生物净水型透水混凝土的降碱调控研究

2020-12-03姜建松刘桂平陈光林罗建成

江西建材 2020年11期

姜建松，刘桂平，陈光林，罗建成

1.江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西南昌 330001；2.江西博泓新材料科技有限公司，江西萍乡 337000

0 引言

随着城镇化加快，不透水地面的大幅增加，使得城镇内涝，城市热岛效应和雨水径流污染问题严重［1］。“海绵城市”对缓解城市内涝、改善城市热岛效应、净化地下水资源等具有重要作用［2］。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，逐渐成为海绵城市建设主流的透水铺装材料。透水混凝土因存在内部孔隙对水中的污染物质具有一定的净化效果，是一种优良的雨水净化载体［3-4］。目前普通透水混凝土，其水体净化效果较差。因此，对透水混凝土进行改性处理，如引入具有生物净水能力的微生物菌种，提升透水混凝土的水体净化能力，具有重要的现实意义。然而微生物菌种的生长繁殖环境有着严格的条件要求，生长环境的pH 值约在7.5-8.5 范围内，不适宜的pH 值影响微生物菌种的增殖和酶的活性，使净化速率将大为降低。本文通过采用调整透水混凝土配合比及降碱材料，以降低透水混凝土的孔隙pH 值，为微生物净化菌种提供合适的生长环境。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：采用江西省万年青公司生产的P·O42.5 普通硅酸盐水泥和唐山北极熊特种水泥有限责任公司的42.5 硫铝酸盐水泥，两种水泥的物理性能分别如表1 和表2 所示。

表1 水泥的物理力学性能

（2）掺合料：所用粉煤灰，二级粉煤灰，45μm 筛余18.6%，需水量比为98%；矿渣粉比表面积为430m2/kg，28d 活性指数为97%，流动度比为102%。硅灰为四川某厂的半加密硅灰，28d 活性指数为108%。

表2 硫铝酸盐水泥的物理力学性能

（3）粗骨料：所用粗骨料为石灰岩碎石。粒径5～10mm，表观密度2610 kg/m3，堆积密度1570 kg/m3。

（4）复合降碱材料：草酸、磷酸二氢钾和硫酸亚铁三种改性材料及W型永凝液水性表面喷涂材料。改性材料：改性材料性能参数见表3。

表3 改性材料性能指标

永凝液：永凝液为上海某公司生产，为W型DPS。

（5）其他材料：透水混凝土用增强剂为实验室自制，掺量为2-4%；透水混凝土拌和用水为饮用自来水。

1.2 试验方法

（1）透水混凝土的成型

本文中透水混凝土的试块成型尺寸为150mm×150mm×150mm 立方体，利用荷载对相应的透水混凝土施加压应力，使拌合物发生塑性变形，强迫材料间相互贴近，运动到更为稳定的位置，每组成型3 个试块。

（2）抗压强度试验

试件经过28d 的养护后，对其进行抗压强度试验。具体试验方法参照GB/T50081-2019 《混凝土物理力学性能试验方法》。

（3）pH 值测定试验

pH 值测定：将达到养护龄期的透水混凝土试块放在边长为20cm 的塑料桶中加入水，使水没过透水混凝土试块表面，浸泡24h后，采用精密pH计测定透水混凝土孔隙浸出液的pH值。

3 试验结果与分析

3.1 配合比优化对透水混凝土碱度及强度的影响

本文采用的基准透水混凝土单方配合比如下：胶凝材料358.15kg，石灰石碎石1491.5kg，硅藻土18.85kg，沸石78.5kg，水124kg，增强剂7.54kg。由于普通硅酸盐水泥水化会生成大量的碱性物质（Ca（OH）2），大量碱性物质的溶出会造成透水混凝土孔隙pH 值升高，使得pH 值可达12.0 以上。本文采用硫铝酸盐水泥和硅灰替代部分普通硅酸盐水泥，调整用水量保持透水混凝土的工作性能一致，制备透水混凝土。通过测定28d龄期的透水混凝土孔隙浸出液pH 值和28d 抗压强度，以优选出合适的配合比。具体试验配合比设计参数及试验结果见表4。

从表4 可知，单掺硫铝酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥均能降低透水混凝土孔隙溶出液的pH 值，pH 值最大可降低1.8。单掺10%和20%硫铝酸盐替代普通硅酸盐水泥时，透水混凝土28d 抗压强度分别提高4.8 MPa 和降低3.4MPa。此外，在掺硫铝酸盐水泥替代普通硅酸盐的基础之上，再掺6%的硅灰替代普通硅酸盐水泥，当掺10%的硫铝酸盐水泥时，强度较基准提高了1.4MPa，而掺20%硫铝酸盐水泥时，强度较基准有大幅的下降。基于透水混凝土碱度的控制，本文优选TS3 作为透水混凝土的配比。

表4 优化配合比试验参数 kg/m3

3.2 复合降碱材料对透水混凝土的碱度和强度的影响

本文在TS3 透水混凝土配比的基础上，通过使用复合降碱材料对透水混凝土的碱度作进一步的调控，试验通过在透水混凝土拌制过程中掺入一定浓度的硫酸亚铁，使用草酸、磷酸二氢钾溶液浸泡28d 透水透水混凝土及在透水混凝土表面喷涂W型永凝液的方式降低其碱度。具体操作为：将硫酸铁溶液掺入水中，拌制透水混凝土，成型后取到28d 龄期的透水混凝土，并将其放置在相应浓度的溶液中浸泡24h，然后取出晾干（表面喷涂永凝液），试块放在边长20cm 模具的中加入水，使水没过试件表面，浸泡 24h 后，测定孔隙浸出液pH 值。通过对上述降碱材料的组合使用，以降低透水基层材料的碱度。使期满足微生物菌种的生长繁殖条件。降碱材料的组合使用试验方案如表5 所示。试验结果见表6。

表5 复合降碱材料组合设计方案

表6 复合降碱措施对透水基层材料强度及碱度的影响

从表6 可知，组合TS-1 处理后对透水混凝土强度及pH 值均有一定的降低，TS-2 处理后的强度较TS-1 略有上升，pH值持续的降低，TS-3 处理后的透水混凝土的强度几乎没有变化，但是pH 值持续的降低到9 以下，磷酸二氢钾对强度没有影响，TS-4 处理后的透水混凝土较基准来说，强度有一定的下降，同时pH 值为四种降碱组合措施里最低，且低于8.5，满足微生物菌种的生长繁殖环境。本文复合降碱措施优选TS-4 组合方式。由于普通硅酸盐水泥水化产生的氢氧化钙含量很大，需要大量的酸性物质才能将其中和，酸性物质越多，对混凝土的碱度降低越快，但是酸性溶液浸泡，也会一定程度影响透水混凝土的强度。