凈水功能型透水混凝土的組成設(shè)計研究

賈軍紅，余 越，郭育光，牛子?xùn)|

(1.湖北聯(lián)投鄂咸投資有限公司，鄂州 436000；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，武漢 430000；3.河南大固建筑工程有限公司，鄭州 450000；4.中建西部建設(shè)西南有限公司，南寧 530000)

0 引 言

透水混凝土作為建設(shè)“海綿城市”的關(guān)鍵材料，具有特殊的連通孔結(jié)構(gòu)，雨水可以通過內(nèi)部連通的孔隙流走，而不會在路面形成有害水膜和徑流，起到補充地下水的作用[1-2]。近年來眾多研究者發(fā)現(xiàn)地表徑流中含有較高濃度的Zn、Cu、Cd和Pb等重金屬離子，這些重金屬離子具有很強的遷移性和毒性，如果直接排放到水生環(huán)境中或者補充到地下水中，可能會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅[3-4]。作為一種生態(tài)環(huán)保型的多孔混凝土，雨水經(jīng)過透水混凝土下滲時，由于其巨大的比表面積和多孔特性，能起到凈化雨水的作用[5]。

透水混凝土是由粗骨料表面包裹一層漿體相互黏結(jié)而成，雨水經(jīng)過透水混凝土孔隙下滲時，主要接觸孔內(nèi)壁的漿體，從而完成透水混凝土對雨水的凈化。Sansalone等[6]的研究表明透水混凝土對雨水徑流中重金屬離子等有害物質(zhì)的吸附作用主要來自孔壁上的漿體層。可見，透水混凝土漿體的吸附特性顯著影響透水混凝土的凈水性能。此外，進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，雨水與透水混凝土的接觸時間與接觸面積同樣也會影響其對雨水的凈化性能，而孔隙率和漿集比(P/A)等體積結(jié)構(gòu)參數(shù)則是決定接觸時間和接觸面積的關(guān)鍵因素。因此，影響透水混凝土凈水性能的關(guān)鍵因素主要為漿體自身的吸附特性，以及孔隙率和漿集比等體積結(jié)構(gòu)參數(shù)。

在漿體特性方面，相關(guān)研究表明，地聚合物材料因具有較好的強度性能，可用于協(xié)調(diào)透水混凝土的強度和透水性之間的矛盾，因而逐漸被用作膠凝材料來制備透水混凝土[7-9]。地聚合物因具有類似沸石的籠狀結(jié)構(gòu)，使其對水中的重金屬離子等污染物質(zhì)具有良好的吸附特性[10-11]，但雨水通過透水混凝土?xí)r間過短，使得其吸附效率并不高，難以實現(xiàn)透水混凝土的凈水功能。同時，地聚合物抗折強度低、脆性大、韌性差等明顯缺陷，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。因此，針對上述問題有必要對地聚合物進行改性，以提升其吸附效能，改善其韌性。

當(dāng)前有關(guān)體積結(jié)構(gòu)參數(shù)對透水混凝土性能影響的研究，主要集中于其力學(xué)性能與透水性能的影響方面，對于凈水性能的影響研究較少。在漿集比的影響方面，Xie等[12]、Torres等[13]的研究均認為，隨著漿集比的提高，透水混凝土漿體包裹層厚度增大，透水混凝土強度提高，而孔隙率、透水系數(shù)則呈下降趨勢。在孔隙率方面，大量研究均表明，孔隙率與透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能具有較強的相關(guān)性，且隨著孔隙率的增加，透水混凝土的力學(xué)性能呈逐漸降低趨勢，其透水系數(shù)呈逐漸上升趨勢[14]。事實上，在膠凝材料漿體吸附特性一定的情況下，體積結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會直接影響透水混凝土對重金屬離子等有害物質(zhì)的吸附特性，進而影響其凈水性能。劉栓等[15]研究認為，隨著孔隙率的提高，透水混凝土對重金屬離子等有害物質(zhì)的吸附作用逐漸增強，其凈水效果明顯提升；而Muthu等[16]則通過研究認為孔隙率越小，孔隙通道越曲折，水流通過時間越長，透水混凝土對有害物質(zhì)的去除率越大，凈水效果越好。上述研究發(fā)現(xiàn)孔隙率和漿集比等體積結(jié)構(gòu)參數(shù)對透水混凝土力學(xué)性能、透水性能及凈水性能的影響規(guī)律各不相同。因此，如何協(xié)調(diào)透水混凝土上述性能之間的相關(guān)關(guān)系，是設(shè)計凈水功能型透水混凝土的關(guān)鍵。

采用殼聚糖改性地聚合物，在顯著提升其吸附效能的基礎(chǔ)上，增韌改性其力學(xué)性能，通過試驗得出合適的殼聚糖摻量、堿激發(fā)劑模數(shù)與堿當(dāng)量等關(guān)鍵參數(shù)?；诖?，以上述殼聚糖改性地聚合物為透水混凝土膠凝材料漿體，進一步研究漿集比、骨料堆積孔隙率等體積結(jié)構(gòu)參數(shù)對透水混凝土力學(xué)性能、透水性能以及凈水性能的影響規(guī)律，并探討上述性能之間的相互關(guān)系，進而優(yōu)化體積結(jié)構(gòu)參數(shù)，制得凈水功能型地聚合物透水混凝土。

1 實 驗

1.1 原料與配合比

采用河南省鞏義市優(yōu)星礦產(chǎn)產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的偏高嶺土作為生產(chǎn)地聚合物的硅鋁質(zhì)原料，其主要化學(xué)成分如表1所示；殼聚糖為山東陸海藍圣生物科技股份有限公司生產(chǎn)的由幾丁質(zhì)經(jīng)過脫乙酰得到的食品級殼聚糖粉末；堿激發(fā)劑采用NaOH(分析純，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司)與水玻璃(模數(shù)為3.0，Na2SiO3質(zhì)量分數(shù)為38%，購自鄭州祥之達化工有限公司)；重金屬離子溶液采用去離子水和氯化鉛(分析純，購自上海市四赫維化工有限公司，PbCl2質(zhì)量分數(shù)≥99.0%)進行配制，并采用HNO3(實驗室用質(zhì)量分數(shù)63%的濃HNO3，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司)調(diào)節(jié)其pH值。兩種粒徑的石灰石，粒徑分別為0～2.36 mm和4.75～9.50 mm，相對密度為2.74，表觀密度為2 625.7 kg/m3，堆積密度為1 545 kg/m3，在飽和面干條件下用于制備透水混凝土。

表1 偏高嶺土的主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical composition of metakaolin

殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體的配合比如表2所示，固定水灰比為0.5，偏高嶺土用量為450 g，每組試驗使用1 350 g標(biāo)準(zhǔn)砂。其中S0組為對照組，殼聚糖摻量為0%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，堿激發(fā)劑模數(shù)和堿當(dāng)量(質(zhì)量分數(shù)，下同)分別為1.6和10%。A1～A4主要用來研究殼聚糖摻量對偏高嶺土基地聚合物力學(xué)性能的影響，固定堿激發(fā)劑的模數(shù)為1.6，堿當(dāng)量為10%，調(diào)整殼聚糖摻量是偏高嶺土質(zhì)量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%[17]，根據(jù)A1～A4試樣力學(xué)性能測試，得出最佳的殼聚糖摻量為1.0%。B1～B4主要用來研究堿激發(fā)劑模數(shù)對殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物力學(xué)性能的影響，固定堿激發(fā)劑的堿當(dāng)量為10%，殼聚糖摻量為1.0%，調(diào)整堿激發(fā)劑模數(shù)分別為0.8、1.2、1.6、2.0[18-21]。C1～C4主要用來研究堿激發(fā)劑的堿當(dāng)量對殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物力學(xué)性能的影響，固定殼聚糖摻量為1.0%，堿激發(fā)劑的模數(shù)為1.6，調(diào)整堿激發(fā)劑的堿當(dāng)量分別為6%、8%、10%、12%[15,18]。

表2 殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物配合比Table 2 Mix proportions of chitosan modified metakaolin-based geopolymer

在表2所優(yōu)選漿體的配合比中加入0～2.36 mm和4.75～9.50 mm粒徑的石灰石碎石，設(shè)計0.30、0.25、0.20、0.15四種漿集比(質(zhì)量比，下同)，分別用a、b、c、d表示；設(shè)計43%、40%、35%、30%、25%五種骨料堆積孔隙率，分別用序號1、2、3、4、5表示，透水混凝土配合比如表3所示。

表3 透水混凝土配合比Table 3 Mix proportions of pervious concrete

1.2 試樣制備

制備殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體前，準(zhǔn)確稱取一定量的NaOH和Na2SiO3，以及殼聚糖加入燒杯中，用玻璃棒攪拌使其混合均勻，冷卻至室溫，用塑料薄膜密封備用。將稱量好的偏高嶺土粉加入攪拌鍋中，經(jīng)攪拌機攪拌30 s后，加入標(biāo)準(zhǔn)砂繼續(xù)攪拌30 s，使其均勻混合，然后將之前稱量好的堿激發(fā)劑一并倒入攪拌鍋中，攪拌2 min，最后將其倒入40 mm×40 mm×160 mm的長方體試模中，靜置24 h后脫模。脫模后試件放在相對濕度≥90%的養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行力學(xué)性能和吸附性能測試。

制備凈水功能型偏高嶺土基透水混凝土前，按之前優(yōu)選的漿體配合比，準(zhǔn)確稱取一定量的NaOH和Na2SiO3，以及殼聚糖加入燒杯中，用玻璃棒攪拌使其混合均勻，并冷卻至室溫，用塑料薄膜密封備用。將稱量好的偏高嶺土粉和骨料加入攪拌鍋中，經(jīng)攪拌機攪拌30 s使其均勻混合，將之前稱量好的堿激發(fā)劑一并倒入攪拌鍋中，攪拌2 min，之后將其倒入100 mm×100 mm×100 mm的立方體試模中，采用標(biāo)準(zhǔn)搗固棒和振動臺成型后，立即用塑料薄膜覆蓋表面，在常溫下繼續(xù)養(yǎng)護24 h后脫模。脫模后試件放在相對濕度≥90%的養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護至27 d后進行力學(xué)性能、透水性能以及凈水性能測試。

1.3 試驗方法

1.3.1 力學(xué)性能

依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50081—2019)的測試方法，對殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體進行1 d、3 d、7 d、28 d抗折強度和抗壓強度測試，對透水混凝土塊進行28 d抗壓強度測試。每組測試3個樣品，計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.3.2 孔隙率

根據(jù)《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(DB/11T 775—2010)中孔隙率的測試方法，對透水混凝土的孔隙率進行測試。

具體試驗步驟如下：將試塊放入105 ℃左右的烘箱中烘至恒重后，取出冷卻至室溫，用卡尺量出試塊的尺寸，并計算出試塊的體積V；將試塊完全浸沒在水中，浸泡時間約12 h，待無氣泡出現(xiàn)時稱取試塊在水中的質(zhì)量m0；取出試塊，然后放入烘箱中，烘箱溫度為 60 ℃，時間為24 h，最后稱取試塊的質(zhì)量m1；按照式(1)計算試件的孔隙率P。

(1)

1.3.3 透水系數(shù)

根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)中透水系數(shù)的測試方法，選擇常水頭法測試透水系數(shù)，具體步驟為:將已成型的試塊側(cè)面進行表面裹蠟處理，再將試塊放入裝置中，測量在t時間段中溢出的水量Q，依據(jù)式(2)計算試件的透水系數(shù)K。

(2)

式中：K為試塊的透水系數(shù),mm/s；L為測試試件的厚度,mm；H為測試模具中的水位差,mm；Q為測試過程中在時間t內(nèi)溢出的水量,mL；A為測試試塊的橫截面,mm2。

1.3.4 漿體吸附性能

用漿體對Pb2+的吸附率來表征其對重金屬離子等有害物質(zhì)的吸附性能。首先配制200 mL濃度為278 mg/L的重金屬Pb2+溶液[17]，然后將制備好的漿體用瑪瑙研缽磨細至通過0.075 mm方孔篩，取上述3 g粉末加到200 mL配制好的重金屬Pb2+溶液中。為了模擬酸雨，并避免堿性環(huán)境下重金屬離子沉淀的影響，使用硝酸將溶液pH值校正在5左右。靜置3 h后，提取并過濾上清液，約3 mL，使用GBC AVANTA M型原子吸收光譜儀(AAS)進行測試，依據(jù)式(3)計算得到漿體粉末的吸附量。

(3)

式中：Qe為漿體吸附量,mg/g；α0為原始Pb2+濃度,mg/L；α1為通過樣品后Pb2+濃度,mg/L；m為地聚合物漿體粉末質(zhì)量,g；v為重金屬離子溶液體積,mL。

1.3.5 透水混凝土吸附性能

配制2 000 mL濃度為278 mg/L的重金屬Pb2+溶液，并用硝酸將溶液pH值校正在5左右。將透水混凝土試件四周抹上密封材料后，放入如圖1所示的裝置(注意：在密封試件時，應(yīng)避免將密封材料涂抹在試件上下表面，否則易造成堵塞)中。等密封材料固化后，在裝置上部注入重金屬離子溶液，蓋上裝置蓋，使其密封。重金屬Pb2+溶液通過透水混凝土試件下滲，循環(huán)50次后[22]，過濾，提取3 mL重金屬Pb2+溶液，使用AAS進行測試，依據(jù)式(4)得出透水混凝土的凈水性能。

(4)

式中：Qr為Pb2+去除率，%；α0為原始Pb2+濃度，mg/L；α1為通過樣品后Pb2+濃度，mg/L。

圖1 透水混凝土凈水測試裝置Fig.1 Pervious concrete water purification test device

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體的設(shè)計研究

2.1.1 殼聚糖摻量對漿體性能的影響

圖2為不同殼聚糖摻量(0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)對殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體各齡期(1 d、3 d、7 d、28 d)力學(xué)性能和吸附性能的影響。分析圖2(a)和圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，隨著殼聚糖摻量由0%增加至2.0%，偏高嶺土基地聚合物漿體的各齡期抗折、抗壓強度均呈先提高后降低的趨勢。其中, 當(dāng)殼聚糖摻量為1.0%時，偏高嶺土基地聚合物漿體力學(xué)性能最佳，且28 d抗折強度和抗壓強度分別較空白組提高了33.3%和15.5%?？梢?，殼聚糖的摻入對偏高嶺土基地聚合物漿體的強度發(fā)展有良好的促進作用，起到了較好的增韌效果。這是因為：一方面，殼聚糖長鏈分子與地聚合物基體進行了交聯(lián)，共同形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得地聚合物結(jié)構(gòu)的結(jié)合度提高，韌性提高；另一方面，殼聚糖也能填充地聚合物孔隙，形成更加密實的地聚合物結(jié)構(gòu)，從而提升強度。而當(dāng)繼續(xù)提高殼聚糖摻量時，偏高嶺土基地聚合物漿體的抗折強度和抗壓強度同時出現(xiàn)下降的趨勢，這是因為過多的殼聚糖會與地聚合物出現(xiàn)兩相不相容的問題。另外，殼聚糖摻量過高時，殼聚糖顆粒會對偏高嶺土顆粒進行包裹，阻礙這些顆粒的進一步溶解和縮聚，導(dǎo)致抗折強度和抗壓強度均下降[18]。

材料的折壓比(F/C)可以在一定程度上表征其韌性，分析圖2(c)可以發(fā)現(xiàn)，隨著殼聚糖摻量的提高，偏高嶺土基地聚合物漿體各個齡期的折壓比均呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)殼聚糖摻量為1.0%時，各個齡期的折壓比均達到了最大值，其中，養(yǎng)護齡期為1 d時，1.0%殼聚糖摻量下的偏高嶺土基地聚合物漿體的折壓比相對于空白組提高了15.5%，原因在于殼聚糖與地聚合物反應(yīng)形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使地聚合物界面黏附力和表面能增加，抑制了裂縫的產(chǎn)生和擴展，從而改善了偏高嶺土基地聚合物漿體的彎曲韌性[18]。

分析圖2(d)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不摻殼聚糖時，偏高嶺土基地聚合物漿體對Pb2+的吸附量為80 mg/g，摻入殼聚糖后，偏高嶺土基地聚合物漿體對Pb2+的吸附量明顯增加，且隨著殼聚糖摻量的增加，偏高嶺土基地聚合物漿體對Pb2+的吸附量也有所增加，當(dāng)殼聚糖摻量為2.0%時，偏高嶺土基地聚合物漿體對Pb2+的吸附量達到99 mg/g，與空白組相比提高了23.75%。原因在于殼聚糖是一種分子骨架上含有大量—NH2和—OH的有機高分子聚合物，能與大部分的重金屬離子發(fā)生螯合作用，具有較強的吸附性，被廣泛應(yīng)用于對有害重金屬離子的吸附[10]。

基于偏高嶺土基地聚合物漿體的力學(xué)性能和吸附性能考慮，合適的殼聚糖摻量為1.0%。

2.1.2 堿激發(fā)劑模數(shù)對漿體性能的影響

圖3為不同的堿激發(fā)劑模數(shù)(0.8、1.2、1.6、2.0)對殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體各齡期(1 d、3 d、7 d、28 d)力學(xué)性能和吸附性能的影響。分析圖3(a)和圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，隨著堿激發(fā)劑模數(shù)由0.8提高至2.0，殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體的各齡期抗折、抗壓強度均呈先提高后降低的趨勢，當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1.6時，殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體的各齡期力學(xué)性能均達到最大值，其28 d抗折強度和抗壓強度較空白組分別提高了117%和185%。這主要是與堿激發(fā)劑模數(shù)較低時，模數(shù)的增加導(dǎo)致體系中有更多硅離子，提高了地聚合程度，形成了更緊密的富硅凝膠相。而當(dāng)模數(shù)繼續(xù)增加至2.0時，過多的硅酸鈉影響了硅鋁質(zhì)原料的溶解，從而使殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物內(nèi)部大孔隙數(shù)量增多，導(dǎo)致強度下降，這與Soutsos等[19]的研究結(jié)果一致。

圖3 堿激發(fā)劑模數(shù)對漿體性能的影響Fig.3 Effect of alkali activator modulus on properties of paste

基于偏高嶺土基地聚合物漿體的力學(xué)性能和吸附性能考慮，合適的堿激發(fā)劑模數(shù)為1.6。

2.1.3 堿激發(fā)劑堿當(dāng)量對漿體性能的影響

圖4為不同堿激發(fā)劑堿當(dāng)量(6%、8%、10%、12%)對殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體各齡期(1 d、3 d、7 d、28 d)力學(xué)性能和吸附性能的影響。分析圖4(a)和圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，隨著堿當(dāng)量從6%增加到12%，殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物的各齡期抗折、抗壓強度同樣也呈先提高后降低的趨勢。在堿當(dāng)量為10%時，殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物28 d的抗折強度和抗壓強度達到最大值，分別為11.6 MPa和67.2 MPa，較堿當(dāng)量為6%時分別提高了35.70%和211.00%。這是由于隨著堿激發(fā)劑堿當(dāng)量的增加，Na2O含量也有所增加，非晶態(tài)二氧化硅和氧化鋁的溶解度也逐漸增加，體系中更多硅、鋁離子參與地聚合物的合成反應(yīng)，從而形成更多的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加了其強度。當(dāng)堿當(dāng)量繼續(xù)增加，殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體的抗折和抗壓強度均下降，這是因為堿當(dāng)量過大，使體系中出現(xiàn)過多的氫氧根離子和堿金屬離子，過多的氫氧根離子易使硅酸鹽產(chǎn)物在早期形成沉淀[22]，而過多的堿金屬離子影響殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物結(jié)構(gòu)的電負性，阻礙殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物結(jié)構(gòu)的形成。Sukmak等[9]的研究也表明，隨著堿激發(fā)劑堿當(dāng)量的增加，地聚合物漿體的力學(xué)性能呈先提高后降低的趨勢，一般認為合適的堿激發(fā)劑堿當(dāng)量在8%左右。

分析圖4(c)發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)劑堿當(dāng)量對殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體吸附Pb2+能力的影響規(guī)律與堿激發(fā)劑模數(shù)的類似，當(dāng)堿激發(fā)劑堿當(dāng)量為10%時，吸附量最大，較堿當(dāng)量為6%時的吸附量增加了66.01%。這是因為在地聚合反應(yīng)過程中，堿的作用主要是控制硅、鋁離子的浸出過程[23]。當(dāng)堿當(dāng)量過低時，隨著堿當(dāng)量的增加，大量硅鋁質(zhì)原料迅速溶解，反應(yīng)的前驅(qū)體數(shù)量逐漸增多。因此，更多的前驅(qū)體參與了地聚合反應(yīng)，使生成的地聚合物凝膠數(shù)量增多。繼續(xù)提高堿當(dāng)量，過量的堿會使地聚合物前驅(qū)體出現(xiàn)沉淀，阻礙硅鋁質(zhì)原料的進一步溶解，不利于地聚合反應(yīng)的進行[23]，從而使生成的地聚合物凝膠數(shù)量較少，殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體的吸附量降低。

圖4 堿激發(fā)劑堿當(dāng)量對漿體性能的影響Fig.4 Effect of concentration of alkali activator on properties of paste

基于偏高嶺土基地聚合物漿體的力學(xué)性能和吸附性能考慮，合適的堿激發(fā)劑堿當(dāng)量為10%。

綜上所述，最佳殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體配合比為，殼聚糖摻量為1.0%，堿激發(fā)劑模數(shù)與堿當(dāng)量分別為1.6和10%。

2.2 體積結(jié)構(gòu)參數(shù)對透水混凝土性能的影響研究

2.2.1 力學(xué)性能

圖5為漿集比分別為0.15、0.20、0.25、0.30，以及骨料堆積孔隙率分別為43%、40%、35%、30%、25%時，透水混凝土的28 d抗壓強度。分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)骨料堆積孔隙率一定時，隨著漿集比的增加，透水混凝土的抗壓強度呈增加趨勢。如骨料堆積孔隙率固定為25%時，漿集比由0.15變?yōu)?.30，抗壓強度從8.6 MPa增大到26.4 MPa，接近于原來的3倍。這是因為骨料堆積孔隙率一定時，隨著漿集比的增大，漿體含量增多，富余的漿體填充更多孔隙，使得整體結(jié)構(gòu)變得更緊密。同時骨料與骨料間接觸面積增大，黏結(jié)強度增大，因而抗壓強度也急劇增大。當(dāng)漿集比一定時，隨著骨料堆積孔隙率的增大，透水混凝土的抗壓強度則呈現(xiàn)降低的趨勢。如漿集比固定為0.25時，骨料堆積空隙率由25%增加至43%，抗壓強度從22.5 MPa縮小至10.1 MPa。這是因為漿集比一定時，隨著骨料堆積孔隙率增大，骨料顆粒間的接觸面積減小或接觸點數(shù)目減少，且面接觸逐漸變?yōu)辄c接觸，黏結(jié)強度降低，抗壓強度減小，這與Joshaghani等[24]的研究結(jié)果一致。

圖5 透水混凝土的28 d抗壓強度Fig.5 28 d compressive strength of pervious concrete

2.2.2 透水性能

圖6、圖7為漿集比分別為0.15、0.20、0.25、0.30，以及骨料堆積孔隙率分別為43%、40%、35%、30%、25%時，透水混凝土的連通孔隙率與透水系數(shù)。分析圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)骨料堆積孔隙率一定時，隨著漿集比的增加，透水混凝土的連通孔隙率逐漸降低，其透水系數(shù)也呈下降趨勢。如骨料堆積孔隙率為25%時，漿集比由0.15變?yōu)?.30，連通孔隙率從21.26%減小到14.36%，透水系數(shù)從0.71 cm/s減小到0.43 cm/s。這是因為骨料堆積孔隙一定時，隨著漿集比的增大，漿體含量增多，富余的漿體填充更多孔隙，導(dǎo)致漿體連通孔隙率減小，進而透水系數(shù)也減小。當(dāng)漿集比一定時，隨著骨料堆積孔隙率增加，透水混凝土的連通孔隙率逐漸增加，其透水系數(shù)也呈增加的趨勢。如漿集比固定為0.25時，骨料堆積孔隙率由25%變?yōu)?3%，連通孔隙率從17.48%增大到33.53%，透水系數(shù)從0.45 cm/s增大到1.25 cm/s。這是因為漿集比一定時，隨著骨料堆積孔隙率增大，連通孔隙率增大，進而透水系數(shù)也增大，這與Neithalath等[25]的研究結(jié)果相一致。

圖6 透水混凝土的連通孔隙率Fig.6 Connected porosity of pervious concrete

圖7 透水混凝土透水系數(shù)Fig.7 Permeability coefficient of pervious concrete

2.2.3 凈水性能

圖8為漿集比分別為0.15、0.20、0.25、0.30，以及骨料堆積孔隙率分別為43%、40%、35%、30%、25%時，透水混凝土對重金屬Pb2+的去除率(即凈水性能)。分析圖8可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)骨料堆積孔隙率一定時，隨著漿集比的增加，溶液中剩余的重金屬Pb2+濃度逐漸減小，溶液中的重金屬Pb2+去除率增大。如骨料堆積孔隙率為25%時，漿集比由0.15變?yōu)?.30，溶液中的重金屬Pb2+去除率從89.61%增大到98.05%。這是因為隨著漿集比的增大，漿體含量增多，富余的漿體填充更多孔隙，連通孔隙率減小(從21.26%減小到14.36%)，進而透水系數(shù)也減小(從0.71 cm/s減小到0.43 cm/s)，溶液流過透水混凝土試件的時間延長，導(dǎo)致溶液中重金屬Pb2+的去除率增大。當(dāng)漿集比一定時，隨著骨料堆積孔隙率增加，溶液中剩余的重金屬Pb2+濃度逐漸增多，溶液中的重金屬Pb2+去除率逐漸降低。如漿集比固定為0.25時，骨料堆積孔隙率由25%變?yōu)?3%，溶液中的重金屬Pb2+去除率從97.76%減小到42.41%。這是因為漿集比一定時，隨著骨料堆積孔隙率增大，漿體厚度變薄，導(dǎo)致連通孔隙率增大(從17.48%增大到33.53%)，透水系數(shù)也急劇增大(從0.45 cm/s增大到1.25 cm/s)，重金屬離子溶液通過透水混凝土試件的接觸時間縮短，進而重金屬Pb2+去除率呈直線性下降趨勢，這與Muthu等[16]總結(jié)的規(guī)律一致。

圖8 透水混凝土Pb2+去除率Fig.8 Removal rate of Pb2+ of pervious concretes

綜上所述，在滿足《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)的前提要求下，基于對透水混凝土力學(xué)性能、透水性能以及凈水性能三個方面的考慮，透水混凝土的體積結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計應(yīng)選取骨料堆積孔隙率為30%，漿集比為0.25，該透水混凝土的28 d抗壓強度、透水系數(shù)和對Pb2+的去除率分別是20.1 MPa、0.67 cm/s和90.5%。通過上述體積參數(shù)的優(yōu)化，可協(xié)調(diào)透水混凝土力學(xué)性能、透水性能、凈水性能三者之間的矛盾。

3 結(jié) 論

(1)在設(shè)計殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體的試驗中，發(fā)現(xiàn)殼聚糖摻量、堿激發(fā)劑模數(shù)與堿當(dāng)量對漿體性能有顯著影響。隨著殼聚糖摻量由0%增加至2.0%，偏高嶺土基地聚合物漿體的抗折、抗壓強度均呈先提高后降低的趨勢，Pb2+的吸附量呈增大趨勢。其中，當(dāng)殼聚糖摻量為1.0%時，偏高嶺土基地聚合物的抗折強度和抗壓強度均達到最大值。漿體的最優(yōu)配合比是，殼聚糖摻量、堿激發(fā)劑模數(shù)與堿當(dāng)量分別為1.0%、1.6和10%。

(2)在透水混凝土體積結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計試驗中：隨著骨料堆積孔隙率的增大，透水混凝土力學(xué)性能和凈水性能呈減小的趨勢，其透水性能呈增大的趨勢；隨著漿集比的增大，力學(xué)性能及凈水性能呈增大的趨勢，透水性能呈減小的趨勢。

(3)綜合透水混凝土的力學(xué)性能、透水性能、凈水性能，透水混凝土的最佳配合比是，骨料堆積孔隙率為30%，漿集比為0.25。透水混凝土28 d抗壓強度可達20.1 MPa，透水系數(shù)為0.67 cm/s，Pb2+去除率為90.5%。