论文总字数：22069字

摘 要

研究表明，雨水中含有大量的Pb² 、Cu² 、Zn² 等重金属离子，若任由其渗入地下，则势必会对地下水造成严重污染。透水混凝土在净化雨水方面具有极大的潜力，是一种具有净化功能的“载体”，其内部复杂的孔隙结构对其吸附性能具有重要的影响。因此对透水混凝土孔隙结构进行表征，研究其孔隙结构参数与其重金属离子吸附性能之间的关系将具有重要的意义。

本文借助图像处理软件Image -pro Plus提取了透水混凝土的孔数目、平均孔径、孔比表面积和曲折度等孔隙结构参数。系统研究了其对透水混凝土吸附重金属离子性能的影响规律，并采用灰色关联理论对其进行了分析，揭示了其中的影响机理。结果表明，透水混凝土的Pb² 去除率与孔数目、孔比表面积和曲折度之间呈现出很强的正相关关系，而与平均孔径之间则具有很强的负相关性。其中，孔比表面积对透水混凝土吸附重金属离子性能的影响最大，其次为孔数目、平均孔径，曲折度的影响最小。

关键词：孔隙结构；透水混凝土；重金属离子；吸附性能

Abstract

Studies have shown that there are a lot of heavy metal ions such as Pb² , Cu² , Zn² in rainwater. Allowing them to penetrate into the ground will seriously pollute the groundwater. Pervious concrete has great potential in the purification of rainwater. It is a kind of "carrier" with purification function. Its complex pore structure has an important influence on its adsorption performance. Therefore, characterizing the pore structure of pervious concrete and studying the relationship between the pore structure parameters and the adsorption properties of heavy metal ions are significant.

In this paper, the software Image-pro Plus was used to extract the pore structure parameters such as the number of holes, average hole diameter, hole specific surface area and tortuosity of pervious concrete. It was focused that effects of pore ​​structure parameters on the adsorption of heavy metal ions. The gray correlation theory was used to reveal the mechanism of influence. The results show that the Pb² removal rate of pervious concrete has a strong positive correlation with the number of holes, hole specific surface area and tortuosity. However, it has a strong negative correlation with the average hole diameter. Among them, the effect of hole specific surface area on the adsorption performance of heavy metal ions in pervious concrete was the largest, followed by the number of holes, the average hole diameter and the minimum tortuosity.

Key Words：pore structure; pervious concrete; heavy metal ions; adsorption

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.1.1雨水对地下水的污染 1

1.1.2透水混凝土 2

1.1.3小结 2

1.2国内外对透水混凝土孔隙结构的研究现状 2

1.2.1 孔隙结构的表征方式 3

1.2.2 孔隙结构对透水混凝土透水-力学性能的影响研究 4

1.2.3 孔隙结构对透水混凝土净水性能的影响研究 4

1.3课题主要研究内容 5

第2章 原材料及实验方法 6

2.1 原材料及基本性能 6

2.1.1 矿粉 6

2.1.2 壳聚糖 6

2.1.3 集料 6

2.1.4 碱激发剂 7

2.1.5 重金属离子溶液 7

2.2 实验方法 7

2.2.1 配合比设计 7

2.2.2 试样制备过程 7

2.2.3 空隙率的测量 8

2.2.4 透水系数的测量 8

2.2.5 吸附性能的测试 9

2.2.6 CT测试及孔隙结构分析 10

第3章 实验结果与讨论 12

3.1 集料尺寸对透水混凝土透水性能的影响 12

3.2 集料尺寸对透水混凝土孔隙结构参数的影响 13

3.3 孔数目对透水混凝土净水性能的影响 14

3.4 平均孔径对透水混凝土净水性能的影响 15

3.5 孔比表面积对透水混凝土净水性能的影响 16

3.6 曲折度对透水混凝土净水性能的影响 17

3.7 灰色关联理论分析 17

3.8 本章小结 18

第4章 结论 20

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1研究的目的及意义

目前，我国经济发展迅速，城市人口也越来越多，这就导致了城市地下水位下降，水资源出现短缺。另外，目前城市的道路铺装大多采用不透水路面铺装，如沥青或水泥混凝土路面，在暴雨天气时，就会由于雨水的积累而形成城市内涝。除此之外，由于城市建筑密集，不透水路面铺装更是会吸收大量的热量从而使城市温度明显高于其他地区，产生热岛效应。城市内涝和热岛效应不仅严重影响了人们的正常生活，更是会危及人们的经济财产甚至人身安全^[1][2]。

“海绵城市”对缓解城市内涝，改善热岛效应和补充地下水资源具有非常重要的意义，而透水混凝土是建设海绵城市的关键材料之一，雨水可以经过透水混凝土内部的孔隙渗入地下，从而补充地下水。但相关的研究结果显示，雨水当中含有大量的污染物，若任由其通过透水混凝土流入地下，则势必会对地下水系和土壤造成严重的污染。

1.1.1雨水对地下水的污染

相关研究表明，雨水中含有大量的污染物质，如营养物质、悬浮物颗粒、重金属离子甚至病原体微生物等，是造成水质污染的一个重要因素^[3]。Stephenson和Beck^[4]研究了雨水径流对地下水的污染能力，发现道路和土壤的渗透和过滤并不能完全去除雨水中的污染物，雨水对地下水存在着很大的污染威胁。李立青^[5]等通过连续3年对武汉市降雨径流污染的监测研究,发现城市降雨径流对水体输入的污染负荷占有很大的比例,是引起城市水环境质量恶化的主要原因之一。

我国对雨水中重金属污染的监测和治理起步较晚，但重金属离子随雨水渗入地下，势必会污染地下水。而且重金属离子污染具有累积性和不可降解性，若不及时净化雨水中的重金属污染物，则会严重污染地下水，危害人体健康。陈昱奇^[6]等监测了自然降雨与雨水径流中重金属的含量，发现 Cu、Zn、Pb、Cd等重金属的含量在雨水径流中要远远高于自然降雨中的含量。Ellis^[7]等的研究表明，雨水径流带入水体的重金属如 Cd、Cu、Pb、Zn 含量分别占水体总含量的 46%、78%、47%、13%，对水体造成了严重污染。由此可见，在保证雨水顺利汇入地下水系的同时净化雨水中的重金属离子已经成为了一项迫在眉睫的任务。

1.1.2透水混凝土

透水混凝土又称多孔混凝土，是一种由粗骨料外面包裹一层水泥浆体相互粘结形成的内部具有蜂窝状连通孔隙结构的生态混凝土^[8]。透水混凝土由于不含或含有少量的细骨料，所以制备成功的混凝土体中具有较大的孔隙率，孔隙率一般在15%-25%左右^[9]。

与普通的混凝土路面相比，透水混凝土路面铺装具有以下优点^[10]：（1）具有良好的透水性能，可以有效渗透因暴雨导致的路面积水，为城市排水提供有力的条件；（2）雨水通过透水混凝土内部的连通孔隙渗入地下可以补充地下水，解决由于地下水位下降导致的水资源短缺问题；（3）透气性好，可改善城市热岛效应；（4）吸收城市交通产生的噪音，减少噪音污染。由此可见，透水混凝土可以有效缓解普通混凝土路面铺装所带来的一系列生态问题，在环境保护方面展现出其独特的优势，绿色环保，完全符合建设“海绵城市”的建材要求，是建设“海绵城市”的关键材料。

1.1.3小结

透水混凝土作为我国建设“海绵城市”的关键材料，由于其复杂的内部孔隙结构以及巨大的孔内比表面积，所以具有很强的吸附作用。这就使得雨水在通过透水混凝土内部复杂的连通孔隙渗入地下时，雨水中的污染物质会被透水混凝土孔内壁的浆体吸附或者截留在透水混凝土复杂的孔隙结构中，达到净化雨水的目的。

所以本文就是通过研究透水混凝土内部复杂的孔隙结构，归纳和总结出透水混凝土孔隙结构参数与其透水性能和重金属离子吸附性能之间的相互关系，进而揭示透水混凝土孔隙结构参数对其吸附重金属离子的作用机理。

1.2国内外对透水混凝土孔隙结构的研究现状

透水混凝土具备高透水性特点的原因主要在于其内部存在大量的孔隙，这些孔隙主要分为三种类型：分别为连通孔隙、半连通孔隙和封闭孔隙，这三种孔隙的总和即为全孔隙^[11]。透水混凝土内部孔隙繁多且结构复杂，贯通了整个透水混凝土，但并不是所有的孔隙都具有透水的性能。在透水混凝土中，那些封闭且不与外界连通的孔隙称之为无效孔隙，只有相互连接成管道并与外界相互连通的孔隙才可称为有效孔隙，具备透水的功能。

透水混凝土孔隙结构的最基本参数就是孔隙率，即孔隙体积与透水混凝土试件体积的百分比。透水混凝土内部的孔隙结构非常复杂且对透水混凝土的诸多性能都有影响，所以国内外都针对透水混凝土的孔隙结构展开了相关研究。寻找合适的参数来对透水混凝土内部复杂的孔隙结构进行表征，探讨透水混凝土内部的孔隙结构对其透水-力学性能之间的相关规律以及重构透水混凝土内部孔隙的三维模型是目前国内外研究的主要方向。

1.2.1 孔隙结构的表征方式

复杂的孔隙结构对透水混凝土的结构和性能起到了至关重要的作用，所以表征孔隙结构并解释其对透水混凝土性能的影响成为了目前的一个研究热点。

目前，有很多研究者开始利用图像处理软件对透水混凝土的二维截面图像进行研究，通过提取截面图像的孔隙结构参数来对整个透水混凝土的孔隙结构来进行表征。张雄^[12]等基于体视学的原理，采用光学显微镜观测试样表面并进行拍照，对图像进行增强和二值化处理后便可利用计算机图像处理软件（Image-Pro Plus）对透水混凝土内部的细观气孔进行测量统计以及进一步分析。颜小波^[13]则是采用对透水混凝土试块进行实际的切片处理，然后利用照相机拍照的方法获取多孔混凝土截面图像。图像经过Matlab软件处理后，即可导入ImageJ软件中完成了对孔隙结构特征参数的提取工作。

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