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        凈水型生態(tài)透水混凝土的研制

        2020-12-03 06:16:06姜建松柴天紅洪一粟羅建成
        江西建材 2020年11期
        關(guān)鍵詞:沸石力學(xué)性能水質(zhì)

        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%。

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