環(huán)氧樹脂對透水混凝土力學性能及抗凍性的改善

羅斐，蔡基偉，袁英豪，曹鑫

（河南大學循環(huán)與功能建材實驗室，河南 開封 475004）

0 引言

近年來城市內澇問題頻頻出現，形成城市內澇的主要因素，一是市內地面存在高差，雨水向地勢低的地方徑流，造成低洼地區(qū)內澇；二是市政排水系統(tǒng)清淤不及時或不徹底，影響排水系統(tǒng)的通暢；三是城市地面的過度硬化，雨水不能直接滲向地下，增加了市政排水系統(tǒng)的負荷。

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的推進，地面和路面硬化已成為城市生態(tài)的重要影響因素。硬化的地面和路面給城鄉(xiāng)生活帶來了許多便利，但硬化面積的擴大致使綠化及蓄水面積減少，內澇已經成為亟待解決的城市難題[1-2]。同時，雨水直接徑流又減少了地下水的補給，造成了嚴重的生態(tài)問題。

近兩年國家提出了建設“海綿城市”的理念，在“海綿城市”系統(tǒng)中，下雨時能夠透水、蓄水和凈化水資源再利用，保證生態(tài)優(yōu)先的前提下，盡可能地與人工措施相結合，確保城市防澇的同時，能夠兼顧環(huán)境保護和資源節(jié)約[3]。隨著“海綿城市”建設的進展，對透水性地面的需求勢必越來越高。無砂透水混凝土材料的發(fā)展和應用，正是順應國家發(fā)展形勢的需要[4]。

無砂透水混凝土內部有許多連通的開口孔隙，孔隙率一般在 15%～45% 之間，雨水能夠透過孔隙及時滲到地下。透水性地面可以減輕城市排澇負荷，還補充了地下水，緩解地下水資源匱乏的情況[5]。

水泥基無砂透水混凝土屬于脆性材料，推廣應用受到一定局限。有機材料具有較好的韌性，本研究擬用環(huán)氧樹脂改善透水混凝土的性能，先從力學性能及抗凍性入手，開展有機無機復合膠凝材料制備透水混凝土研究。

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5水泥，28d 抗壓強度為45.1MPa。

（2）粗骨料：為 10～16mm 單粒級石子，主要技術性能見表 1。

表1 粗骨料主要技術性能

（3）環(huán)氧樹脂：為 JH-5560 號水性環(huán)氧樹脂乳膠，乳液與膠體按 2:1 比例摻用。

1.2 試驗方法

（1）試驗配合比

根據工作性及透水性要求，無砂透水混凝土的水灰比應保持在 0.26～0.35 之間[6]。根據本課題組前期研究，無砂透水混凝土凈漿水灰比在 0.30 左右較為合理[7]。在此基礎上，結合原材料的具體情況，通過實驗驗證，最終確定本次試驗的水灰比為 0.29。

按環(huán)氧樹脂摻量不同，用于研究抗壓強度的試樣環(huán)氧樹脂摻量為 0、0.5%、1%、2%、4% 和 8%，用于研究抗折強度與抗凍性的試樣環(huán)氧樹脂摻量為 0、0.5%、1%、2% 和 4%，試驗配合比見表 2。

表2 試驗配合比

（2）攪拌

用單臥軸強制式攪拌機按水泥漿裹石法攪拌[8]。

（3）振搗成型

抗壓試件試模為 100mm×100mm×100mm 規(guī)格的三聯鋼模，抗折試件試模為 150mm×150mm×550mm的鋼模，抗凍試驗將 150mm×150mm×150mm 的鋼模從中間分隔，制作 150mm×150mm×70mm 的無砂透水混凝土試件。在制作試件填料時分兩次填料。第一次填至模深的一半，用搗棒順時針插搗 10 次、逆時針插搗 10 次；第二次裝至滿模，再用搗棒順時針和逆時針各插搗 10 次；然后移至振實臺振動 20s 左右。由于無砂透水混凝土沒有細骨料，若振動時間過短，則粗骨料不能緊密接觸，不利于達到較高強度；同時由于透水性要求，振動時間不能過長，否則水泥漿易沉積堵孔，使混凝土失去透水性。

（4）養(yǎng)護及性能測試

成型好的無砂透水混凝土試件帶模養(yǎng)護 24h，拆模后在標準條件下養(yǎng)護，分別在到 7d 和 28d 齡期時測試抗壓強度以及抗折強度。凍融試件在養(yǎng)護 24d 后取出，放入水溫為 15～20℃ 的水中浸泡 4d。28d 齡期后取出試件，擦干表面水分，測試其初始質量。然后放入凍融試驗機按慢凍法進行凍融試驗，以凍融循環(huán)一定次數后試件質量的變化評價環(huán)氧樹脂對無砂透水混凝土抗凍性的影響。

2 結果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂摻量對透水混凝土力學性能的影響

養(yǎng)護到 7d 和 28d 齡期后，取出試件測試無砂透水混凝土抗壓強度和抗折強度，試驗結果見表 3、圖 1 和圖 2。

表3 強度及透水性試驗結果

圖1 環(huán)氧樹脂摻量對透水混凝土抗壓強度的影響

由表 3 和圖 1 可以看出，當環(huán)氧樹脂摻量在 1% 以內時，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，無砂透水混凝土的抗壓強度大幅度提高。當環(huán)氧樹脂摻量超過 1% 時，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，無砂透水混凝土的抗壓強度不斷降低。摻入 1% 環(huán)氧樹脂乳膠后，28d 強度為12.9MPa，提升 95.9%。當環(huán)氧樹脂摻量小于 1% 時，環(huán)氧樹脂能夠均勻分散在水泥漿中，水泥漿和環(huán)氧樹脂共同作用增加了粘結強度，因此提高了無砂透水混凝土的強度。當環(huán)氧樹脂摻量大于 1% 時，環(huán)氧樹脂會包裹住部分水泥漿，對粗骨料起主要粘結作用的水泥漿均勻性變差，致使水泥漿不能充分發(fā)揮作用，從而造成抗壓強度降低。

由圖 2 可以看出，在試驗摻量范圍內，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，無砂透水混凝土的抗折強度持續(xù)提高。由于水泥混凝土為脆性材料，抗折強度普遍較低。環(huán)氧樹脂作為具有韌性的有機膠凝材料摻入之后，無砂透水混凝土粗骨料表面被水泥和環(huán)氧樹脂乳膠包裹，增加了透水混凝土的韌性，因此無砂透水混凝土的抗折強度隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而不斷提高。

圖2 環(huán)氧樹脂摻量對透水混凝土抗折強度的影響

2.2 環(huán)氧樹脂摻量對透水混凝土透水性的影響

當環(huán)氧樹脂摻量小于 2% 時，無砂透水混凝土的平衡透水流量[7]隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而增加（如表 3和圖 3），當環(huán)氧樹脂摻量超過 2% 時，無砂透水混凝土平衡透水流量會不斷降低。

過多的環(huán)氧樹脂造成透水混凝土透水性降低的原因，推測是環(huán)氧樹脂引起漿體稠度及密實性發(fā)生了變化。摻量小于 2% 時，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，漿體粘聚性增加，對骨料的包裹越緊密，因此透水性增加；超過臨界摻量后，漿體因內部存在氣孔而密實性變差，包裹骨料的漿體層厚度增加，混凝土連通孔隙率減小，因此透水性變差。

圖3 環(huán)氧樹脂對透水混凝土透水性的影響

2.3 環(huán)氧樹脂對透水混凝土抗凍性的改善

凍融試件按標準條件養(yǎng)護到 24d 齡期時取出，放入水溫為 15～20℃ 的水中浸泡 4d，至 28d 齡期取出試件，擦干表面水分，測試其初始質量，然后放入凍融試驗機。按慢凍法進行凍融試驗，凍融循環(huán)一定次數后，測定試件的質量，試驗結果見表 4 和圖 4。

環(huán)氧樹脂摻量在 1% 以內時，凍融循環(huán)不超過 60次情況下，各試樣質量損失率均很小。凍融循環(huán)在 25次以內時，由于緩慢滲透作用使得內部孔隙充水程度升高，各試樣質量均出現不同程度的增加。當凍融循環(huán)達到和超過 40 次以后，環(huán)氧樹脂摻量從 1% 增加到 2%時，由于試樣強度的降低而引起質量損失較明顯；同時由于透水混凝土韌性的改善，環(huán)氧樹脂摻量超過 2%時，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，試樣質量損失率未呈現明顯變化。然而，各試樣在凍融循環(huán) 60 次時最大質量損失率才達到 0.8%，遠未達到試樣結束的界限（因設備故障未繼續(xù)試驗），各試樣的抗凍性至少能達到 D60等級。

表4 凍融循環(huán)過程中透水混凝土試件的質量變化

圖4 環(huán)氧樹脂摻量對透水混凝土抗凍性的影響

3 結論

（1）在無砂透水混凝土中摻入適量的環(huán)氧樹脂能大幅度提高其抗壓強度。當摻量低于最佳值時，無砂透水混凝土抗壓強度隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而大幅度提高；摻量超過最佳值后，則無砂透水混凝土的抗壓強度隨之降低。

（2）有機膠凝材料環(huán)氧樹脂的摻入，增加了透水混凝土的韌性，透水混凝土的抗折強度隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而不斷提高。

（3）由于環(huán)氧樹脂改善了透水混凝土韌性，提高了變形能力，從而改善了混凝土的抗凍性。當環(huán)氧樹脂摻量在 1.0% 左右時，可同時獲得最高抗壓強度和最好的抗凍性。

（4）環(huán)氧樹脂摻量對無砂透水混凝土平均透水流量的影響趨勢與抗壓強度相似，基于透水性的最佳摻量略大于基于抗壓強度的最佳摻量。

（5）在配制摻環(huán)氧樹脂的無砂透水混凝土時，綜合考慮抗壓強度、抗折強度、抗凍性、透水性和經濟性等因素，環(huán)氧樹脂摻量宜取 1% 左右。

[1] 甘冰清．透水混凝土的配合比設計及其性能研究[D].淮南：安徽理工大學，2015．

[2] 孫宏友．基于正交試驗法的透水混凝土配合比設計和試驗研究[D]．成都：西南交通大學，2016．

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部．關于印發(fā)《海綿城市建設技術指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建（試行）》的通知（建城函(2014)275號）[Z]．中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，2014-10-22．

[4] 解讀兩會工作報告 建設有里有面的“海綿城市”[EB/OL]．http://news.cnr.cn/native/gd/20170322/t20170322_523671556.shtml．

[5] P W Barnhouse, W V Srubar. Material characterization and hydraulic conductivity modeling of macroporous recycled- aggregate pervious concrete [J]. Construction and Building Materials, 2016, 110:89-97.

[6] DB11/T 775—2010，透水混凝土路面技術規(guī)程[S]．

[7] 蔡基偉，李靜，張少波，等．利用再生骨料制備透水混凝土試驗研究[J]．商品混凝土，2017,(3): 52-54．

[8] 程娟，郭向陽．攪拌方式及成型工藝對透水砼性能的影響[J]．長江科學院院報，2009,26(9): 91-94．