新型光催化再生集料透水混凝土的研究

潘宏，張偉，胡雷，徐亦冬

（浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100）

0　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的拆舊建新產(chǎn)生了大量的廢棄建筑材料，其中廢棄混凝土約占建筑垃圾的30%，除了極少數(shù)低層次被再生利用于路基基層等非承重結(jié)構(gòu)外，絕大部分被填埋或堆放，既污染環(huán)境，又浪費(fèi)資源。傳統(tǒng)路面混凝土材料缺乏吸收熱量和滲透雨水的能力，使雨水無法有效利用并對(duì)自然水體產(chǎn)生污染。使雨天行車易產(chǎn)生 “漂滑”、“飛濺”、“夜間眩光”等現(xiàn)象，還會(huì)增加城市的“熱島效應(yīng)”。

針對(duì)目前傳統(tǒng)混凝土路面的缺點(diǎn)，如何將廢棄混凝土進(jìn)行再生化處理，同時(shí)制備具有自凈和透水功能于一體的新型混凝土，成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

本文首先從光催化再生集料透水混凝土的三大組分入手，然后分析水膠比、集膠比、粉煤灰摻量和再生集料替換率等主要影響因素對(duì)其強(qiáng)度、透水系數(shù)、光催化效應(yīng)等基本性能的影響，采用四因素、三水平的正交設(shè)計(jì)方法分析得出最優(yōu)配合比，最后提出該領(lǐng)域尚待解決的一些關(guān)鍵性問題。

1　材料組分介紹

1.1　再生混凝土組分

再生混凝土利用技術(shù)是將廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級(jí)后，按一定的配比混合而成再生骨料，部分或全部代替天然骨料配制新混凝土的技術(shù)。經(jīng)過破碎、分級(jí)并按一定的比例摻和而成的骨料稱為再生骨料，再利用再生骨料配制后形成的混凝土，稱為再生骨料混凝土，簡稱再生混凝土。

1.2　透水混凝土組分

透水混凝土的透水特性是通過多孔混凝土組分體現(xiàn),多孔混凝土亦稱透水混凝土，它是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一種多孔輕質(zhì)混凝土,不含細(xì)骨料,由粗骨料表面包覆一薄層水泥漿相互粘結(jié)形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu),故具有透氣、透水和重量輕的特點(diǎn)。

1.3　光催化混凝土組分

光催化混凝土是混凝土負(fù)載二氧化鈦光催化劑，因而具有催化作用,可以對(duì)煤炭燃燒時(shí)產(chǎn)生的或由機(jī)動(dòng)車排放的二氧化硫、氮氧化物等對(duì)人體有害的污染氣體進(jìn)行分解,起到凈化空氣的作用，同時(shí)也能殺菌去污，具有良好的抗菌功能。

2　配合比設(shè)計(jì)

2.1　正交試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)法結(jié)合配合比設(shè)計(jì)的體積法進(jìn)行光催化再生集料透水混凝土的試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)際采用三水平四因素的正交設(shè)計(jì)表，共產(chǎn)生9組試驗(yàn)配合比方案，具體試驗(yàn)因素與水平如表1所示；由三水平四因素正交試驗(yàn)表得到的透水混凝土試驗(yàn)配比見表2。

表1　試驗(yàn)因素與水平表

表2　正交試驗(yàn)配比表

文章對(duì)光催化再生集料透水混凝土正交試驗(yàn)考察指標(biāo)有三：抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)以及光催化效應(yīng)。首先，將正交試驗(yàn)結(jié)果記錄見表3。在對(duì)抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)和有光催化效應(yīng)進(jìn)行效應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，綜合分析各因素和水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，給出因素和水平的最優(yōu)配合比組合。

表3　正交試驗(yàn)結(jié)果匯總

2.2　正交試驗(yàn)結(jié)果分析

采用極差分析方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析?？箟簭?qiáng)度、透水系數(shù)、光催化效應(yīng)的直觀分析試驗(yàn)結(jié)果如表4～6所示，方差分析試驗(yàn)結(jié)果如表7～9所示。

由表4和表5的極差直觀分析可知，在試驗(yàn)因素水平變化范圍內(nèi)，水膠比是對(duì)抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的主要影響因素，其次是粉煤灰摻量、集膠比和再生集料替換率；由表6的極差直觀分析可知，在試驗(yàn)因素水平變化范圍內(nèi)，再生集料替換率是對(duì)光催化效應(yīng)的主要影響因素，其次是水膠比、集膠比和粉煤灰摻量。

表4　抗壓強(qiáng)度直觀分析試驗(yàn)結(jié)果

表5　透水系數(shù)直觀分析試驗(yàn)結(jié)果

表6　光催化效應(yīng)直觀分析試驗(yàn)結(jié)果

表7　抗壓強(qiáng)度方差分析表

表8　透水系數(shù)方差分析表

綜合分析各因素和水平變化范圍對(duì)三種試驗(yàn)指標(biāo)的影響，最后選定了正交試驗(yàn)因素和水平的最優(yōu)組合，如表10所示。最優(yōu)水平組合下的光催化再生集料透水混凝土配合比如表11所示。由選定的最優(yōu)組合下進(jìn)行的試驗(yàn)，可得到強(qiáng)度在C25以上、光催化效率達(dá)到45%，透水水系數(shù)達(dá)到0.350 mm/s的光催化再生集料透水混凝土。

表9　光催化效應(yīng)方差分析表

表10　正交試驗(yàn)因素與水平的最優(yōu)組合表

表11　1 m3最優(yōu)水平組合下的配合比

3　光催化可再生集料透水混凝土有待解決的關(guān)鍵性問題

（1）由于光催化反應(yīng)中NOx氧化后生成的產(chǎn)物硝酸鹽吸附于混凝土材料的表面,故需要經(jīng)常加以清除,才能保證二氧化鈦的光催化效應(yīng)。雖利用材料多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)特性可以令雨水帶走部分殘余物，但如何防止透水混凝土空隙被堵塞仍有待解決。

（2）相對(duì)于普通混凝土，現(xiàn)階段對(duì)光催化再生集料透水混凝土耐久性研究成果明顯不足，對(duì)荷載與多重環(huán)境因素耦合作用下的力學(xué)與耐久性能研究尤其欠缺，而實(shí)際工程中路面必定是在疲勞荷載與地下水中的硫酸鹽侵蝕、凍融循環(huán)等環(huán)境的耦合作用下失效。研究在耦合作用下的性能演化規(guī)律，揭示失效機(jī)制，也是亟待解決的關(guān)鍵性問題。

4　結(jié)語

光催化可再生集料透水混凝土一方面可實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土的資源化利用，另一方面還可使新制備的路面材料具有透水與分解汽車尾氣的功能，從而同時(shí)解決廢棄混凝土處理與大氣污染物凈化兩大難題，并可用于海綿城市的建設(shè)當(dāng)中，具有優(yōu)異的環(huán)境效益和生態(tài)效益。對(duì)其配合比進(jìn)行三水平四因素的正交設(shè)計(jì)，由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在試驗(yàn)因素水平變化范圍內(nèi)，水膠比是對(duì)抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的主要影響因素，再生集料替換率是對(duì)光催化效應(yīng)的主要影響因素，并可得出光催化再生集料透水混凝土的最優(yōu)配合比。

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