水混凝土作为建设“海绵城市”的关键材料，近年来也逐渐成为学者们研究的热点。

王庆利等［2］研究了不同砂率对再生透水混凝土性能的影响；唐海玥［3］等研究了不同骨料粒径对透水混凝土性能影响；王锡峰［3］研究了不同成型方式对透水混凝土强度及透水性能的影响；Fawzy 等［5］的研究表明将聚丙烯纤维引入透水混凝土中可提高其抗拉强度。现有研究主要集中在透水混凝土的力学性能及透水性能上，而对透水混凝土的净水效果研究较少，研究表明，雨水中含有一定量的污染性物质，这些污染物质随着雨水透过透水路面结构直接渗入地下，势必会污染地下水系，对生态环境造成难以逆转的危害。

硅藻土等多孔材料具有大量微孔结构、巨大的比表面积和众多的孔道，同时还含有大量的活性基团和负电荷，能够很好地吸附水体中的污染物，并给微生物提供较好的生活环境使其能协助分解水中的污染物。本研究采用正交试验的方法研究分析了膨润土、硅藻土、沸石、陶粒对透水混凝土力学性能及水质净化效果的影响规律，并确定各无机多孔材料的在透水混凝土中的最佳掺量。

1 原材料及试验研究方案

1.1 原材料

（1）水泥

试验釆用江西万年青水泥公司生产的P·O42.5 型普通硅酸盐水泥，其具体指标见下表1。

（2）粗集料

试验采用的粗骨料4.75～9.5mm 的石灰石碎石为粗骨料，粗骨料的物理性能如表2 所示。

表1 水泥主要物理力学性能

表2 粗集料的物理性能

（3）膨润土：选用信阳（中国）工业城同创膨润土有限公司生产的钠基膨润土，其粒径＜500μm。

（4）沸石：郑州竹林活性炭开发有限公司生产的沸石（粒径5～10mm，吸附率＞90%，密度2.16g/cm3）。

（5）硅藻土：项目选用的无机多孔材料有青岛阁瑞特硅藻土有限公司生产的硅藻土（SiO2含量＞85%，400 目，密度2.2g/cm3）主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3。

（6）陶粒：试验中用陶粒由到湖南衡阳市云乔建材有限公司生产，物理性能如表2 所示。

（7）拌合用水：试验中用到的拌合水为南昌市普通自来水，满足混凝土拌合用水标准的要求。

（8）增强剂：研究所用增强剂为自制的胶结料。自制胶结料的掺量为胶凝材料的2.0%～2.5%。

1.2 研究方案及试验方法

1.2.1 试验方案

根据本研究的特点，本研究以膨润土用量、沸石用量、硅藻土用量、陶粒用量为四大因素，设计四因素三水平的正交实验。结合前期研究成果先确定一组配合比后，分别将膨润土、硅藻土和水泥进行等质量取代，沸石、陶粒和骨料进行等质量替换。根据试验结果分析其对材料 7d、28d 抗压强度和水质净化效果的影响规律，并确定材料的最优配合比。正交试验设计表及单位体积材料配合比分别见表3、4。

表3 正交试验设计表 %

表4 材料配合比 kg/m3

1.2.2 透水混凝土成型

按表4 配合比先将水泥、膨润土、硅藻土和水搅拌形成浆体，后加入骨料、陶粒、沸石与之拌和均匀，使用模具在成型压力为15MPa时成型，饱压时间5s，试块尺寸为100 mm×100 mm×100mm，脱模后标准条件下养护至28d。

1.2.4 性能测定

（1）抗压强度

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）测定材料7d、28d抗压强度，试块尺寸100mm×100mm×100mm。

（2）水质净化效果研究

参照《水与废水监测分析方法》，分别用各组透水混凝土对待测水进行连续 6 次重复净化，每次时间为 30min，随后分别采用《重铬酸盐法》（GB 11914-89）、和《纳氏试剂光度法》（GB 7479-87）测定净化后水中化学需氧量（COD）和氨氮（(NH4+-N）的浓度变化情况，以此判定水质净化效果。待测水中，化学需氧量233.7mg/L、氨氮浓度（(NH4+-N）15.6mg/L。

2 结果与讨论

表5 试验结果

2.1 力学性能分析

表6 抗压强度的极差分析 MPa

根据上述结果，分析了各因素对透水混凝土 7d、28d 抗压强度的影响规律。由表6 可知，硅藻土用量是决定材料7d、28d 抗压强度的主要因素。7d 时将硅藻土用量从0.0%提高至2.0%和 4.0%，7d 抗压强度降低8.8%和27.8%；膨润土用量从0%提高至 3%和6%，强度降低8.4%和 13.3%；沸石用量从0%提高至5%和10%，抗压强度降低了4.5%和12.7%，陶粒用量从0%提高至5%和10%，抗压强度降低了8.1%和12.7%。分析四因素对 7d 抗压强度的影响程度从大到小依次为硅藻土用量＞陶粒用量＞膨润土用量＞沸石用量。

分析28d 抗压强度可知，硅藻土用量从0.0%提高至2.0%和4.0%抗压强度降低6.4%和15.9%；膨润土用量从0%提高至3%和6%，抗压强度降低8.2%和10.2%；沸石用量从0%提高至5%和10%，抗压强度降低了5.5%和 8.9%，陶粒用量从0%提高至5%和10%，抗压强度降低了3.5%和7.6%。分析各因素对 28d 抗压强度的影响程度从大到小依次为硅藻土用量＞膨润土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

2.2 水质净化效果分析

表7 水质净化效果分析

分析各因素与氨 氮（NH4+-N）浓度值，化学需氧量（COD）的关系，结果见表7。由表7 可知，硅藻土用量是决定水质净化效果的主要因素。当硅藻土用量从0.0%提高至2.0%和4.0%，透水混凝土内氨 氮 （NH4+-N）浓度值分别降低了7.7%和21.6%；膨润土用量从0%提高至 3%和6%，透水混凝土内氨 氮 （NH4+-N）浓度值分别降低了5.5%和9.1%；沸石用量从0%提高至 5%和10%，氨 氮 （NH4+-N）浓度值分别降低了6.3%和9.9%；陶粒用量从0%提高至5%和10%，氨 氮 （NH4+-N）浓度值分别降低了5.5%和9.1%。分析各因素对氨 氮 （NH4+-N）浓度值的影响程度从大到小依次为，硅藻土用量＞沸石用量＞膨润土用量≥陶粒用量。

当硅藻土用量从0.0%提高至2.0%和4.0%，透水混凝土化学需氧量（COD）分别降低了9.8%和22.6%；膨润土用量从0%提高至 3%和6%，透水混凝土化学需氧量（COD）分别降低了3.0%和5.9%；沸石用量从0%提高至 5%和10%，化学需氧量（COD）分别降低了2.7%和5.8%，陶粒用量从0%提高至5%和10%，化学需氧量（COD）降低了3.0%和 4.3%。分析四因素对化学需氧量（COD）影响程度从大到小依次为，硅藻土用量＞膨润土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

结合各因素对透水混凝土力学性能及水质净化效果的影响规律，本研究认为透水混凝土中各无机多孔材料的掺量为膨润土用量3%、沸石用量5%、硅藻土用量2%、陶粒用量5%时最为适宜，此时透水混凝土7d 抗压强度为23.6MPa，28d 抗压强度为34.1MPa，待测水经6 次净化后氨 氮 （NH4+-N）浓度值10.5mg/L，化学需氧量（COD）为158.3mg/L，较未净化前分别降低了32.7%和47.3%。

3 结论

（1）各多孔填充材料的掺入都会显著降低透水混凝土的力学性能，其中硅藻土是影响透水混凝土力学性能的主要因素，7d时各因素对透水混凝土抗压强度的影响程度从大到小依次为硅藻土用量＞陶粒用量＞膨润土用量＞沸石用量，28d 各因素对透水混凝土抗压强度的影响程度从大到小依次为硅藻土用量＞膨润土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

（2）多孔填充材料的掺入显著地提高了透水混凝土对水质的净化能力，其中硅藻土用量对水质净化效果最好，是影响透水混凝土净水效果的主要因素，各因素对氨 氮 （NH4+-N）浓度值，化学需氧量（COD）净化效果的影响程度从大到小依次为硅藻土用量＞沸石用量＞膨润土用量≥陶粒用量和硅藻土用量＞膨润土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

（3）结合各因素对透水混凝土力学性能及水质净化效果的影响规律，本研究认为透水混凝土中各无机多孔材料的掺量为膨润土用量3%、沸石用量5%、硅藻土用量2%、陶粒用量5%时最为适宜，此时透水混凝土7d 抗压强度为23.6MPa，28d 抗压强度为34.1MPa，待测水经6 次净化后 （NH4+-N）浓度值10.5mg/L，化学需氧量（COD）158.3mg/L，较未净化前分别降低了32.7%和47.3%。