本发明属于环保型道路材料领域，涉及透水混凝土，具体涉及一种能够净化路表水的人工骨料、透水混凝土及制备方法。
背景技术：
随着我国公路交通基础设施建设的快速发展以及城市化进程的加快，公路与城市道路网络密度进一步加密，虽然有力促进了经济社会的发展并提高了交通通达性，但给水资源和生态环境带来了极大的负面影响。由于汽车保有量的快速增长以及公路货运的急剧攀升，汽车尾气排放、轮胎和路面磨损、部件腐蚀、油脂渗漏以及除冰盐的使用等现象导致大量的悬浮颗粒物、重金属、营养盐和有机物等污染物在路面的积累。其中悬浮颗粒物SS主要来源于轮胎磨损颗粒、路面材料磨损颗粒、刹车连接装置磨耗产生的颗粒及大气降尘等；重金属中含量最多的是铅Pb和锌Zn，主要来源于机动车尾气排放；氮N和磷P营养物则主要来自于大气降尘和除冰盐等；有机物则主要来源于大气污染以及道路沿线农药的使用等。一旦产生降雨，这些污染物在路面雨水的冲刷作用下溶入路面径流，其中大部分污染物都将通过排水管网和边坡漫流等方式直接排放至地表水体和公路沿线的土壤中，造成水生态破坏以及周边土壤的污染。
同时，我国水资源人均占有量只有全球平均值的1/4，排在世界第121位，属于13个贫水国家之一。路表水污染更加剧了我国水资源短缺，直接威胁着饮用水的安全和人民的健康，并进一步威胁到了工业和农业的生产。因此当公路经过生活饮用水地表水源地一级保护区和二级保护区时，必须对路表雨水径流进行处治，使污染物控制指标符合国家《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)要求后方可排放。
随着生态文明建设的发展以及环保意识的提高，我国路面径流污染产生的危害已受到格外关注。目前，针对路面径流特点的污染控制措施主要可分为非工程措施和工程措施处治。其中，非工程措施主要有加强公路运输管理、清扫路面和限制除冰盐的使用等；工程措施主要有绿化植被控制、铺筑排水路面以及建设滞留池、氧化塘、渗透系统和人工湿地等配套设施等。虽然这些措施都取到了一定的效果，但非工程措施会大幅提高道路的养护管理费用，铺筑排水路面对路表水中重金属和有机污染物的净化吸附效果很有限，而建设滞留池等配套设施则一般会额外增加工程费用，给施工推广增加难度。因此，基于以上现状开发出一种具有路表水净化功能的路面材料，既能降低工程造价，又能降低养护维修成本，具有广阔的发展前景。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种能够净化路表水的人工骨料、透水混凝土，针对以上技术现状和路面径流污染防治过程中存在的问题，亟需开发一种具有优异的路表水污染物净化功能的路面材料，通过路面结构及材料的过滤和吸附作用对路面径流中的悬浮颗粒物、重金属和营养物等污染物质起到拦截的作用，从而达到净化效果。该材料的提出对于净化道路沿线地下水资源，保护生态环境具有重要意义。
本发明的目的在于提供一种能够净化路表水的人工骨料、透水混凝土的制备方法，该发明提供的人工骨料具有轻质高强的优异性能，并且其软化系数大于等于0.98，从而保证所制备透水混凝土的路用性能，兼顾透水与去污效果，经济环保，具有广阔的发展前景。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种能够净化路表水的人工骨料，包括以下原材料制成：稻壳灰，粉煤灰，石灰石粉，蒙脱土，白云母粉，碳纳米管，氧化石墨烯，二氧化钛，聚乙烯吡咯烷酮和水。
本发明还具有如下区别技术特征：
具体的，以重量分数计，由以下原材料制成：稻壳灰为20％～30％，粉煤灰为10％～15％，石灰石粉为5％～8％，蒙脱土为15％～20％，白云母粉为15％～20％，碳纳米管为0.8％～1.5％，氧化石墨烯为0.1％～0.5％，二氧化钛为0.5％～1.0％，聚乙烯吡咯烷酮为0.1～0.3％，余量为水，原料的重量百分数之和为100％。
优选的，以重量分数计，由以下原材料制成：稻壳灰为27％，粉煤灰为10％，石灰石粉为5％，蒙脱土为15％，白云母粉为18％，碳纳米管为1.5％，氧化石墨烯为0.1％，二氧化钛为0.8％，聚乙烯吡咯烷酮为0.3％，水为22.3％。
一种能够净化路表水的人工骨料的制备方法，该方法采用如上所述的能够净化路表水的人工骨料的配方，该方法具体包括以下步骤：
步骤一，按质量称取上述各原材料；
步骤二，将所称50％配方用量的水放入容器中，加入聚乙烯吡咯烷酮，采用磁力搅拌器搅拌2min，然后加入碳纳米管、氧化石墨烯和二氧化钛，继续磁力搅拌10min，得到均匀的分散水溶液A；
步骤三，将稻壳灰、粉煤灰、石灰石粉、蒙脱土和白云母粉依次加入到搅拌机中，开动搅拌机，先低速搅拌120s，然后高速搅拌120s；
其中在第60s～70s时，加入剩余50％配方用量的水，此次搅拌停止时，将搅拌叶上的混合物用洁净的刮刀刮下；
步骤四，将预先配制的分散水溶液A在10s内加入搅拌锅中，并继续低速搅拌60s，然后高速搅拌60s，搅拌完毕后即得到具有路表水净化功能的人工骨料基体材料B；
步骤五，将基体材料B放入成球机制备成粒径5～20mm的球形颗粒C；
步骤六，将球形颗粒C放入回转窑，首先在500～600℃下预热10min，再采用1300～1400℃条件烧结15～20min，完成后在5min内温度降低到1000～1100℃并保温20min，然后在10min内温度降低到500～600℃并保温20min，最后冷却至常温，即得到能够净化路表水的人工骨料。
一种能够净化路表水的透水混凝土，以重量分数计，由以下原材料制成：人工骨料为65％～70％，水泥为22％～23％，水为8％～12％，原料的重量分数之和为100％；
所述的人工骨料采用如上所述的够净化路表水的人工骨料。
优选的，以重量分数计，由以下原材料制成：人工骨料为65％，水泥为23％，水为12％。
一种能够净化路表水的透水混凝土的制备方法，其特征在于，该方法采用如上所述的能够净化路表水的透水混凝土的原料配方，具体过程为：将人工骨料和水泥干拌30s，然后加入水搅拌60s，即可得到能够净化路表水的透水混凝土。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明所采用的氧化石墨烯含有大量的羟基、羧基等活性功能基团，在粉煤灰、稻壳灰和白云母粉等成分熔化过程中能诱发模板效应和填充作用，对石英和莫来石等矿物相的形状有模板作用，形成叠层状、相互交叉的微晶体，并改善结构疏松和孔隙处的粘结，使其起到增加韧性的作用。其与二氧化钛的配合使用，使材料内部析晶成核数目逐渐增加，促进烧结过程中矿物晶体的生成，晶化后形成的晶相含量增加，晶体均匀致密，产品的致密程度逐渐增高，表现为化学稳定性能变好，硬度和强度得以提升。同时，由于碳纳米管的强度和韧性极高，其弹性模量与金刚石几乎相，所以氧化石墨烯和碳纳米管的加入，可以充分发挥其填充作用和对人工骨料矿物相的桥联作用，所以以上因素的综合作用使人工骨料的力学性能得以大幅提升。
(Ⅱ)本发明提供的人工骨料内部孔隙发达，孔隙直径基本大于40μm，骨架粗壮，利于悬浮颗粒物、重金属和营养物等污染物质的渗入，提高吸附效果。白云母粉和稻壳灰的掺入可减少粉煤灰玻璃体对人工骨料表面孔隙的堵塞。并且，所采用的氧化石墨烯具有很大的比表面积，其所含有的活性功能基团不仅提高了它的分散性，而且对于路表水中各种污染物起到吸附位点的作用。加之二氧化钛的催化降解作用可明显改善多孔骨料的离子交换、物理吸附和复分解沉淀作用吸附雨水中的重金属元素、有机污染物和N、P营养物。因此，所制备的人工骨料具有优异的吸附降解效果。
(Ⅲ)人工骨料的烧结过程中首先在500～600℃下预热10min，可防止原材料中有机物组分在烧结过程中的挥发、分解和燃烧，避免其对碳酸盐、硫酸盐等矿物成分分解反应的干扰，并保证铝硅酸盐矿物相的纯度；在1000℃～1100℃间采取较快的冷却速度，可以保证更多的矿物相生成，形成坚实的结构骨架，提高人工骨料的强度；在500℃～600℃间，采用较慢的冷却速度，可以防止六方柱状晶体晶型转变所引起的体积膨胀而导致骨料内外裂缝的增多，从而保证人工骨料的强度，并提高其表面光洁度。
(Ⅳ)采用本方法所制备的人工骨料具有优异的力学性能，其筒压强度大于7.5MPa，浸水后强度基本无损失，可保证透水混凝土路面足够的结构承载力。加之所制备人工骨料优异的吸附降解性能，所以所制备的透水混凝土不仅力学性能优良，而且对路表水净化效果突出。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
下述实施例中，各个原料的规格要求如下所述：
稻壳灰为黑色粉末，SiO2质量含量≥90％，比重为2.1～2.3，粒径为0～0.075mm。
粉煤灰为II级高钙灰，其CaO和MgO总的质量含量≥65％。
石灰石粉为白色粉末，粒径为0～0.075mm，CaCO3质量含量≥90％，MgO质量含量≤4％。
蒙脱土为钙基蒙脱土，白色粉末，其粒度为200目，Al2O3质量含量为16％～20％，SiO2质量含量为50％～55％，CaO质量含量为2％～5％。
白云母粉为浅黄色粉末，其粒度为300目，SiO2质量含量为45％～50％，K2O质量含量为9％～10％。
碳纳米管为黑色粉末状双壁碳纳米管，其纯度>60％，外径为2～4nm，内径为1～3nm，长度为40～50μm，-OH质量含量为2.9％～3.1％。
氧化石墨烯为琥珀色粉末，其纯度>97wt％，厚度0.55～2.0nm，直径3～10μm，层数：<5层。
二氧化钛为白色粉末，高纯锐钛型纳米二氧化钛，其纯度>97wt％，平均粒径为10nm，水悬浮液pH值为6.0～9.0。
聚乙烯吡咯烷酮为乳白色粉末，其K值为27～32，固含量为≥95％，pH值为3～5。
水泥为42.5强度等级的普通硅酸盐水泥。
水为普通饮用水。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种能够净化路表水的人工骨料，以重量分数计，由以下原材料制成：稻壳灰为20％，粉煤灰为15％，石灰石粉为8％，蒙脱土为20％，白云母粉为20％，碳纳米管为1.0％，氧化石墨烯为0.2％，二氧化钛为0.5％，聚乙烯吡咯烷酮为0.2％，水为15.1％。
本实施例的能够净化路表水的人工骨料的制备方法包括以下步骤：
步骤一，按质量称取上述各原材料；
步骤二，将所称50％配方用量的水放入容器中，加入聚乙烯吡咯烷酮，采用磁力搅拌器搅拌2min，然后加入碳纳米管、氧化石墨烯和二氧化钛，继续磁力搅拌10min，得到均匀的分散水溶液A。
步骤三，将稻壳灰、粉煤灰、石灰石粉、蒙脱土和白云母粉依次加入到搅拌机中，开动搅拌机，先低速搅拌120s，然后高速搅拌120s；
其中在第60s～70s时，加入剩余50％配方用量的水，此次搅拌停止时，将搅拌叶上的混合物用洁净的刮刀刮下。
步骤四，将预先配制的分散水溶液A在10s内加入搅拌锅中，并继续低速搅拌60s，然后高速搅拌60s，搅拌完毕后即得到具有路表水净化功能的人工骨料基体材料B。
步骤五，将基体材料B放入成球机制备成粒径5～20mm的球形颗粒C。
步骤六，将球形颗粒C放入回转窑，首先在500～600℃下预热10min，再采用1300～1400℃条件烧结15～20min，完成后在5min内温度降低到1000～1100℃并保温20min，然后在10min内温度降低到500～600℃并保温20min，最后冷却至常温，即得到能够净化路表水的人工骨料。
本实施例的性能测试结果见表1。
实施例2：
本实施例给出一种能够净化路表水的人工骨料，以重量分数计，由以下原材料制成：稻壳灰为27％，粉煤灰为10％，石灰石粉为5％，蒙脱土为15％，白云母粉为18％，碳纳米管为1.5％，氧化石墨烯为0.1％，二氧化钛为0.8％，聚乙烯吡咯烷酮为0.3％，水为22.3％。
本实施例的能够净化路表水的人工骨料的制备方法与实施例1相同。
本实施例的性能测试结果见表1。
实施例3：
本实施例给出一种能够净化路表水的人工骨料，以重量分数计，由以下原材料制成：稻壳灰为30％，粉煤灰为12％，石灰石粉为6％，蒙脱土为18％，白云母粉为15％，碳纳米管为0.8％，氧化石墨烯为0.5％，二氧化钛为1.0％，聚乙烯吡咯烷酮为0.1％，水为16.6％。
本实施例的能够净化路表水的人工骨料的制备方法与实施例1相同。
本实施例的性能测试结果见表1。
对比例1：
本对比例给出一种人工骨料，所述的人工骨料为高强陶粒，所选用高强陶粒的粒径为5～20mm，连续级配。
本对比例具体的性能测试结果参见表1。
对比例2：
本对比例给出一种天然骨料，所述的天然骨料为石灰岩碎石，所选用石灰岩碎石的粒径为5～20mm，连续级配。
本对比例的制备方法同实施例1。
本对比例具体的性能测试结果参见表1。
实施例4：
本实施例给出一种能够净化路表水的透水混凝土，以重量分数计，由以下原材料制成：人工骨料为67％，水泥为22％，水为11％；
所述的人工骨料采用实施例1中所述的能够净化路表水的人工骨料。
本实施例的能够净化路表水的透水混凝土的制备方法为：将人工骨料和水泥干拌30s，然后加入水搅拌60s，即可得到能够净化路表水的透水混凝土。
本实施例具体的性能测试结果参见表2。
实施例5：
本实施例给出一种能够净化路表水的透水混凝土，以重量分数计，由以下原材料制成：人工骨料为65％，水泥为23％，水为12％；
所述的人工骨料采用实施例2中所述的能够净化路表水的人工骨料。
本实施例的能够净化路表水的透水混凝土的制备方法与实施例4相同。
本实施例具体的性能测试结果参见表2。
实施例6：
本实施例给出一种能够净化路表水的透水混凝土，以重量分数计，由以下原材料制成：人工骨料为70％，水泥为22％，水为8％；
所述的人工骨料采用实施例3中所述的能够净化路表水的人工骨料。
本实施例的能够净化路表水的透水混凝土的制备方法与实施例4相同。
本实施例具体的性能测试结果参见表2。
对比例3：
本对比例给出一种透水混凝土，以重量分数计，由以下原材料组成：高强陶粒67％，水泥22％，水11％。
所选用高强陶粒的粒径为5～20mm，连续级配。
本对比例的制备方法同实施例4。
本对比例具体的性能测试结果参见表2。
对比例4：
本对比例给出一种透水混凝土，以重量分数计，由以下原材料组成：石灰岩碎石70％，水泥22％，水8％。
所选用石灰岩碎石的粒径为5～20mm，连续级配。
本对比例的制备方法同实施例4。
本对比例具体的性能测试结果参见表2。
性能测试：
透水混凝土制备好后浇筑成型150mm的立方体试块，然后标准养护至28d龄期。
参照GB/T 17431.2-2010和JTG E30-2005相应标准的要求，分别测试所制备人工骨料的堆积密度，筒压强度和软化系数，以及透水混凝土的抗压强度和透水混凝土的有效空隙率，并采用等离子体原子发射光谱法和重铬酸钾法分析透水混凝土的污水净化吸附效果。所采用的试验水样为根据路面径流污染物成分和数量由硝酸铅、六水合硝酸锌和干叶提取物等在室内配制而成。将各实施例和对比例的测试结果汇总于表1和表2。
表1骨料性能测试结果
表2透水混凝土性能测试结果
从表1可以看出，虽然实施例1～实施例3的堆积密度只比对比例1高一个等级，但其筒压强度和软化系数均远高于对比例1，说明本发明具有优异的力学性能和强度保持能力。并且实施例1～实施例3对雨水的净化吸附效果要远高于对比例1和对比例2。
从表2可以看出，虽然实施例4～实施例6的抗压强度要小于对比例4(普通透水混凝土)，但其远高于对比例3，并且其有效空隙率与对比例3和对比例4相差很小，说明具有足够的路面结构承载力和透水性能，能迅速排除路表径流。并且实施例4～实施例6的Pb去除率、Zn去除率和COD去除率指标远远高于对比例3和对比例4，说明采用本发明提供的人工骨料所制备的透水混凝土对路表水具有优异的净化效果。
综合以上结果可以看出，本发明所制备的人工骨料和透水混凝土不仅力学性能优良，而且能有效去除路表径流中的污染物，可大幅缓解路面径流排水污染问题，具有良好的社会效益，发展前景广阔。