生物凈水型透水混凝土的降堿調控研究

姜建松，劉桂平，陳光林，羅建成

1.江西省建筑材料工業科學研究設計院，江西 南昌 330001；2.江西博泓新材料科技有限公司，江西 萍鄉 337000

0 引言

隨著城鎮化加快，不透水地面的大幅增加，使得城鎮內澇，城市熱島效應和雨水徑流污染問題嚴重［1］。“海綿城市”對緩解城市內澇、改善城市熱島效應、凈化地下水資源等具有重要作用［2］。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，逐漸成為海綿城市建設主流的透水鋪裝材料。透水混凝土因存在內部孔隙對水中的污染物質具有一定的凈化效果，是一種優良的雨水凈化載體［3-4］。目前普通透水混凝土，其水體凈化效果較差。因此，對透水混凝土進行改性處理，如引入具有生物凈水能力的微生物菌種，提升透水混凝土的水體凈化能力，具有重要的現實意義。然而微生物菌種的生長繁殖環境有著嚴格的條件要求，生長環境的pH 值約在7.5-8.5 范圍內，不適宜的pH 值影響微生物菌種的增殖和酶的活性，使凈化速率將大為降低。本文通過采用調整透水混凝土配合比及降堿材料，以降低透水混凝土的孔隙pH 值，為微生物凈化菌種提供合適的生長環境。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥：采用江西省萬年青公司生產的P·O42.5 普通硅酸鹽水泥和唐山北極熊特種水泥有限責任公司的42.5 硫鋁酸鹽水泥，兩種水泥的物理性能分別如表1 和表2 所示。

表1 水泥的物理力學性能

（2）摻合料：所用粉煤灰，二級粉煤灰，45μm 篩余18.6%，需水量比為98%；礦渣粉比表面積為430m2/kg，28d 活性指數為97%，流動度比為102%。硅灰為四川某廠的半加密硅灰，28d 活性指數為108%。

表2 硫鋁酸鹽水泥的物理力學性能

（3）粗骨料：所用粗骨料為石灰巖碎石。粒徑5～10mm，表觀密度2610 kg/m3，堆積密度1570 kg/m3。

（4）復合降堿材料：草酸、磷酸二氫鉀和硫酸亞鐵三種改性材料及W型永凝液水性表面噴涂材料。改性材料：改性材料性能參數見表3。

表3 改性材料性能指標

永凝液：永凝液為上海某公司生產，為W型DPS。

（5）其他材料：透水混凝土用增強劑為實驗室自制，摻量為2-4%；透水混凝土拌和用水為飲用自來水。

1.2 試驗方法

（1）透水混凝土的成型

本文中透水混凝土的試塊成型尺寸為150mm×150mm×150mm 立方體，利用荷載對相應的透水混凝土施加壓應力，使拌合物發生塑性變形，強迫材料間相互貼近，運動到更為穩定的位置，每組成型3 個試塊。

（2）抗壓強度試驗

試件經過28d 的養護后，對其進行抗壓強度試驗。具體試驗方法參照GB/T50081-2019 《混凝土物理力學性能試驗方法》。

（3）pH 值測定試驗

pH 值測定：將達到養護齡期的透水混凝土試塊放在邊長為20cm 的塑料桶中加入水，使水沒過透水混凝土試塊表面，浸泡24h后，采用精密pH計測定透水混凝土孔隙浸出液的pH值。

3 試驗結果與分析

3.1 配合比優化對透水混凝土堿度及強度的影響

本文采用的基準透水混凝土單方配合比如下：膠凝材料358.15kg，石灰石碎石1491.5kg，硅藻土18.85kg，沸石78.5kg，水124kg，增強劑7.54kg。由于普通硅酸鹽水泥水化會生成大量的堿性物質（Ca（OH）2），大量堿性物質的溶出會造成透水混凝土孔隙pH 值升高，使得pH 值可達12.0 以上。本文采用硫鋁酸鹽水泥和硅灰替代部分普通硅酸鹽水泥，調整用水量保持透水混凝土的工作性能一致，制備透水混凝土。通過測定28d齡期的透水混凝土孔隙浸出液pH 值和28d 抗壓強度，以優選出合適的配合比。具體試驗配合比設計參數及試驗結果見表4。

從表4 可知，單摻硫鋁酸鹽水泥替代普通硅酸鹽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。單摻10%和20%硫鋁酸鹽替代普通硅酸鹽水泥時，透水混凝土28d 抗壓強度分別提高4.8 MPa 和降低3.4MPa。此外，在摻硫鋁酸鹽水泥替代普通硅酸鹽的基礎之上，再摻6%的硅灰替代普通硅酸鹽水泥，當摻10%的硫鋁酸鹽水泥時，強度較基準提高了1.4MPa，而摻20%硫鋁酸鹽水泥時，強度較基準有大幅的下降。基于透水混凝土堿度的控制，本文優選TS3 作為透水混凝土的配比。

表4 優化配合比試驗參數 kg/m3

3.2 復合降堿材料對透水混凝土的堿度和強度的影響

本文在TS3 透水混凝土配比的基礎上，通過使用復合降堿材料對透水混凝土的堿度作進一步的調控，試驗通過在透水混凝土拌制過程中摻入一定濃度的硫酸亞鐵，使用草酸、磷酸二氫鉀溶液浸泡28d 透水透水混凝土及在透水混凝土表面噴涂W型永凝液的方式降低其堿度。具體操作為：將硫酸鐵溶液摻入水中，拌制透水混凝土，成型后取到28d 齡期的透水混凝土，并將其放置在相應濃度的溶液中浸泡24h，然后取出晾干（表面噴涂永凝液），試塊放在邊長20cm 模具的中加入水，使水沒過試件表面，浸泡 24h 后，測定孔隙浸出液pH 值。通過對上述降堿材料的組合使用，以降低透水基層材料的堿度。使期滿足微生物菌種的生長繁殖條件。降堿材料的組合使用試驗方案如表5 所示。試驗結果見表6。

表5 復合降堿材料組合設計方案

表6 復合降堿措施對透水基層材料強度及堿度的影響

從表6 可知，組合TS-1 處理后對透水混凝土強度及pH 值均有一定的降低，TS-2 處理后的強度較TS-1 略有上升，pH值持續的降低，TS-3 處理后的透水混凝土的強度幾乎沒有變化，但是pH 值持續的降低到9 以下，磷酸二氫鉀對強度沒有影響，TS-4 處理后的透水混凝土較基準來說，強度有一定的下降，同時pH 值為四種降堿組合措施里最低，且低于8.5，滿足微生物菌種的生長繁殖環境。本文復合降堿措施優選TS-4 組合方式。由于普通硅酸鹽水泥水化產生的氫氧化鈣含量很大，需要大量的酸性物質才能將其中和，酸性物質越多，對混凝土的堿度降低越快，但是酸性溶液浸泡，也會一定程度影響透水混凝土的強度。

4 結論

（1）復摻硫鋁酸鹽水泥和硅灰替代普通硅酸鹽水泥可降低透水混凝土孔隙溶出液的pH 值，pH 值最大可降低1.8，基于透水混凝土堿度的控制，本文優選TS3 作為透水混凝土的配比。

（2）不同組合的降堿材料均可以一定程度的降低透水混凝土的孔隙堿度和抗壓強度，本文復合降堿措施優選TS-4 組合方式，pH 值為四種降堿組合措施里最低，且低于8.5，可滿足微生物菌種的生長繁殖環境要求。