CN115073099B - 一种生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料与制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于透水路面水净化技术领域，公开了一种生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料与制备方法及其应用。该路面材料包括多档级配骨料、胶凝材料、水和减水剂，其中胶凝材料包括水泥、赤泥和硅灰。与现有技术相比，本发明通过设计多档骨料级配，使得混凝土内部致密和形成滤网效应，协同提升透水混凝土的力学性能和净化性能；同时掺入硅灰，发挥硅灰的微集料填充效应、火山灰效应，明显提升透水混凝土的强度；通过掺入赤泥发挥其物理吸附和化学吸附作用达到净化径流污染物的目的，对于总悬浮物、总磷和重金属离子的净化效果有显著提升。将赤泥应用到透水混凝土中，达到净化雨水径流水质、以废治废的效果，是赤泥固体废弃物资源化再生利用的新途径。
Description
技术领域
本发明属于透水路面水净化技术领域，特别涉及一种生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料与制备方法及其应用。
背景技术
随着城镇化进程的加快，城市道路地表径流所受污染也在日益加剧。携带大量污染物的地表径流渗透到地下水中，会引起城市非点源污染问题。透水混凝土具有独特的大孔隙结构，可以将地表径流快速下渗，且其内部孔隙结构可以净化水体部分污染物，但是净化作用有限，难以满足道路径流污染物的净化要求。而且透水混凝土由于多孔结构导致透水混凝土的抗压强度、抗折强度较低，限制了其在工程实践的大规模推广应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料，该透水铺装路面材料具有较好的力学性能、透水性能和较高的水净化效率。
本发明另一目的在于提供上述生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料，其包括级配骨料、胶凝材料、水和减水剂，所述的胶凝材料包括水泥、赤泥和硅灰；其中水泥、赤泥和硅灰的质量比为(72～80)：(10～20)：(6～10)；所述的级配骨料和胶凝材料的质量比为1：(0.25～0.35)；所述的水的用量满足水灰比为0.28～0.35；所述的减水剂的掺量为胶凝材料质量的0.1％～0.3％。
所述的级配骨料为级配辉绿岩；
优选的，所述的级配骨料中，2.36～4.75mm粒径骨料体积分数为15-30％；4.75～9.5mm粒径骨料体积分数为50～70％；9.5～13.2mm粒径骨料体积分数为10～25％。
所述的水泥为强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
所述的赤泥为经机械研磨后的拜耳法赤泥。经研磨后的赤泥颗粒粒径为1～75μm，比表面积大，可提升对污水净化的效果。
所述的赤泥包括Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2等物质。
所述的硅灰为SiO2含量不低于95％，粒径为2900～3200目。
所述的水为城市自来水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的规定。
所述的减水剂为高效聚羧酸减水剂，当减水剂掺量水平在0.1％～0.3％(占胶凝材料质量)时，其减水率达到18～25％。
一种生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将赤泥烘干并采用研磨机研磨；
(2)将研磨后的赤泥与其余的组分混合均匀并在模具中成型，静置之后拆模即得到生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料试件。
优选的，步骤(1)中所述的烘干是指在105℃的烘箱中烘干；所述的研磨是指研磨至粒径为1～75μm；
优选的，步骤(2)中所述的混合均匀是指先将全部级配骨料与30％～50％的水搅拌30s，使骨料充分润湿；再在骨料中加入30％～50％的胶凝材料，及20％～30％的水、30％～50％的减水剂，拌合60s；再加入剩余的所有胶凝材料、水和减水剂，搅拌120s；
优选的，步骤(2)中所述的在模具中成型是指采用人工插捣法在模具中成型，具体包括以下步骤：将拌合好的混合料采用人工插捣法分3层装在模具中，每装一层用捣棒从边缘向中心沿着同一方向插捣25次，最后用抹刀清除模具四周多余的混合料并填平表面；
优选的，步骤(2)中所述的静置是指静置一个到两个昼夜。
得到生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料试件后，移到标准养护室养护到相应的龄期。依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)测试透水混凝土试件的力学性能；依据《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T135-2009)测试透水混凝土试件的透水性能。
生态型赤泥透水混凝土路面材料的应用，将所述的透水混凝土路面材料铺设于道路上，对透过材料的道路径流污染物进行净化。道路径流污染物包括总悬浮物、总磷及重金属离子(Cu2+、Pb2+、Cd2+)。
赤泥是铝工业在生产氧化铝时产生的一种固体废弃物。赤泥可以通过表面络合吸附、静电吸引和化学沉淀等不同的吸附机理实现对径流污水的净化，可以去除径流污水中各种重金属离子、氮磷等杂质，去除污染物种类更多，且去除效果稳定。
硅灰是铁合金冶炼硅铁和工业硅所产生的副产物，硅灰颗粒较小，表面活性高，SiO2含量多，将硅灰掺入透水混凝土中可以发挥硅灰的微集料填充效应、火山灰效应来提升混凝土的力学性能。
采用多档骨料级配优化设计可增加透水混凝土内部骨料间接触点数量，增强骨料间的嵌挤作用，使得透水混凝土内部更加紧密，形成较好的滤网效应，在显著提升透水混凝土强度的同时，也提升其净化性能。
因此，本发明设计多档骨料级配，同时将赤泥和硅灰固体废料掺入到透水混凝土中，发挥多档骨料的嵌挤密实作用和滤网效应，协同提升透水混凝土的力学性能和净化性能；充分发挥硅灰的微集料、火山灰效应提升透水混凝土的强度；发挥多孔赤泥的水净化性能，为赤泥的处理提供一种新途径，达到净化径流污水、以废治废的效果。测试结果表明，本发明生态型赤泥透水混凝土路面材料具有较好的力学性能、透水性能，且对总悬浮物、总磷和重金属离子(Cu2+、Pb2+、Cd2+)净化十分显著，与普通透水混凝土相比，极大提升了对径流污染物的净化率。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
1)本发明生态型赤泥透水混凝土路面材料通过发挥多档骨料间的嵌挤密实作用和滤网效应协同提升透水混凝土的力学性能和净化性能；
2)本发明生态型赤泥透水混凝土路面材料通过发挥硅灰的微集料填充、火山灰效应显著提升透水混凝土的力学性能；
3)本发明生态型赤泥透水混凝土路面材料可以发挥物理吸附作用。赤泥利用较丰富的孔隙结构和较大的比表面积可以吸附总悬浮物等杂质。
4)本发明生态型赤泥透水混凝土路面材料也可以发挥化学吸附作用，赤泥可以通过表面络合吸附和化学沉淀等不同的化学吸附机理实现对径流污水的净化。
5)相对于普通透水混凝土，本发明赤泥透水混凝土对总悬浮物、总磷和重金属离子(Cu2+、Pb2+、Cd2+)的净化率显著提升。
附图说明
图1为本发明实施例1中赤泥透水混凝土与普通透水混凝土力学性能对比图。
图2为本发明实施例1中赤泥透水混凝土与普通透水混凝土透水性能对比图。
图3为本发明实施例1中赤泥透水混凝土与普通透水混凝土对污染物净化效果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。
实施例1
本实施例中所用原材料如下：
水泥：PⅡ52.5硅酸盐水泥，密度为3.13g/cm3；
赤泥：采用广西平果拜耳法生产的赤泥，密度为2.95g/cm3。赤泥主要矿物组成有方解石、赤铁矿、三水铝石等；
硅灰：S96级硅灰，粒径为2900～3200目，符合现行行业标准《砂浆和混凝土用硅灰》(GB/T 27690-2011)的规定；
水：城市自来水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)规定；
减水剂：HB-聚羧酸减水剂；
骨料：多档级配辉绿岩；
按水泥、赤泥和硅灰的质量比为79％:15％:6％，采用体积分数为30％的2.36～4.75mm粒径骨料、体积分数为55％的4.75～9.5mm粒径骨料、体积分数为15％的9.5～13.2mm粒径骨料合成级配，级配骨料与胶凝材料的质量比为1：0.312，水灰比为0.3，减水剂掺量为胶凝材料质量的0.3％，依据《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135-2009)制备赤泥透水混凝土，具体制备及应用步骤如下：
1)将赤泥在烘箱中于105℃烘干并采用研磨机研磨，经研磨后的赤泥颗粒粒径为1～75μm；
2)将全部骨料与50％的水搅拌30s，使骨料充分润湿；
3)在骨料中加入50％的水泥、硅灰、赤泥等胶凝材料，及30％的水、50％的减水剂，拌合60s；
4)再加入剩余的所有胶凝材料、20％的水、50％的减水剂，搅拌120s；
5)将拌合好的混合料采用人工插捣法分3层装在模具中，每装一层用捣棒从边缘向中心沿着同一方向插捣25次，最后用抹刀清除模具四周多余的混合料并填平表面；
6)成型后用薄膜覆盖在试件表面，放置于室内24h再进行脱模，脱模后移到标准养护室养护到28d龄期。
7)将径流污水透过混凝土试件，收集试件底部的滤液储存于采样瓶中，便于后面的水净化效果测试。
各污染物的配制试剂和检测方法如表1所示，根据对广州市地表径流污水的研究，配制总悬浮物浓度为0.1g/L、总磷浓度为1mg/L、各种重金属离子浓度为1.5mg/L。将配制好的径流污水1L透过边长为100mm的立方体透水混凝土试件，收集过滤后的滤液。利用净化前后的污染物浓度差，除以初始各污染物浓度，计算得到赤泥透水混凝土对各污染物的净化率。
表1污染物检测方法
依照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)测试透水混凝土试件28d抗压强度和抗折强度。
图1、图2、图3中的普通透水混凝土骨料采用单一级配骨料，其粒径骨料为4.75～9.5mm，胶凝材料中不含有赤泥和硅灰，仅仅含有水泥(PⅡ52.5硅酸盐水泥，密度为3.13g/cm3)，其余的均与实施例1相同。
由图1可以看出，普通透水混凝土的28d抗压强度和抗折强度分别为19.38MPa和3.32MPa，其强度未达到C20混凝土的要求；而赤泥透水混凝土的28d抗压强度和抗折强度分别为27MPa和4.76MPa，较普通透水混凝土分别提高了39.3％和43.4％，其强度达到C20混凝土的要求。多档骨料级配设计可增加透水混凝土内部骨料间接触点数量，增强骨料间的嵌挤作用，使得混凝土内部更加紧密，提升透水混凝土的强度；同时赤泥透水混凝土中硅灰发挥微集料效应、火山灰效应，促进水泥的二次水化，提升了透水混凝土的力学性能。
由图2可以看出，普通透水混凝土的透水系数为4.72mm/s，有效孔隙率为15.17％；赤泥透水混凝土的透水系数为4.23mm/s，有效孔隙率为12.76％，透水性能完全满足规范中透水系数不低于0.5mm/s的要求。
由图3可以看出，普通透水混凝土对总悬浮物、总磷和重金属Cu2+、Pb2+和Cd2+的净化率分别为：40.7％、28.65％、46.35％、53.06％和47.9％；赤泥透水混凝土对总悬浮物、总磷和重金属Cu2+、Pb2+和Cd2+的净化率分别为：71.6％、39.08％、71.31％、82.94％和68.5％，赤泥透水混凝土较普通透水混凝土对污染物净化率大幅提升。
对比可知，普通透水混凝土对总悬浮物净化率为40.7％，赤泥透水混凝土对总悬浮物净化率达到71.6％，提高了75.9％。赤泥透水混凝土主要利用赤泥颗粒多孔结构及较大的比表面积吸附总悬浮物，发挥了物理吸附作用；此外，多档骨料级配易形成滤网效应，一定程度上提升了赤泥透水混凝土的物理吸附作用。
对比可知，普通透水混凝土对总磷净化率较低，为28.65％；赤泥透水混凝土对总磷净化率为39.08％，提高了36.4％，赤泥透水混凝土主要利用赤泥中含有的Fe3+和Al3+与磷酸盐结合形成化学沉淀，达到净化总磷的效果。
对比可知，普通透水混凝土对重金属离子Cu2+、Pb2+和Cd2+的净化率分别为46.35％、53.06％和47.9％，赤泥透水混凝土对重金属离子Cu2+、Pb2+和Cd2+的净化率分别为71.31％、82.94％和68.5％，分别提高了53.9％、56.3％和43.0％。赤泥透水混凝土主要利用赤泥浸出液呈碱性产生氢氧根，氢氧根结合这些重金属离子形成化学沉淀，从而实现对重金属离子的去除。
综上，与普通透水混凝土相比，生态型赤泥透水混凝土具有较好的力学性能、透水性能，且对污染物净化率显著提升，其中对总悬浮物和重金属离子的净化效果尤为显著。
实施例2
本实施例中所用原材料与实施例1相同。
按水泥、赤泥和硅灰的质量比为80％:10％:10％，采用体积分数为30％的2.36～4.75mm粒径骨料、体积分数为55％的4.75～9.5mm粒径骨料、体积分数为15％的9.5～13.2mm粒径骨料合成级配，级配骨料与胶凝材料的质量比为1：0.312，水灰比为0.3，减水剂掺量为胶凝材料质量的0.3％，依据《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135-2009)制备赤泥透水混凝土，具体制备及应用步骤同实施例1。
此时制备的赤泥透水混凝土的28d抗压强度为22.1MPa，抗折强度为3.4MPa，分别较普通透水混凝土提升14.0％、2.4％，其强度达到C20混凝土的要求；其透水系数为5.33mm/s，有效孔隙率为15.17％，透水性能完全满足规范中透水系数不低于0.5mm/s的要求；对总悬浮物、总磷和重金属Cu2+、Pb2+和Cd2+的净化率分别为：59.3％、37.64％、68.35％、81.03％和59.19％，分别较普通透水混凝土提升45.7％、31.4％、47.5％、52.7％％、23.6％。
实施例3
本实施例中所用原材料与实施例1相同。
按水泥、赤泥和硅灰的质量比为72％:20％:8％，采用体积分数为30％的2.36～4.75mm粒径骨料、体积分数为55％的4.75～9.5mm粒径骨料、体积分数为15％的9.5～13.2mm粒径骨料合成级配，级配骨料与胶凝材料的质量比为1：0.312，水灰比为0.3，减水剂掺量为胶凝材料质量的0.3％，依据《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135-2009)制备赤泥透水混凝土，具体制备及应用步骤同实施例1。
此时制备的赤泥透水混凝土的28d抗压强度为22.8MPa，抗折强度为3.62MPa，分别较普通透水混凝土提升17.6％、9.0％，其强度达到C20混凝土的要求；其透水系数为4.96mm/s，有效孔隙率为14.18％，透水性能完全满足规范中透水系数不低于0.5mm/s的要求；对总悬浮物、总磷和重金属Cu2+、Pb2+和Cd2+的净化率分别为：73.5％、45.36％、78.92％、86.55％和80.61％，分别较普通透水混凝土提升80.6％、58.3％、70.3％、63.1％％、68.3％。可见，当赤泥掺量(占胶凝材料质量百分比)达到20％，在大幅度提升赤泥透水混凝土净化性能的同时，仍保证其具有良好的力学性能和透水性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料，其特征在于原材料包括级配骨料、胶凝材料、水和减水剂，所述的胶凝材料包括水泥、赤泥和硅灰，其中水泥、赤泥和硅灰的质量比为72：20：8；所述的级配骨料与胶凝材料的质量比为1：（0.25~0.35）；所述的水的用量满足水灰比为0.28~0.35；所述的减水剂的掺量为胶凝材料质量的0.1%~0.3%;
所述的级配骨料中，2.36~4.75mm粒径骨料体积分数为15~30%；4.75~9.5mm粒径骨料体积分数为50~70%；9.5~13.2mm粒径骨料体积分数为10%~25%。
2.根据权利要求1所述的生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料，其特征在于：
所述的级配骨料为级配辉绿岩。
3.根据权利要求1所述的生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料，其特征在于：
所述的赤泥为经机械研磨后的拜耳法赤泥，经研磨后的赤泥颗粒粒径为1~75μm；
所述的赤泥包括Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2。
4.根据权利要求1所述的生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料，其特征在于：
所述的硅灰中SiO2含量不低于95%，粒径为2900~3200目。
5.根据权利要求1所述的生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料，其特征在于：
所述的水泥为强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；
所述的减水剂为聚羧酸减水剂。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将赤泥烘干并采用研磨机研磨；
（2）将原料混合均匀，然后采用人工插捣法在模具中成型，成型之后用薄膜覆盖在试件表面，静置脱模，脱模后再移到标准养护室养护到相应的龄期。
7.根据权利要求6所述的生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料的制备方法，其特征在于：
步骤（1）中所述的烘干是指在105℃的烘箱中烘干；经研磨后的赤泥的粒径为1~75μm。
8.根据权利要求6所述的生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料的制备方法，其特征在于：
步骤（2）中所述的混合均匀是指先将全部骨料与30%~50%的水搅拌30s，使骨料充分润湿；再在骨料中加入30%~50%的胶凝材料，及20%~30%的水、30%~50%的减水剂，拌合60s；再加入剩余的所有胶凝材料、水和减水剂，搅拌120s；
步骤（2）中所述的在模具中成型是指采用人工插捣法在模具中成型，具体包括以下步骤：将拌合好的混合料采用人工插捣法分3层装在模具中，每装一层用捣棒从边缘向中心沿着同一方向插捣25次，最后用抹刀清除模具四周多余的混合料并填平表面；
步骤（2）中所述的静置是指静置一个到两个昼夜。
9.根据权利要求1-6任一项所述的生态型赤泥透水水泥混凝土路面材料的应用，其特征在于：将所述的透水混凝土路面材料铺设于道路上，对透过材料的道路径流污染物进行净化。
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