姜建松，柴天紅，洪一粟，羅建成

江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,江西 南昌 330001

0 引言

為緩解城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來(lái)的城市內(nèi)澇、熱島效應(yīng)和雨水徑流污染等城市生態(tài)問(wèn)題［1］，目前國(guó)內(nèi)各大城市都在大力推行建設(shè)具備“滲、滯、蓄、凈”功能的“海綿城市”，而透水混凝土作為建設(shè)“海綿城市”的關(guān)鍵材料，近年來(lái)也逐漸成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。

王慶利等［2］研究了不同砂率對(duì)再生透水混凝土性能的影響；唐海玥［3］等研究了不同骨料粒徑對(duì)透水混凝土性能影響；王錫峰［3］研究了不同成型方式對(duì)透水混凝土強(qiáng)度及透水性能的影響；Fawzy 等［5］的研究表明將聚丙烯纖維引入透水混凝土中可提高其抗拉強(qiáng)度?，F(xiàn)有研究主要集中在透水混凝土的力學(xué)性能及透水性能上，而對(duì)透水混凝土的凈水效果研究較少，研究表明，雨水中含有一定量的污染性物質(zhì)，這些污染物質(zhì)隨著雨水透過(guò)透水路面結(jié)構(gòu)直接滲入地下，勢(shì)必會(huì)污染地下水系，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成難以逆轉(zhuǎn)的危害。

硅藻土等多孔材料具有大量微孔結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和眾多的孔道，同時(shí)還含有大量的活性基團(tuán)和負(fù)電荷，能夠很好地吸附水體中的污染物，并給微生物提供較好的生活環(huán)境使其能協(xié)助分解水中的污染物。本研究采用正交試驗(yàn)的方法研究分析了膨潤(rùn)土、硅藻土、沸石、陶粒對(duì)透水混凝土力學(xué)性能及水質(zhì)凈化效果的影響規(guī)律，并確定各無(wú)機(jī)多孔材料的在透水混凝土中的最佳摻量。

1 原材料及試驗(yàn)研究方案

1.1 原材料

（1）水泥

試驗(yàn)釆用江西萬(wàn)年青水泥公司生產(chǎn)的P·O42.5 型普通硅酸鹽水泥，其具體指標(biāo)見(jiàn)下表1。

（2）粗集料

試驗(yàn)采用的粗骨料4.75～9.5mm 的石灰石碎石為粗骨料，粗骨料的物理性能如表2 所示。

表1 水泥主要物理力學(xué)性能

表2 粗集料的物理性能

（3）膨潤(rùn)土：選用信陽(yáng)（中國(guó)）工業(yè)城同創(chuàng)膨潤(rùn)土有限公司生產(chǎn)的鈉基膨潤(rùn)土，其粒徑＜500μm。

（4）沸石：鄭州竹林活性炭開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的沸石（粒徑5～10mm，吸附率＞90%，密度2.16g/cm3）。

（5）硅藻土：項(xiàng)目選用的無(wú)機(jī)多孔材料有青島閣瑞特硅藻土有限公司生產(chǎn)的硅藻土（SiO2含量＞85%，400 目，密度2.2g/cm3）主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3。

（6）陶粒：試驗(yàn)中用陶粒由到湖南衡陽(yáng)市云喬建材有限公司生產(chǎn)，物理性能如表2 所示。

（7）拌合用水：試驗(yàn)中用到的拌合水為南昌市普通自來(lái)水，滿足混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（8）增強(qiáng)劑：研究所用增強(qiáng)劑為自制的膠結(jié)料。自制膠結(jié)料的摻量為膠凝材料的2.0%～2.5%。

1.2 研究方案及試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)本研究的特點(diǎn)，本研究以膨潤(rùn)土用量、沸石用量、硅藻土用量、陶粒用量為四大因素，設(shè)計(jì)四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)。結(jié)合前期研究成果先確定一組配合比后，分別將膨潤(rùn)土、硅藻土和水泥進(jìn)行等質(zhì)量取代，沸石、陶粒和骨料進(jìn)行等質(zhì)量替換。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析其對(duì)材料 7d、28d 抗壓強(qiáng)度和水質(zhì)凈化效果的影響規(guī)律，并確定材料的最優(yōu)配合比。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及單位體積材料配合比分別見(jiàn)表3、4。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表 %

表4 材料配合比 kg/m3

1.2.2 透水混凝土成型

按表4 配合比先將水泥、膨潤(rùn)土、硅藻土和水?dāng)嚢栊纬蓾{體，后加入骨料、陶粒、沸石與之拌和均勻，使用模具在成型壓力為15MPa時(shí)成型，飽壓時(shí)間5s，試塊尺寸為100 mm×100 mm×100mm，脫模后標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28d。

1.2.4 性能測(cè)定

（1）抗壓強(qiáng)度

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）測(cè)定材料7d、28d抗壓強(qiáng)度，試塊尺寸100mm×100mm×100mm。

（2）水質(zhì)凈化效果研究

參照《水與廢水監(jiān)測(cè)分析方法》，分別用各組透水混凝土對(duì)待測(cè)水進(jìn)行連續(xù) 6 次重復(fù)凈化，每次時(shí)間為 30min，隨后分別采用《重鉻酸鹽法》（GB 11914-89）、和《納氏試劑光度法》（GB 7479-87）測(cè)定凈化后水中化學(xué)需氧量（COD）和氨氮（(NH4+-N）的濃度變化情況，以此判定水質(zhì)凈化效果。待測(cè)水中，化學(xué)需氧量233.7mg/L、氨氮濃度（(NH4+-N）15.6mg/L。

2 結(jié)果與討論

表5 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能分析

表6 抗壓強(qiáng)度的極差分析 MPa

根據(jù)上述結(jié)果，分析了各因素對(duì)透水混凝土 7d、28d 抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。由表6 可知，硅藻土用量是決定材料7d、28d 抗壓強(qiáng)度的主要因素。7d 時(shí)將硅藻土用量從0.0%提高至2.0%和 4.0%，7d 抗壓強(qiáng)度降低8.8%和27.8%；膨潤(rùn)土用量從0%提高至 3%和6%，強(qiáng)度降低8.4%和 13.3%；沸石用量從0%提高至5%和10%，抗壓強(qiáng)度降低了4.5%和12.7%，陶粒用量從0%提高至5%和10%，抗壓強(qiáng)度降低了8.1%和12.7%。分析四因素對(duì) 7d 抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為硅藻土用量＞陶粒用量＞膨潤(rùn)土用量＞沸石用量。

分析28d 抗壓強(qiáng)度可知，硅藻土用量從0.0%提高至2.0%和4.0%抗壓強(qiáng)度降低6.4%和15.9%；膨潤(rùn)土用量從0%提高至3%和6%，抗壓強(qiáng)度降低8.2%和10.2%；沸石用量從0%提高至5%和10%，抗壓強(qiáng)度降低了5.5%和 8.9%，陶粒用量從0%提高至5%和10%，抗壓強(qiáng)度降低了3.5%和7.6%。分析各因素對(duì) 28d 抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為硅藻土用量＞膨潤(rùn)土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

2.2 水質(zhì)凈化效果分析

表7 水質(zhì)凈化效果分析

分析各因素與氨 氮（NH4+-N）濃度值，化學(xué)需氧量（COD）的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7 可知，硅藻土用量是決定水質(zhì)凈化效果的主要因素。當(dāng)硅藻土用量從0.0%提高至2.0%和4.0%，透水混凝土內(nèi)氨 氮 （NH4+-N）濃度值分別降低了7.7%和21.6%；膨潤(rùn)土用量從0%提高至 3%和6%，透水混凝土內(nèi)氨 氮 （NH4+-N）濃度值分別降低了5.5%和9.1%；沸石用量從0%提高至 5%和10%，氨 氮 （NH4+-N）濃度值分別降低了6.3%和9.9%；陶粒用量從0%提高至5%和10%，氨 氮 （NH4+-N）濃度值分別降低了5.5%和9.1%。分析各因素對(duì)氨 氮 （NH4+-N）濃度值的影響程度從大到小依次為，硅藻土用量＞沸石用量＞膨潤(rùn)土用量≥陶粒用量。

當(dāng)硅藻土用量從0.0%提高至2.0%和4.0%，透水混凝土化學(xué)需氧量（COD）分別降低了9.8%和22.6%；膨潤(rùn)土用量從0%提高至 3%和6%，透水混凝土化學(xué)需氧量（COD）分別降低了3.0%和5.9%；沸石用量從0%提高至 5%和10%，化學(xué)需氧量（COD）分別降低了2.7%和5.8%，陶粒用量從0%提高至5%和10%，化學(xué)需氧量（COD）降低了3.0%和 4.3%。分析四因素對(duì)化學(xué)需氧量（COD）影響程度從大到小依次為，硅藻土用量＞膨潤(rùn)土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

結(jié)合各因素對(duì)透水混凝土力學(xué)性能及水質(zhì)凈化效果的影響規(guī)律，本研究認(rèn)為透水混凝土中各無(wú)機(jī)多孔材料的摻量為膨潤(rùn)土用量3%、沸石用量5%、硅藻土用量2%、陶粒用量5%時(shí)最為適宜，此時(shí)透水混凝土7d 抗壓強(qiáng)度為23.6MPa，28d 抗壓強(qiáng)度為34.1MPa，待測(cè)水經(jīng)6 次凈化后氨 氮 （NH4+-N）濃度值10.5mg/L，化學(xué)需氧量（COD）為158.3mg/L，較未凈化前分別降低了32.7%和47.3%。

3 結(jié)論

（1）各多孔填充材料的摻入都會(huì)顯著降低透水混凝土的力學(xué)性能，其中硅藻土是影響透水混凝土力學(xué)性能的主要因素，7d時(shí)各因素對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為硅藻土用量＞陶粒用量＞膨潤(rùn)土用量＞沸石用量，28d 各因素對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為硅藻土用量＞膨潤(rùn)土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

（2）多孔填充材料的摻入顯著地提高了透水混凝土對(duì)水質(zhì)的凈化能力，其中硅藻土用量對(duì)水質(zhì)凈化效果最好，是影響透水混凝土凈水效果的主要因素，各因素對(duì)氨 氮 （NH4+-N）濃度值，化學(xué)需氧量（COD）凈化效果的影響程度從大到小依次為硅藻土用量＞沸石用量＞膨潤(rùn)土用量≥陶粒用量和硅藻土用量＞膨潤(rùn)土用量＞沸石用量＞陶粒用量。

（3）結(jié)合各因素對(duì)透水混凝土力學(xué)性能及水質(zhì)凈化效果的影響規(guī)律，本研究認(rèn)為透水混凝土中各無(wú)機(jī)多孔材料的摻量為膨潤(rùn)土用量3%、沸石用量5%、硅藻土用量2%、陶粒用量5%時(shí)最為適宜，此時(shí)透水混凝土7d 抗壓強(qiáng)度為23.6MPa，28d 抗壓強(qiáng)度為34.1MPa，待測(cè)水經(jīng)6 次凈化后 （NH4+-N）濃度值10.5mg/L，化學(xué)需氧量（COD）158.3mg/L，較未凈化前分別降低了32.7%和47.3%。