（材料学专业论文）具有水质净化性能的生态混凝土的试验研究.pdf

摘要 随着环境保护、保持生态多样性及维持社会可持续发展的呼声的日益高涨，环境友好型 生态混凝土逐渐得到人们的重视。利用生态混凝土构筑水边构筑物是水体生态修复的主要方 法之一。生态混凝土实质上是一种有着连续孔隙的多孔混凝土：其多孔的结构为水体中的微 生物、动物和植物提供了附着生长的空间，有利于水体生物多样性的增加，生态系统的完善， 从而具有净化水质的功能。 本文主要针对具有水质净化性能的多孔混凝土的配合比设计、强度、生态安全性、水质 净化性能和综合生态效应等方面进行了探讨和研究在基本力学性能方面，本文研究了多孔 混凝土在不同骨料级配，不同设计空隙率时的强度变化规律，同时也研究了多孔混凝土在掺 加矿物掺合料时，其强度随着外掺料掺量的变化规律。在生态安全性方面，本文初步探讨了 多孔混凝土胶结材料不同配合比，不同养护条件下在水中溶出物的量的变化规律。在水质净 化性能方面，本文提出了研究多孔混凝土水质净化性能的实验方法并设计制作了两种室内试 验装置。本文研究了不同试验装置，不同空隙率和骨科粒径，掺加不同矿物外掺料的条件下， 多孔混凝土的水质净化效果。并研究了水生生物对多孔混凝土的生态适应性。以及形成的综 合生态效应对水质狰化的效果。提出了多孔混凝土的水质净化机理。综合考虑混凝土强度和 水质净化性能两方面的因素，提出了水质净化性能的多孔混凝土的配合比。 试验结果表明，设计空隙率为2 5 2 ，掺加2 0 的矿粉或粉煤灰，水胶比范围为 o 2 4 o 2 8 ，骨料粒径为l o m m 2 0 m m 的多孔混凝土强度达2 0 l l b a ，具有良好的水质净化效 果，其高锰酸盐指数的平均去除率达6 0 ，t 呷的平均去除率达8 0 。州的平均去除率达5 0 。水体中的微生物，动植物能够附着生长在多孔混凝土上，形成综合的生态效应具有良好 的水质净化效果，其t _ p 的去除率已达到8 5 ，t - n 的去除率达到8 0 ，高锰酸盐指数去除率 已达到8 0 ，s s 的去除率已达到8 8 。 关键词：生态混凝( 多孔混凝土) ；抗压强度；空隙率；水质净化；总磷；总氮 a b s t r a c t w i t ht h eg r e a td e m a n di nn l a t e r i a i sw i t ht h eb e n e f i t st oe n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o na n d c o n t i n u a ld e v e l o p m e n t , g r e e n - g r o w i n gp o r o u sc o n c r e t ei si n v e s t i g a t e d am e t h o do fw a t e r e c o l o g i c a l - r e s t o r a t i o ni su s i n gr e v e t m e n tb u i l tw i t hp o r o u sc o n c r e t e p o r o u sc o n c r e t ec a l la c t i v e t h em i c r o o r g a n i s mw i t hw a t e rp u r i f i c a t i o np r o p e r t i e sa n db e n e f i t st oe n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o n , e c o l o g i c a lv a r i o u s n e s s t h ea r e n g t h , m i xp r o p o r t i o n s e c o - e n v k o n m e m a ls e c m i t ya n dw 掀p u r i f i c a t i o np r o p e r t i e so f p o r o u sc o n c r e t eh a v eb e e ns t u d i e da b u n d a n t l yi nt h ep a p e r t b cc h a n g eo fc o m p r e s s i v es t r e n g t h w i t hd i f f e r e n ts i z e so f a f g r e g a t e ，d i f f e r e n tt a r g e tv o i dr a t i oo nt h eb a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a s b e e ns t u d i e d w h i l et h ec h a n g eo fc o m p r e s s i v es t r e n g t hw i t hs i l i c af l h l r e $ ，f l ya s ha n ds i a ga l s o h a v eb e e ns t u d i e d c h a n g e so fc e m e n f i t i o u sb i n d e rl e a c h i n gw i t hd i f f e r e n tm i xp r o p o r t i o n sa n d d i f f e r e n tc u r i n gc o n d i t i o nh a v eb e e ns t u d i e d t w oe q u i p m e n t so f t h ew a t e rp u r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t w e r ed e s i g n e d 1 1 把c h a n g eo f w a t e rp u r i f i c a t i o np r o p e r t i e sw 柑_ d i f f e r e n tv o i dr a t i o , d i f f e r e n ts i z e s o fa g g r e g a t ea n dd i f f e r e n te x p e r i m e n te q u i p m e n t sh a v eb e e ns t u d i e d w h i l et h ec h a n g eo f w a t e r p u r i f i c a t i o np r o p e r t i e sw i t hs i l i c af u m e s ，f l ya s h 锄d 她a l s oh a v e b e e ns t u d i e d w a t e r p u r i f i c a t i o nm e c h a n i s mo f p o r o u sc o l l o r e t ew a se d u c e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h eb e s tr a n g eo f t a r g e tv o i dr a t i oi s2 5 圭2 t h eb e s tr a n g e o f w bi s0 2 4 - o 2 8w h e ns l 鹋e n dn ya s ha r ea d d e dt op o r o u sc o n c r e t e , a n db e s tr a n g eo f s i z eo f a g g r e g a t ei sl o n m p 2 0 m m 1 1 p o r o u sc o n c r e t ew h i c hm a d ew i t ht h e s ec o n d i t i o n s 啪g e t 2 0 i ! m p as t r e n g t l la n dt h eb e s tw a t e rp u r i f i c a t i o np r o p e r t i e sw i t hr e m o v a lr a t i oo fc o d i s6 0 ，r e m o v a lr a t i oo f t - pi s8 0 a n dr e m o v a lr a t i oo f i s5 0 t h em i c r o o r g a n i s m , w a t e ra n i m a l a n dh y g r o p h i l o u sp l a n ta t t a c h e do nt h ep o r o u sc o n c r e t es l a f a c eh a v eb e t t e re c , o - e n v i m n m e n t a l i m p a c ta n dw a t e rp u r i f i c a t i o np r o p e r t i e sw i t hr e m o v a lr a t i oo f c o d m m i s8 0 0 , r e m o v a lr a t i oo f t - pi s8 5 r e m o v a lr a t i oo f s si s8 8 a n dr e m o v a lr a t i oo f i s8 0 r e s u l t sf r o mt h i ss t u d ys h o w t h a tp o r o u sc o n c r e t ei sa b l et op u r i f yw a t e re f f i c i e n t l y k e yw o r d s ：p o r o u sc o n c r e t e ；c o m p r e s s i v es t r e n g t h ；t a r g e tv o i dr a t i o ；w a t e r - p u r i f i c a t i o n ；t - p ； t 玳： 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：逊日 期：加，7 罗j 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国的水资源总量居世界第6 位，但是，由于我国人口众多，人均水资源占有量为世界的 1 4 ，属于用水紧张的国家。并且我国的水资源在时间和空间呈现不均匀分布。总体上表现 为南多北少，而且降雨大多集中在7 9 月，且随着社会经济的发展，水质日趋恶化，水环境现 状不容乐观。 地下水水环境现状：地下水是存在于土壤空隙和地下岩层裂隙溶洞中的水，是陆地水资 源重要的赋存形式。在我国，由于重视了地下水超采带来的地质灾害，许多省市采取了强制 封井的措施，加之地表水污染源治理力度加大，地下水污染有逐渐改善的趋势，但还存在很多 问题。全国大部分城市和地区地下水水质总体较好，局部受到一定程度的点状或面状污染， 部分指标超标。污染区主要分布在人口密集和工业化程度较高的城市中心区，主要超标指标 有矿化度、总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、铁、锰、氯化物、硫酸盐、氟化物和p h 值 等。三氮污染在全国各地区均较突出，矿化度和总硬度超标主要分布在东北、华北，西北和 西南地区，铁和锰超标主要分布在东北和南方地区。与蝴绰相比，大部分城市和地区地下水 水质基本稳定或污染略有减轻，部分城市局部地段水质有恶化趋势。“1 河流、湖泊和水库水环境状况：2 0 0 4 年。7 大水系7 4 1 个重点监测断面中，2 9 1 的断面满 足i m 类水质要求，3 0 0 的断面属、v 类水质。4 0 9 的断面属劣v 类水质。我国湖 泊水库污染日趋严重，主要表现为“富营养化”。湖泊水库的污染不仅仅影响水体的功能如 供应生活用水，以及危害水生生物，而且正在导致湖泊、水库本身的消亡。导致富营养化问 题的主要原因是湖泊氮、磷污染。滇池草海为重度富营养状态，太湖和巢湖为轻度富营养状 态。“ 另外，近年来，在城市绿地、公园建设和居住小区的建设中，人工湖泊，景观池塘及景观 水池不断涌现。城市景观水体多为静止或流动性差的封闭缓流水体，一般具有水域面积小、 易污染、水环境容量小、水体自净能力低等特点，加上居民生活和水系中鱼类的影响，极易造 成水中悬浮物增多、浊度增大有机物、细菌和大肠杆菌的含量都增高。在温度较高时，富含 n 、p 等营养元素的水体中还会滋长藻类，藻类的异常繁殖会破坏环境的生态平衡，湖水呈现 明显的绿色，水体色度较高，一般可达几十度甚至上百度，并伴有明显的鱼腥味，有时甚至造 成水体发黑发臭，丧失了景观水体的功能，因此景观水体的处理有其必要性和迫切性。” 由上所述可知，我国的地表水已受到“富营养化”的严重威胁。如何防治水体的富营养 化及对富营养化水体的修复技术的研究己成为水环境保护研究的重点 水体的富营养化是自养型生物( 主要是浮游植物) 在富含氦、磷、有机物等营养物质的水 体中异常繁殖的结果。富营养化的征兆包括来自藻类水华的浮渣和毒素，某些水生植物的大 量侵扰，与水关联的疾病发病率的增加，水体透明度的降低，水体恶臭，水中溶解氧枯竭以及 水生动物的灾难性大批死亡。 水体富营养化的危害： ( 1 ) 对饮用水源的污染：富营养化使水体中有机质增加，病原菌孽生，并产生有害的藻 毒素，危及饮用水的安全。处于富营养化状态的水体作为供水水源时，会给净水厂的正常运作 东南大学硕士学位论文 带来一系列的问题，如增加水处理费用、降低处理效果和产水量等。 ( 2 ) 对水体生态环境的影响：处于富营养化的水体，正常的生态平衡遭到破坏，导致水生 生物的稳定度和多样化降低，且最终的发展将使水体库容因有机物残渣淤积而减少，水体生 态结构破坏，生物链断裂，物种趋向单一，水体功能退化，加速水体沼泽化、陆地化的进程。 ( 3 ) 对渔业等生物资源利用的影响：一定程度的富营养化可能导致鱼产量增加，但严重 富营养化的水体会因为藻类释放的毒素和溶解氧的稀缺而使鱼类种类数量减少，并直接影响 鱼类质量，从而导致水体经济价值大大降低。 ( 4 ) 对水体感观性状的影响：富营养化水体中的蓝、绿藻类大量繁殖，致使水体色度增 加，水质浑浊，透明度降低，并散发鱼腥臭味。污染居住环境，丧失水体美学价值。 富营养化的防治对策：富营养化的防治是指阻断引起水体富营养化的污染源和削减其污 染的措施。防治的目的在于有效地阻断或削减污染来源，减少过量氮、磷等营养元素对水体 的输入，以抑制其初级生产力。防治对策分为以下两类：”， ( 1 ) 外源控制：制定相应的环保对策，控制n 、p 的捧放，控制农田污染；实施截污工程， 大力发展具有脱氮除磷的废水生物处理新技术。 ( 2 ) 内源控制：减少内源性污染物质，应主要防止营养盐类的恢复，根据具体实际情况， 采取不同的方法，控制底泥污染，旅游污染，船舶污染和养殖污染。 富营养化的生态修复：生态修复的具体措施主要是通过建立生态净化系统，利用水生生 物吸收氮、磷元素等营养物质并进行代谢活动。达到去除氮、磷元素等营养物质的目的。主 要方法有： ( 1 ) 食物链重组：水体中的藻类除受营养物质的控制外，作为食物链中的一环，也受浮游 动物和鱼类的控制因此，可通过食物链的重组来达到控制藻类和削减氮、磷的目的。例如。 在富营养化水体中投放某些藻食性鱼类如鲢鱼，以控制浮游植物的生长，再适当搭配某些以 浮游动物为食的鱼类，如鳙鱼等，可有效控制水体的富营养化。除此之外，还可在水体中放养 田螺、河蚌，用以削减底泥中的有机质和营养盐。 ( 2 ) 植物、微生物净化：对于已经富营养化的水体要逐步恢复以沉水植物为主的水生 植被，包括漂流植被，挺水植被和浮游植被，利用水体沿岸浅滩的植物和微生物的作用，形成 人工净化生态系统，提高水体的生态环境质量 1 2 多孔混凝土与水体生态修复 湖泊河流水体富营养化一方面是由于氮、磷、有机物等营养物质的大量捧放，但另一方 面由于湖泊，水库等的岸边采用普通混凝土及浆块石护坡。这种护坡采用无空介质，对坡面 采用封闭形式，阻断了水体和近岸陆地土壤之间的联系，不具各植被生长所必须的生态环境， 水生植物、水生动物失去了生长、栖息的空间，造成生物种群的减少、生物多样化指数降低， 破坏了生态平衡，使水体自净功能下降甚至完全丧失唧。 水体生态修复技术是利用培养植物、动物或培养、接种微生物，对水体中污染物进行转 移转化及降解作用，使得水体得到净化。它包括河湖水体的生态修复技术及河湖岸边湿地修 复以及生态护坡、绿色廊道工程 水体的生态修复的主要方法之一是生物膜法。生物膜法是由生长发育活跃的单一或混合 的好氧菌厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物和较高等动物组成的微生态体系，附着在活性 的或非活性的载体表面，通过其附着的大量微生物进行水体污染物的降解微生物修复技术 2 第一章绪论 是利用向水体投加微生物或某基质，恢复微生物降解水体功能。微生物具有来源广、繁殖快， 在一定条件下对其进行筛选、定向训化、富集培养，可以对大多数有机物实现生物降解处理。 湿地生态系统可以有效阻滞、截留地表径流携带的悬浮物，降解氮、磷营养物质和其它 有机物。人工湿地应可能考虑将地势低洼、易涝、经济效益不高的农田、鱼塘，通过种植芦 苇，香蒲、莲藕、茭草等植物，改造成人工湿地生态系统。 生态护坡、绿色廊道是针对传统的河道湖泊整治工程改造而提出的。传统的河道湖泊整 治工程改造只考虑到河( 湖) 岸的防洪功能而多采用实用性、耐久性较好的混凝土式护岸， 忽略了水体的生态等功能，从而破坏了河流湖泊的各种生态过程，河流湖泊的综合功能严重 退化。修复受损河( 湖) 岸生态系统变成为了一种新的研究课题。 国外修复受损河( 湖) 岸生态系统的研究发展很快。2 0 世纪6 0 年代后期，德国及瑞士认 识到传统的水利设计及管理思想是导致河流自然生态系统受损的根本原因，开始进行如何把 生态学原理应用于土木工程，修复受损河岸生态系统的实验研究：日本也很早就开始学习欧 洲的河道治理经验，并在理论、施工及高新技术的各个领域丰富发展了“多自然型河道生态 修复技术”，由此诞生了生态学与土木工程学有机融合的。应用生态工学”及其理论”1 生态护坡是水体生态系统中具有自净功能的组成成分，在涵养水源、调节河川径流、防 止水土流失、减轻面源污染、改善环境水体质量，维护城市生态平街、美化城市景观等方面 起着十分重要的作用。 生态护坡工程就是使用生物相容型混凝土材料，恢复和重建植被，修复受损河( 湖) 岸生 态系统。适于生物生存的生态修复材料主要是指动植物及微生物能够和谐共存的生物相容型 混凝土即生态混凝土。生态混凝土又称环境友好型混凝土( e n v i r o n m e n t a l l r - f r i e n d l y c o n c r e t e ) ，又名亲环境混凝土，可以减轻环境负荷同时也与有机物相适应，它实质上是一 种有着连续孔隙的多孔混凝土( p o r o u sc o n c r e t e 简称p o c ) 。利用多孔混凝土空隙的透气、 透水等性能，渗透植物所需营养，生长根系这特点来种植草、灌木及乔木等植物，恢复河岸 植物群落。同时生物相容型混凝土利用多孔混凝土外表面对各种微生物的吸附，通过生物层 的作用产生间接水质净化功能 1 3 国内外研究和应用现状 1 3 1 国外研究和应用状况 从文献报道来看“”，2 0 世纪4 0 年代在欧洲国家最早开始研究和应用多孔混凝土材料， 但由于强度低、孔隙率大限制了它早期的应用范围。在英国。1 9 7 0 年曾尝试将无砂多孔透 水性混凝土浇筑成常规刚性混凝土路面。该路面早期使用效果很好，直到1 0 年后，由于冻 融作用而遭到破坏。在美国，1 9 7 9 年在佛罗里达州s a r a s o t a 地区的一座教堂附近，首次使 用无砂多孔混凝土建成了具有透水性的停车场，并取得了透水性混凝土专利。该透水性混凝 土的2 8 天抗压强度为2 6 2 1 l p a ，透水能力为1 6 哪s ，具有良好的透水效果，同时能满足强 度要求。从此以后，透水性混凝土在美国开始推广使用。自2 0 世纪8 0 年代开始，美国出现 了专门的透水性混凝土搅拌站对这种混凝土实行商业供应。1 9 9 1 年在佛罗里达州成立了“透 水性波特兰水泥混凝土协会”，对透水性混凝土的使用提供技术指导。在法国，透水性混凝 土大量应用于网球场，法国有6 0 的网球场是用多孔透水性混凝土修建的。日本是对多孔混 凝土的研究和应用较多的国家。1 9 8 7 年开始有日本研究者申请多孔透水性混凝土材料的专 3 东南大学硕士学位论文 利。2 0 世纪9 0 年代起，日本最早开始研究多孔连续型绿化混凝土，将多孔混凝土作为骨架， 在其内部填充保水性材料，表面覆以薄层客土并种植各种植物，达到加固和绿化道路边坡、 河堤护岸的目的“”。吸音和水质净化混凝土的应用在日本也有报道。2 0 0 1 年4 月，日本“先 端建设技术中心”制定了植生型多孔混凝土河川护岸工法，以推进具有生态效应的植生型多 孔混凝土应用进程“。 在生态混凝土的水质净化方面，文献报道日本近畿大学的玉井元治教授从9 0 年初就开 始进行多孔混凝土在自然水环境中生物附着和水质净化的可能性的研究。表明p o c 在自然水 环境中会有大量不同的生物附着生长在其上面并具有水质净化的效果“” 文献报道日本长崎大学于1 9 9 4 年起进行海水现场试验，将直径l m 高0 5 m 的有孔试块 1 0 个一组地投入海中，并于1 9 9 5 年2 月至1 9 9 6 年2 月每月实测一次水质变化，发现生态混 凝土有富集营养物质的功能 另有文献报道，使用生态混凝土在公园内小河上建造净水槊( 1 5 m 2 m o 4 m ) ，水在 其中停留1 3 h 可去除水中的b o d 4 0 5 0 ( 质量分数，本文中的含量等均为质量分数) ， 长时间停留可去除8 0 9 0 9 6 ”1 。 日本德岛大学的水口裕之教授1 9 9 7 年在实验室建立了p o c 水质净化装置并开始研究多 孔混凝土的空隙率、程骨料粒径、孔隙直径对混凝土的强度、生物膜附着和水质净化效果的 影响。发现空隙率2 0 3 0 ，粗骨料粒径5 2 0 m 的混凝土( 2 8 天强度7 5 2 3 1 p a ) 在实 验装置中浸泡3 0 天，t - p 除去率达6 0 ，t 州去除率达5 0 6 。林正浩和水口裕之教授通 过在生态混凝土中添加高炉矿渣和沸石粉方法，研究其对多孔混凝土强度和水质净化的影 响，取得了较好的成果“。 日本宫崎大学中泽隆雄博士等也通过室内实验装置对p 0 c 的水质净化效果进行了研究， 表明p 0 c 对废水的t 0 c 、t - p 、t n 的去除有明显的效果“” 韩国c b u n g a mn a t i o n a lu n i v e r s i t y 的s u n g - b u mp a r k 和美国u n i v e r s i t yo ff l o r i d a 的 m a n gt i a 利用室内水质净化装置试验研究发现多孔混凝土对t - p 的去除效果明显，空隙率 越大其水质净化效果越好，粗骨料粒径小( 5 1 0 m ) 的p o c 比粗骨料粒径大( 1 0 2 0 m m ) 的p o c 水质净化效果好 1 3 2 国内研究和应用现状 我国在生态混凝土的研究在2 0 世纪9 0 年代后期才开始。与国外水平还存在较大的差 距。清华大学、吉林水利科学研究所、吉林水土保持科学研究所对植生型多孔混凝土进行了 一些研究。南京工业大学奚新国等进行了低碱度生态混凝土的初步研究，以粉煤灰为主要原 材料配制低碱度生态多孔混凝土。在实验室内所配制的多孔混凝土9 0 天p h 值为9 o 1 0 5 以下，孔隙率为2 7 7 4 ，9 0 天抗压强度在0 7 蕊p a 1 7 0 m p a 之问1 。扬州大学徐飞等进行 了无砂多孔混凝土配合比研究，引入无砂多孔混凝土拌合物稠度等级的概念，提出了无砂多 孔混凝土配合比设计优化方法，所配制多孔混凝土2 8 天抗压强度在6 4 卯a 1 2 6 m p a 之问 。近年来，东南大学高建明教授、吕锡武教授和河海大学的吉伯海教授共同对生态混凝土 进行了较为系统研究，取得一定的成果，并将其成功应用于镇江的江滨治理上“。在多 孔混凝土水质净化方面，同济大学陈志山副教授利用生态混凝土为材料设置了一套装置并研 究其污水处理的效果除此之外，国内对其研究还是空白 4 第一章绪论 1 4 研究目的、内容及意义 1 4 1 研究目的及意义 由于环境保护的需要，水土保持、水质净化和退化生态环境的修复和重建得到了世界各 国的重视。人们试图通过多种途径解决保水、捧水、保护水资源、保护生物的多样性等一系 列包含复杂技术的生态环境保护问题。多孔混凝土是一种采用特殊工艺制备的含有连续空隙 的混凝土，它既有一定的强度同时又具有透水性和透气性；多孔混凝土在水中富集的微生物、 动植物形成了一个综合的生态效应从而取得良好的水质净化效果。然而，多孔混凝土的内外 表面主要是水泥基体，在水中显碱性，而微生物以及动植物主要喜偏酸性或中性的环境，所 以在多孔混凝土内外表面挂膜以及如何充分发挥其富集营养物质和生物的作用形成综合生 态效应达到水质净化的目的是研究的重点也是难点。因此本文研究目的具体如下： l 解决生物膜附着型多孔混凝土的配制与成型等相关技术问题； 2 解决多孔混凝土的生物膜附着以及净化水质技术等问题； 3 提出多孔混凝土的水质狰化机理。 1 4 2 研究内容 针对本文的研究目的，本文为主要从以下几个方面进行试验研究： 1 、具有水质净化功能的多孔混凝土的基本力学性能的研究 ( 1 ) 多孔混凝土胶结材的配合比及性能的研究：矿物外掺料对p o c 胶结材料的影响 ( 2 ) 多孔混凝土空隙率与粗骨料级配对多孔混凝土强度的影响 ( 3 ) 矿物掺合料对多孔混凝土强度的影响 ( 4 ) 多孔混凝土的透水系数的试验研究 ( 5 ) 多孔混凝土碳化试验研究。 2 、多孔混凝土生态安全性试验研究 3 、多孔混凝土水质净化功能的室内实验方法和实验装置等相关技术的研究； 4 、多孔混凝土的水中挂膜技术和水质净化功能的研究： ( 1 ) 多孔混凝土空隙率与粗骨料级配对多孔混凝土水质净化性能的影响。 ( 2 ) 矿物外掺料对多孔混凝土水质净化性能的影响。 ( 3 ) 试验装置与条件对多孔混凝土水质净化性能的影响 5 、多孔混凝土综合生态效应的试验研究 s 东南大学硕士学位论文 第二章原材料、试验方法及配合比设计 2 1 原材料选用概述 配制多孔混凝土时，一般不使用细骨料，由水泥浆体包裹在粗骨料表面，仅靠被水泥浆 体包裹的单一粒径粗骨料在一定的成型条件下相互粘结，经凝结硬化后形成具有宏观空隙的 多孔堆聚结构。多孔混凝土的组成结构可用图2 - l 所示模型描述： 多孔混凝土理想结构模型 多孔混凝土实物照片 ( 图中空白为孔隙) 图2 - i 多孔混凝土结构模型 由多孔混凝土的结构模型可知，多孔混凝土在承受荷载应力时是通过粗骨科之间的水泥 浆体凝结硬化后形成的胶结点传递应力的，胶结点强度的高低很大程度上决定了多孔混凝 强度的高低。因此，为提高多孔混凝土的强度，首先应配制高强度的水泥浆体，本试验中选 用高强度等级的p 1 1 5 2 5 硅酸盐水泥。为了在多孔混凝土内形成宏观连通的空隙，必须选 用单一粒径的粗骨科；而且，粗骨料的粒径范围不同，其自身空隙率不同，由此会直接影响 到所配制多孔混凝土的内部孔结构和空隙率 为了改善用于配制多孔混凝土的水泥浆体性能，需要使用具有不同性能的掺合材料。本 论文试验中分别掺加硅灰、粉煤灰、矿粉等矿物掺合料，并选用高效减水剂降低水灰比 2 2 试验原材料及其基本性能 2 2 i 水泥 p 1 1 5 2 5 硅酸盐水泥，江南一小野田水泥有限公司生产，各项物理性能指标和化学成 份如表2 1 和表2 2 所示 表2 1 水泥的物理力学性能 6 第二章原材料，试验方法及配合比设计 表2 2 水泥熟料化学成份( m a s s ) l o i ：l o s so fi g n i t i o n 烧失量，下同。 2 2 2 粗骨料 南京泉水采石场生产的石灰岩碎石，含泥量( 包括含粉量) 0 9 9 6 ，针、片状含量按重 量计为6 2 3 。5 ，压碎值2 8 9 ，其他物理性能如表2 3 所示 表2 3 碎石物理性能 2 2 3 外加剂 江苏省博特新材料有限公司产的j - i - s 型蔡系高效减水剂，粉剂，主要成分1 3 一萘磺酸 亚甲基高聚物，减水率达到2 0 以上 2 2 4 粉煤灰 南京热电厂生产的低钙i 级粉煤灰( f ) ，化学成分如表2 4 所示。密度为2 0 4 9 c f ，需 水量比0 9 5 ，细度( 4 s i tn l 筛余6 ) 2 2 5 硅灰 硅灰化学成分见表2 4 ，密度2 1 0g c d 2 2 6 矿渣微粉 南京江南粉磨有限公司生产的钟山牌$ 9 5 矿渣微粉，化学成份如表2 4 所示密度 2 8 6g c m 3 ，比表面积5 9 0m z k g 。 表2 4 矿物掺合料化学成分( m a s s ) 2 2 7 拌合水 普通自来水 7 东南大学硕士学位论文 2 3 多孔混凝土基本性能试验方法 2 3 1 试件成型及养护 ( 1 ) 试件制备 按配合比称量好原材料，先将外加剂溶于水中，然后与水泥混合搅拌成水泥浆体，随 后加入粗骨科搅拌9 0 s 。成型时，先振动1 5 s 后插捣成型。 ( 2 ) 试件尺寸 用于测定立方体抗压强度的试件尺寸为1 0 0 m xl o o s s xl o o m 。 ( 3 ) 试件养护 采用标准养护，养护温度为2 0 3 ，相对湿度9 5 2 3 2 多孔混凝土基本性能测试方法 ( 1 ) 立方体抗压强度 龄期前1 2 天将试件从养护地点取出，如果受压面不平整则用水泥浆对受压面进行抹 面处理，这是为了保证混凝土试件在试验时的承压面面积不致于有大的偏差。抹面后将试件 放回标养室继续养护。试件养护至龄期时取出擦拭干净，测量尺寸并检查外观。 采用n y l - 2 0 0 0 d 型压力试验机进行测试。试件安放在试验机下压板上，试件的中心与 试验机下压板中心对准，试件的承压面应与成型时的顶面垂直。以0 3 o 5 b p a 的加荷速度 连续均匀加荷，当试件接近破坏而开始迅速变形时，应停止调整试验机油门，直至试件破坏， 然后记录下破坏荷载p ( d 。混凝土立方体极限抗压强度按下式计算： p 7 二= 二- x l 0 0 0 ( 2 1 ) 。 式中：正立方体极限抗压强度，m p a ( 精确至o 1 好a ) ； p 破坏荷载，肼； - 试件承压面积，m 寸 ( 2 ) 空隙率 本试验所制各的混凝土是由粗骨科、混合材、水泥、化学添加剂和水等拌制而成的一种 多孔混凝土。它不含细骨料，由表面包裹着一层水泥浆的粗骨料相互粘结而形成。因此它的 孔隙结构不同于普通密实混凝土，它含有均匀连续分布的宏观孔穴，因此为了区别于普通混 凝土的“孔隙”，将多孔混凝土中的孔穴结构称为“空隙”。 多孔混凝土中的空隙有三种： 第一种是封闭的空隙；第二种是开口但不连续的空隙， 我们称其为“布袋型”空隙；第三种是贯穿混凝土连续有效的空隙，它的存在是多孔混凝土 透水和透气等性能的重要保证。 空隙率测试方法参考日本多孔混凝土空隙率测试方法( 草案) 溯测试方法如下：首 先测量试件外形尺寸，计算出试件的外形体积，将试件浸泡在水中使其饱水后称量它在 水中的重量孵；取出试件空干多余的水并擦干表面，按一定时间间隔称量质量，质量不再 变化时所得到的数值记为试件在空气中的质量多孔混凝土的连续空隙率p 按2 2 式计 算： 8 第二章原材料、试验方法及配合比设计 p ：f 1 一坠墨1 1 0 0 ( 2 2 ) i j 研究中测定的是不包括封闭空隙和“布袋型”空隙的空隙率，具体测试步骤如下： 将试件放入1 0 5 _ _ _ 5 c 的烘箱中，烘干至恒重，取出试件放在干燥器里冷却至室温，用直 尺测量试件尺寸，计算试件体积， 在静力水天平上，将一金属丝筒全部浸入水中，挂在电子秤上，称量金属丝筒在水中的 视重m i ，然后将试件放在该金属丝筒中，使试件全部浸入水中，并保持水面高度不变。排 除气泡后，测试试件和金属丝简在水中的总视重1 1 1 2 1 取出试件，称量试件在饱和面干时的质量m 3 按下式计算试件的空隙率p ( 精确到l ) ： p ：f 1 一旦型1 1 0 0 ( 2 3 ) ij 1 图2 - 2 透水系数测试原理圈 ( 3 ) 透水系数 2 7 1 图2 - 3 透水系数测试试验 本论文试验中按恒定水头法测试多孔混凝土的透水系数，试件为o l o c m x1 5 c m 圆柱体， 试件顶面上的恒定水头( h ) 控制在1 2 c m ，通过测算出单位时间内流过多孔混凝土试件的水 量计算透水系数。计算公式如下： ；盟盟( c m s ) ( 2 - 4 ) _ l l a f r i 。 式中，b 咏温为t 时恒定水头透水系数，c m s ； i 卜试件高度，c m r 试件顶面恒定水头，伽： q 一测算时间内流过试件的水量，c i | ； 卜试件的横截面积，c i - ； t _ - 测试的时间，s ： nt i i 。r 一水在测试温度( t ) 时与1 5 c 时的相对粘度 透水系数测试原理如图2 - 2 所示，透水系数测试试验如图2 - 3 所示( i ”。 9 试筒筒凝 套*百水霄d强*百 永水位东孔永筒透溢定透；量 一 一 一 一 一 一 一 l 7 东南大学硕士学位论文 2 4 配合比设计原理 2 4 1 配合比设计原理 由于多孔混凝土和普通混凝土在结构上有很大的差异，因此采用传统的混凝土配合比 设计方法不能满足多孔混凝土的大空隙率的特性。目前多孔混凝土的配合比设计在国内还没 有比较成熟的设计方法，日美等发达国家对多孔混凝土的研究开展较早，他们在多孔混凝土 配合比设计方面的技术相当成熟。尤其是日本在这方面做了大量的研究，因此我们借鉴了日 本的方法，提出一种适合多孔混凝土的配合比设计方法。其基本思路类似于碾压混凝土的填 充包裹理论“”。填充包裹理论中碾压混凝土有液相变为固相的理想条件是： ( 1 ) 砂的空隙恰好被水泥浆所填充； ( 2 ) 石子的空隙恰好被砂浆所填充，凝固后形成坚固的密实整体。 根据多孔混凝土所要求的孔隙率，可以将这个理论改为：粗骨料在紧密堆积的情况下， 被水泥浆等胶结材料均匀的包裹黏结在一起。凝固后形成了多孔堆积的结构，剩余的空隙变 成混凝土内部连通的孔隙 2 4 2 配合比参数的确定 多孔混凝土的配合比参数有强度、目标孔隙率、水灰比 影响多孔混凝土强度的因素主要有以下几个方面： ( 1 ) 原材料的性能：多孔混凝土是粗骨辩相互粘结而形成的多孔堆聚结构，粘结的水 泥浆厚度越厚，粘结点越多，粘结就越牢固，因此水泥标号、骨料品种与级配、外加剂与增强 剂等原材料的性能都会影响多孔混凝土的强度。水泥标号越高，相对水化硬化后水泥浆体的 粘结强度越高，若加入外加剂、聚合物等添加剂也会提高水泥浆体与粗骨料的粘结强度；另 外本研究中租骨料采用单一粒级级配以利于形成均匀连通的空隙，骨料粒级过大，形成的空 隙尺寸相对较大，骨料之间的粘结容易被破坏。因此选用石子的粒径应在2 0 r m 以内。 ( 2 ) 空隙率：空隙率是影响强度的重要因素，空隙率过大，必然引起强度的降低，空 隙率太小则对透水、透气性能不利。多孔混凝土作为水边构筑物材料，其抗压强度要高于 1 5m p a 。 ( 3 ) 水灰比：多孔混凝土的水灰比决定着浆体的流动性，水灰比大则浆体的流动性大， 被包裹的骨料表面越光滑，但浆体易流消，骨料问的浆体粘结层交薄。降低强度，也不利于 连通孔的形成。 2 5 配合比的设计步骤 进行配合比的设计时，首先确定粗骨科的空隙率v ，目标空隙率p ， 的空隙率可以通过测定骨料的表观密度和紧密堆积密度求得。 配合比计算步骤如下： 1 单位体积粗骨科用量的计算 g ；口岛 式中形：一单位立方米粗骨料用量( k g m 3 ) ； 1 0 水灰比w c 。骨科 ( 2 5 ) 第二章原材料，试验方法及配合比设计 岛碎石紧密堆积密度( k g m 1 ) ； 口修正系数，本文取0 9 8 2 胶结材浆体体积的计算 = 1 0 0 0 一口1 0 0 0 0 一) 一置m l o 式中k 一胶结材浆体体积( l 一) ； 碎石紧密堆积空隙率c ) ； 屯h 一设计目标空隙率( ) 。 3 单位立方米水泥和水用量的计算 ：士 昂，c + 玄 = 昂n ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中形，单位立方米水泥用量( k g = s ) ； r 一单位立方米用水t c k g = ) ； ，。水灰( 胶) 比； ， c 水泥密度( i 【g m i ) 。 4 外加剂的用量r n i c k g ) 一= 彳 ( 2 9 ) 式中 外加剂的掺量( ) 5 当掺用粉煤灰( f ) 、硅灰( s f ) 、增强剂时，掺量按水泥用量的百分比计算，然后将 其掺量换算对应的体积，分别计算各种原材料的用量。计算出水泥用量后，掺合料的用量计 算方法与式( 2 9 ) 相同 6 最后列出配合比。 2 6 多孔混凝土生态安全性试验研究 多孔混凝土作为水边构筑物的生态修复材料，其净化功能主要来自于其空隙内部附着生 长的生物膜。所以首先要研究其材料本身对周围水环境的影响，分析多孔混凝土内表面对于 生物膜的附着生长的有利或有害的因素。 多孔混凝土是由胶结材料填充包裹在粗骨料周围而形成的多孔结构的混凝土。因此多孔 混凝土内外表面主要是胶结材料，其对周围水环境的影响主要是由胶结材料引起的多孔混 凝土的胶结材料主要是由普通硅酸盐水泥和矿粉、粉煤灰等掺合料组成 胶结材料水化后，浸泡在水中，会有离子溶出，分析这些离子的种类和溶出速率即可握 多孔混凝土对周围水环境的影响因素。另外，需分析浸在水中的多孔混凝土内表面的性能， 主要是其表面电性和亲水性；因微生物一般带负电并亲水，因此载体表面若带正电、亲水有 利于微生物的附着生长。 ( i ) 试验方法：成型不同胶结材料的多孔混凝土试块( 4 0 衄4 0 m 1 6 0 m ) ，每组3 个 试件，用蒸馏水浸泡在4l 的容器中( 如图2 4 ) ，水温为2 0 1 ，定期检测水的 东南大学硕士学位论文 p h 值和c a 2 + ，n a + 等离子的含量 ( 2 ) 检测指标与检测方法：p i i 值用雷磁牌p l t s - 3 c 型精密豫计来测定：c a 2 ，n a + 等离 子的含量用火焰原子吸收法来测定。 图2 4 凝胶材料浸泡试验 2 7 多孔混凝土水质净化试验研究方案 2 7 1 多孔混凝土水质净化机理的研究 多孔混凝土的净水功能主要来自于其内部的大量的孔隙，使其具有良好的透水与透气 性。目前其净水机理的研究主要是以下几个方面”1 ： ( 1 ) 物理作用， 多孔混凝土的孔隙率在5 3 5 ，并且连通孔占1 5 3 0 ；平均孔径为4 5m m , 并且 孔隙弯弯曲曲，成为很好的过滤材料另外，玉井元治研究表明：使用5 i 3 m m 的碎石为骨 料制造的多孔混凝土，其厚度为3 0 c m 时，与水接触的表面积是普通混凝土的1 0 0 倍以上。 并且有许多微孔结构，因此有一定的吸附能力田。 但是，在实际应用中，多孔混凝土的孔隙较易堵塞，很快会失掉其过滤功能。另外，由 于其材料的局限性，其比表面积是远小于其他良好的吸附净水材料( 例如：沸石、活性炭等) 的。所以利用其吸附性能来净水，效果不会太明显 ( 2 ) 化学作用 众所周知，石灰是常用的化学净水材料，不但可以调节p h ，而且作为无机混凝剂可使污 水中的悬浮物质絮凝沉淀，在澄清的同时也降低了水中污染物质的含量。混凝土组成材料中 的水泥在水化过程中，以及混凝土浸泡在水中都会不断地溶释ca ( oh ) 2 从而起到净化作 用1 8 j 。但是，ca ( oh ) 2 的不断溶出不但会影响混凝土的耐久性而且会增加水质的碱度从而 影响微生物的附着生长。 ( 3 ) 生化净化与综合生态效应 生态混凝土的多孔结构提供了适于微生物生长的生存环境。在其表面和内部有大量的细 菌栖息繁衍，包括硝化菌、甲烷菌、脱氮菌等好氧性和厌氧性细菌。多孔混凝土上形成的生 物膜中生物种群较多，可以充分发挥生物膜的作用，降解水中的污染物质。另外水草等植物附 着生长在生态混凝土上时，可以吸收水中的n 、p 等污染物质。 总之，生态混凝土在水中富集的微生物、动植物形成了一个综合的生态效应从而取得怠 好的水质净化效果。 第二章原材料、试验方法及配合比设计 2 7 2 试验装置 多孔混凝土作为生态护坡的构筑材料。通过模拟其岸边环境来研究其水质净化效果。一 种是研究多孔混凝土微生物挂膜和水质挣化效果的流水