王春萱，張意，曾路，何牟，陸長(zhǎng)海

（1重慶市建設(shè)崗位培訓(xùn)中心，重慶 400015；2重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015；3重慶大學(xué) 材料學(xué)院，重慶 400045）

伴隨城市化建設(shè)的加快，硬質(zhì)地面等不透水面積的大幅增加，嚴(yán)重影響了降雨、蒸發(fā)、雨水徑流匯流過程，使得城鎮(zhèn)內(nèi)澇現(xiàn)象頻發(fā)，城市熱島效應(yīng)和雨水徑流污染問題嚴(yán)重[1]。近年來，國內(nèi)開始大力推進(jìn)建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，并推廣和應(yīng)用低影響雨水開發(fā)系統(tǒng)的建設(shè)模式。因此，透水混凝土的研究和運(yùn)用日益廣泛。

透水混凝土憑借自身大量的連通孔隙所帶來的透水透氣性，一方面，增加了人類發(fā)展與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)性，減輕環(huán)境的負(fù)荷；另一方面，各種工業(yè)廢水和生活污水在未經(jīng)處理的情況下經(jīng)透水路面直接滲入地下水，污染水質(zhì)[2]。本文探討了透水混凝土對(duì)有機(jī)污染物的吸附性能，將透水與凈水相結(jié)合，緩解雨水徑流對(duì)地下水質(zhì)的直接污染。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：重慶富皇水泥有限公司，P·O42.5級(jí)水泥。性能測(cè)試如表1。

粗骨料：采用5～10mm單粒級(jí)石灰石碎石。性能測(cè)試如表2。

粉煤灰：由實(shí)驗(yàn)室提供，性能測(cè)試如表3。

減水劑：聚羧酸減水劑。生產(chǎn)商為山東濱州市誠力建材有限責(zé)任公司，其固含量為40%，減水率為28.5%。

膨潤(rùn)土。

水：自來水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本文采用的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法為體積法，其原理如下：粗骨料在緊密堆積的情況下，其空隙部分主要包括漿體和所需目標(biāo)空隙兩部分，是建立在粗骨料空隙率、目標(biāo)孔隙率、水灰比三個(gè)參數(shù)之上的[3]。膨潤(rùn)土改性后等量代替骨料進(jìn)行研究。詳細(xì)配比見表4。

表1 水泥技術(shù)性能指標(biāo)

表2 粗骨料技術(shù)性能指標(biāo)（產(chǎn)地：重慶歌樂山）

表3 粉煤灰技術(shù)性能指標(biāo)（產(chǎn)地：珞璜）

表4 透水混凝土各組成材料的用量

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試件成型及養(yǎng)護(hù)攪拌方法為水泥裹石法，具體步驟如下：

圖1 透水混凝土透水系數(shù)測(cè)試

所有試件均采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌而成，100mm×100mm×100mm鋼模成型。拌合物分三次裝模，每次裝模后用直徑為25mm的鋼筋進(jìn)行插搗。然后采用平板振動(dòng)器均勻振動(dòng)，抹刀抹平，覆膜放置24h后拆模，成型之后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)[4-5]。

1.3.2 膨潤(rùn)土改性試驗(yàn)

將膨潤(rùn)土分別采用300℃、400℃、500℃、600℃恒溫焙燒兩小時(shí)。焙燒改性后的膨潤(rùn)土通過親水性和凈水能力檢測(cè)，確定最佳改性條件。

1.3.3 抗壓強(qiáng)度的測(cè)定

透水混凝土的抗壓強(qiáng)度測(cè)試按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

1.3.4 孔隙率的測(cè)定

P為試件透水系數(shù)（0.1mm/s）；

V1為第一次讀數(shù)時(shí)的水量（mL）；

V2為第二次讀數(shù)時(shí)的水量（mL）；

A為透水面積（mm2）；

t為水面從到所需的時(shí)間間隔（s）。

1.3.6 吸附試驗(yàn)

采用TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)測(cè)試試塊對(duì)于羅丹明B的吸光度，分析試塊對(duì)染料的吸附能力，測(cè)試波長(zhǎng)為554.00nm。，其中，P為有效孔隙率 （%）；m1為試件浸水飽和狀態(tài)下在水中的重量 （kg）；m2為試件從水中取出后，擦干表面水烘干至恒重，試件在空氣中的質(zhì)量 （kg）；V0為試件的外觀體積（cm3）。

1.3.5 透水系數(shù)的測(cè)定（圖1）

實(shí)驗(yàn)通過模擬路面透水儀測(cè)定透水系數(shù)，測(cè)試前任意選取試件的兩面，作為透水的頂面和底面，其余四面均需蠟封，然后需橡皮泥再次密封加固。有機(jī)玻璃與試件間進(jìn)行多次密封實(shí)驗(yàn)檢測(cè)之后方可進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨潤(rùn)土的改性實(shí)驗(yàn)

如圖1所示，300℃、400℃、500℃、600℃分別對(duì)應(yīng)A、B、C、D。膨潤(rùn)土經(jīng)過高溫改性后，破碎成5～10mm粒徑大小，取一定量放入量筒內(nèi)浸泡24h。搖勻后結(jié)果明顯（圖2）。

圖2 改性膨潤(rùn)土親水實(shí)驗(yàn)

結(jié)果表明，A組潰散嚴(yán)重，B組適量潰散，C組輕微潰散，D組無潰散。膨潤(rùn)土自身親水性較強(qiáng)，無法直接代替粗骨料。高溫改性后，親水能力大量降低。

將A、B、C、D四組膨潤(rùn)土研磨，過200目篩。 取樣品各5g，分別加入四組濃度為5mg/L的羅丹明B溶液中。取樣2min、5min、10min、20min、30min、60min時(shí)的溶液離心，將上清液進(jìn)行吸光度測(cè)試（圖3）。

圖3 改性膨潤(rùn)土吸附試驗(yàn)

A、B、C三組對(duì)羅丹明B的去除效果顯著，60min后溶液歸于無色。D組去除效果較弱。因此，300℃和400℃改性后的膨潤(rùn)土親水性太強(qiáng)，600℃改性后吸附能力較弱，這三種溫度對(duì)于膨潤(rùn)土的改性皆不予采納。此后的實(shí)驗(yàn)均為500℃。

2.2 膨潤(rùn)土對(duì)透水混凝土性能的影響

2.2.1 膨潤(rùn)土粒徑對(duì)透水混凝土性能的影響

根據(jù)表4中，組1和組2試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，隨著膨潤(rùn)土粒徑的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，孔隙率和透水系數(shù)逐漸增加。改性膨潤(rùn)土代替骨料摻入透水混凝土，粒徑越小，堆積密度越大，骨料之間相互填充，接觸點(diǎn)增加，透水混凝土的強(qiáng)度就越高，但其阻斷了部分混凝土內(nèi)部封閉孔隙或連通孔隙，造成孔隙率和透水系數(shù)的下降。相同條件下，骨料粒徑越大，比表面積越小，骨料之間的接觸點(diǎn)減少，膠結(jié)面積越小，透水混凝土的強(qiáng)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，膨潤(rùn)土的最優(yōu)摻入粒徑為2.36～4.74mm。

圖4 改性膨潤(rùn)土粒徑對(duì)透水混凝土性能的影響

2.2.2 膨潤(rùn)土摻加方式對(duì)透水混凝土性能的影響

圖5 改性膨潤(rùn)土的摻加方式對(duì)透水混凝土的性能影響

對(duì)比組2和組3的試驗(yàn)結(jié)果（圖5），外摻法較于內(nèi)摻法，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度有所增長(zhǎng)，其中28d強(qiáng)度增加了40%。但外摻時(shí)孔隙率和透水系數(shù)明顯下降。采用內(nèi)摻法取代骨料時(shí)，保證單方骨料用量不變的情況下，減少了天然碎石的用量，混凝土的孔隙率增加且改性膨潤(rùn)土的自身承壓能力較天然碎石弱，因此，強(qiáng)度有所下降；采用外摻時(shí)，每方透水混凝土的骨料用料增加，膨潤(rùn)土填充于碎石空隙中，骨料之間的接觸點(diǎn)增加，因此，透水混凝土的強(qiáng)度增加，孔隙率和透水能力下降。

2.2.3 膨潤(rùn)土摻量對(duì)透水混凝土性能的影響

圖6 膨潤(rùn)土摻量對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度、孔隙率、透水系數(shù)的影響

如圖6所示，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，透水混凝土的強(qiáng)度先增加后減小，其中摻量為20%時(shí)，7d強(qiáng)度高達(dá)10.13MPa，28d強(qiáng)度最高可達(dá)17MPa?？紫堵屎屯杆禂?shù)隨著摻量的增加呈下降趨勢(shì)。根據(jù)顆粒堆積理論[8]，小粒徑顆粒不斷填充在大粒徑顆粒的空隙中，增加骨架的密實(shí)程度，因此透水混凝土的強(qiáng)度提高，透水能力下降。但其密實(shí)程度與骨料的填充方式和填充比例有關(guān)，存在最佳摻量，在目前所得試驗(yàn)中最佳摻量為20%。當(dāng)小粒徑顆粒摻量過多，在骨架體系中造成局部堆積，混凝土受力不均造成破壞。

2.1.2 膨潤(rùn)土摻量對(duì)透水混凝土吸附性能的影響

如圖7所示，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，透水混凝土的凈水能力逐漸增加。在早期的100min內(nèi)，混凝土對(duì)羅丹明B的去除能力快速增加，最高可達(dá)65%。主要是由于此時(shí)羅丹明B溶液的濃

圖7 膨潤(rùn)土摻量對(duì)透水混凝土吸附性能的影響

度最高，可吸附的物質(zhì)最多。在此之后，凈水能力增加的速度減慢，直至達(dá)到平衡。最高的凈水能力達(dá)到80%[9-10]。透水混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)增加了羅丹明B溶液與混凝土的接觸面積，提供了更多的可吸附機(jī)會(huì)。隨著摻量的增加，每立方米透水混凝土所含吸附劑的含量越多，混凝土的凈水能力越強(qiáng)。綜合考慮，膨潤(rùn)土的最優(yōu)摻量為20%。

3 結(jié)論

從上述研究中可以看出膨潤(rùn)土的改性溫度、摻量、粒徑、摻加方式對(duì)透水混凝土的孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度都有一定的影響：

（1）膨潤(rùn)土的改性溫度對(duì)其親水性和吸附能力有一定影響，綜合考慮，500℃為最佳改性溫度。

（2）膨潤(rùn)土的摻入粒徑對(duì)透水混凝土的孔隙率、強(qiáng)度、透水系數(shù)的影響較大，粒徑越小，強(qiáng)度越高。在保證透水能力達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，2.36～4.75mm的摻入粒徑為最佳。

（3）外摻法明顯優(yōu)于內(nèi)摻法，內(nèi)摻法會(huì)降低減小單方天然骨料的用量，透水混凝土的強(qiáng)度降低。外摻法配制的透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)20.63MPa。

（4）膨潤(rùn)土的摻量存在最優(yōu)值，摻量為20%時(shí)，透水混凝土的透水能力為1.5mm/s。

（5）膨潤(rùn)土的摻量明顯影響透水混凝土的吸附凈水能力，兩者呈正相關(guān)的關(guān)系。

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