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(jì)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(huì)在路面形成有害水膜和徑流，起到補(bǔ)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(qiáng)的遷移性和毒性，如果直接排放到水生環(huán)境中或者補(bǔ)充到地下水中，可能會(huì)對(duì)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(shí)，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(shí)，主要接觸孔內(nèi)壁的漿體，從而完成透水混凝土對(duì)雨水的凈化。Sansalone等[6]的研究表明透水混凝土對(duì)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(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，雨水與透水混凝土的接觸時(shí)間與接觸面積同樣也會(huì)影響其對(duì)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(shí)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(qiáng)度性能，可用于協(xié)調(diào)透水混凝土的強(qiáng)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(duì)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(shí)現(xiàn)透水混凝土的凈水功能。同時(shí)，地聚合物抗折強(qiáng)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(duì)上述問題有必要對(duì)地聚合物進(jìn)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(duì)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(duì)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(rèn)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(huì)直接影響透水混凝土對(duì)重金屬離子等有害物質(zhì)的吸附特性，進(jìn)而影響其凈水性能。劉栓等[15]研究認(rèn)為，隨著孔隙率的提高，透水混凝土對(duì)重金屬離子等有害物質(zhì)的吸附作用逐漸增強(qiáng)，其凈水效果明顯提升；而Muthu等[16]則通過研究認(rèn)為孔隙率越小，孔隙通道越曲折，水流通過時(shí)間越長，透水混凝土對(duì)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(duì)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(jì)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(yàn)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(jìn)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(duì)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(jìn)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(shí) 驗(yàn)

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(lán)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(jí)殼聚糖粉末；堿激發(fā)劑采用NaOH(分析純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)與水玻璃(模數(shù)為3.0，Na2SiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%，購自鄭州祥之達(dá)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?jǐn)?shù)≥99.0%)進(jìn)行配制，并采用HNO3(實(shí)驗(yàn)室用質(zhì)量分?jǐn)?shù)63%的濃HNO3，購自國藥集團(tuán)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(duì)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(yàn)使用1 350 g標(biāo)準(zhǔn)砂。其中S0組為對(duì)照組，殼聚糖摻量為0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，堿激發(fā)劑模數(shù)和堿當(dāng)量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)分別為1.6和10%。A1～A4主要用來研究殼聚糖摻量對(duì)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(duì)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(duì)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(jì)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(jì)43%、40%、35%、30%、25%五種骨料堆積孔隙率，分別用序號(hào)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(jī)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(duì)濕度≥90%的養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)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(jī)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(dòng)臺(tái)成型后，立即用塑料薄膜覆蓋表面，在常溫下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模。脫模后試件放在相對(duì)濕度≥90%的養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至27 d后進(jìn)行力學(xué)性能、透水性能以及凈水性能測試。

1.3 試驗(yàn)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50081—2019)的測試方法，對(duì)殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體進(jìn)行1 d、3 d、7 d、28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度測試，對(duì)透水混凝土塊進(jìn)行28 d抗壓強(qiáng)度測試。每組測試3個(gè)樣品，計(jì)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(duì)透水混凝土的孔隙率進(jìn)行測試。

具體試驗(yàn)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(jì)算出試塊的體積V；將試塊完全浸沒在水中，浸泡時(shí)間約12 h，待無氣泡出現(xiàn)時(shí)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(shí)間為24 h，最后稱取試塊的質(zhì)量m1；按照式(1)計(jì)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(jìn)行表面裹蠟處理，再將試塊放入裝置中，測量在t時(shí)間段中溢出的水量Q，依據(jù)式(2)計(jì)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(shí)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(duì)Pb2+的吸附率來表征其對(duì)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(xì)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(jìn)行測試，依據(jù)式(3)計(jì)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(shí)，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(jìn)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(jì)研究

2.1.1 殼聚糖摻量對(duì)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(duì)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(qiáng)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(shí)，偏高嶺土基地聚合物漿體力學(xué)性能最佳，且28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別較空白組提高了33.3%和15.5%?？梢姡瑲ぞ厶堑膿饺雽?duì)偏高嶺土基地聚合物漿體的強(qiáng)度發(fā)展有良好的促進(jìn)作用，起到了較好的增韌效果。這是因?yàn)椋阂环矫?，殼聚糖長鏈分子與地聚合物基體進(jìn)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(shí)的地聚合物結(jié)構(gòu)，從而提升強(qiáng)度。而當(dāng)繼續(xù)提高殼聚糖摻量時(shí)，偏高嶺土基地聚合物漿體的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度同時(shí)出現(xiàn)下降的趨勢，這是因?yàn)檫^多的殼聚糖會(huì)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(shí)，殼聚糖顆粒會(huì)對(duì)偏高嶺土顆粒進(jìn)行包裹，阻礙這些顆粒的進(jìn)一步溶解和縮聚，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(gè)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(shí)，各個(gè)齡期的折壓比均達(dá)到了最大值，其中，養(yǎng)護(hù)齡期為1 d時(shí)，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(duì)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(kuò)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(shí)，偏高嶺土基地聚合物漿體對(duì)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(duì)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(duì)Pb2+的吸附量也有所增加，當(dāng)殼聚糖摻量為2.0%時(shí)，偏高嶺土基地聚合物漿體對(duì)Pb2+的吸附量達(dá)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(jī)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(qiáng)的吸附性，被廣泛應(yīng)用于對(duì)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(duì)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(duì)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(qiáng)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(shí)，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(dá)到最大值，其28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(shí)，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(shí)，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(qiáng)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(duì)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(duì)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(duì)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(qiáng)度同樣也呈先提高后降低的趨勢。在堿當(dāng)量為10%時(shí)，殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物28 d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為11.6 MPa和67.2 MPa，較堿當(dāng)量為6%時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度均下降，這是因?yàn)閴A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(fù)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(rèn)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(duì)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(shí)，吸附量最大，較堿當(dāng)量為6%時(shí)的吸附量增加了66.01%。這是因?yàn)樵诘鼐酆戏磻?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(shí)，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(huì)使地聚合物前驅(qū)體出現(xiàn)沉淀，阻礙硅鋁質(zhì)原料的進(jìn)一步溶解，不利于地聚合反應(yīng)的進(jìn)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(duì)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(duì)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(shí)，透水混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度。分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)骨料堆積孔隙率一定時(shí)，隨著漿集比的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈增加趨勢。如骨料堆積孔隙率固定為25%時(shí)，漿集比由0.15變?yōu)?.30，抗壓強(qiáng)度從8.6 MPa增大到26.4 MPa，接近于原來的3倍。這是因?yàn)楣橇隙逊e孔隙率一定時(shí)，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(shí)骨料與骨料間接觸面積增大，黏結(jié)強(qiáng)度增大，因而抗壓強(qiáng)度也急劇增大。當(dāng)漿集比一定時(shí)，隨著骨料堆積孔隙率的增大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)降低的趨勢。如漿集比固定為0.25時(shí)，骨料堆積空隙率由25%增加至43%，抗壓強(qiáng)度從22.5 MPa縮小至10.1 MPa。這是因?yàn)闈{集比一定時(shí)，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(diǎn)數(shù)目減少，且面接觸逐漸變?yōu)辄c(diǎn)接觸，黏結(jié)強(qiáng)度降低，抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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?yàn)楣橇隙逊e孔隙一定時(shí)，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(jìn)而透水系數(shù)也減小。當(dāng)漿集比一定時(shí)，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(shí)，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?yàn)闈{集比一定時(shí)，隨著骨料堆積孔隙率增大，連通孔隙率增大，進(jìn)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(shí)，透水混凝土對(duì)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(shí)，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(shí)，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?yàn)殡S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(jìn)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(shí)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(shí)，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(shí)，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?yàn)闈{集比一定時(shí)，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(shí)間縮短，進(jìn)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(duì)透水混凝土力學(xué)性能、透水性能以及凈水性能三個(gè)方面的考慮，透水混凝土的體積結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)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(qiáng)度、透水系數(shù)和對(duì)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(jì)殼聚糖改性偏高嶺土基地聚合物漿體的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)殼聚糖摻量、堿激發(fā)劑模數(shù)與堿當(dāng)量對(duì)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(qiáng)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(shí)，偏高嶺土基地聚合物的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均達(dá)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(jì)試驗(yàn)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(qiáng)度可達(dá)20.1 MPa，透水系數(shù)為0.67 cm/s，Pb2+去除率為90.5%。