防堵塞型透水制品的制備與性能研究

唐靜，趙玉婷，梁美坤，賀瀕葦，余意恒，曾路

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045)

現(xiàn)代化城市建設(shè)導(dǎo)致城市熱量增加，城市的立體化降低了散熱作用，大量水泥混凝土、瀝青混凝土等不透水硬化路面減弱了水的滲透與蒸發(fā)，從而造成一系列城市生態(tài)問題，例如熱島效應(yīng)、城市內(nèi)澇等。為改善城市生態(tài)環(huán)境，楊陽等[1]、連亞明等[2]提出了海綿城市建設(shè)理念。透水性地面是解決生態(tài)問題的關(guān)鍵，目前應(yīng)用最廣泛、研究較深入的是大孔隙水泥透水混凝土與瀝青透水混凝土，但其大孔隙透水通道易被外界灰塵之類的微小顆粒堵塞，維護(hù)成本較高[3]。聚合物透水混凝土因其較好的裝飾效果以及較強(qiáng)的透水性，越來越多地被用于景觀、公園、休閑小道等路面鋪裝領(lǐng)域[4-5]。

對(duì)于聚合物透水混凝土，學(xué)者們進(jìn)行了相關(guān)研究。宗曉軍等[6]發(fā)現(xiàn)，不摻加聚合物的透水磚在較大的水灰比條件下，試樣孔隙容易被水泥漿體堵塞，很難形成較為理想的連通孔隙，無法保證透水效果；Giustozzi[7]、李子成等[8]的研究表明，以環(huán)氧樹脂為膠黏劑的聚合物透水混凝土抗壓強(qiáng)度更高；Jimenez等[9]分析研究了透水路面的滲透性隨時(shí)間的演化規(guī)律；Deo等[10]研發(fā)了一種滲透裝置，通過多次加入等量砂粒來模擬堵塞循環(huán)實(shí)驗(yàn)，直至滲透系數(shù)基本不變時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)，研究表明，孔隙尺寸是顆粒尺寸的7倍左右時(shí),透水混凝土的堵塞最嚴(yán)重，而孔隙尺寸隨孔隙率增大而增大。

目前，學(xué)者們對(duì)聚合物透水混凝土的研究并不深入，尚無一個(gè)統(tǒng)一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。本文旨在研究骨料粒徑及聚合物摻量對(duì)透水混凝土力學(xué)性能、透水性能及防堵塞性能的影響。

1 試驗(yàn)原材料及試件制備

1.1 原材料

1.1.1 骨料 試驗(yàn)用的骨料為重慶特細(xì)砂，選取0.15～0.3 mm和0.3～0.6 mm兩種粒徑。

1.1.2 聚合物 環(huán)氧樹脂E-44(6101)型，環(huán)氧當(dāng)量為210～240 g,產(chǎn)自湖南省岳陽市云溪區(qū)。

1.1.3 固化劑 丹寶牌低分子650固化劑，聚酰胺樹脂，淺棕色黏稠液體，密度(40 ℃)0.97～0.99 g/cm3,胺值200～240 mgKOH/g。

1.1.4 堵塞劑 粒徑小于0.075 mm的塵土。

1.2 試件制備

按照表1和表2的配合比進(jìn)行攪拌，環(huán)氧樹脂和固化劑比例為2∶1，所有試件由JJ-5行星式水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌而成。先將環(huán)氧樹脂與固化劑攪拌均勻，再加入特細(xì)砂攪拌一定時(shí)間，骨料與聚合物混合均勻后，采用人工插搗成型?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)試件規(guī)格為40 mm×40 mm×40 mm，透水試驗(yàn)試件規(guī)格為100 mm×100 mm×20 mm，試件帶模經(jīng)烘箱60 ℃養(yǎng)護(hù)至開始固化后拆模，并繼續(xù)將試件放入60 ℃烘箱中熱養(yǎng)3 d,然后進(jìn)行試件性能測(cè)試。

表1 單粒級(jí)配合比設(shè)計(jì)Table 1 Single-grading mix design

表2 雙粒級(jí)配合比Table 2 Double-grading mix design

2 試件性能測(cè)試

2.1 抗壓強(qiáng)度

截至目前，中國尚未制定出針對(duì)環(huán)氧樹脂膠砂力學(xué)強(qiáng)度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)參考《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—1999)，用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試件的受壓面積為40 mm×40 mm。

2.2 透水系數(shù)

目前,中國對(duì)透水性混凝土透水系數(shù)的測(cè)試主要有兩種方法:一種是日本混凝土工學(xué)協(xié)會(huì)推薦的大孔混凝土透水性試驗(yàn)方法，即常水頭。另一種方法是采用變化水頭的方法,即從一定的水頭高度開始,以滲流速度V表示透水性混凝土的透水系數(shù)[11]。試驗(yàn)采用變水頭方法，也即固定水位高度法[12]。定制的透水儀尺寸為100 mm×100 mm×350 mm的透明套筒，其兩端開口，上下刻度間距離為250 mm。首先，用橡皮泥對(duì)試件和透水儀一端開口進(jìn)行密封；然后，向透水儀中加水至超過上刻度，對(duì)水面從上刻度下降到下刻度所經(jīng)過的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)；最后，由公式V=H/Δt計(jì)算得出，式中，H為上下刻度間距離，Δt為水面流經(jīng)上下刻度的時(shí)間。

2.3 堵塞模擬

將10 g堵塞劑均勻?yàn)⒃谕杆炷猎嚰砻?，測(cè)透水系數(shù)。測(cè)完后將滯留在試件表面的堵塞劑刮下來，用毛刷將表面清洗干凈，并重新測(cè)定其透水系數(shù)，上述步驟為一個(gè)循環(huán)。重復(fù)加入等量堵塞劑，直至4個(gè)循環(huán)，停止實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試每個(gè)循環(huán)的透水系數(shù)。

2.4 孔隙圖像分析

采用切片法獲取透水混凝土不同截面處的二維平面圖像，并結(jié)合普通光學(xué)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行剖面圖像拍攝[13]。用Photoshop圖像處理軟件沿試件邊界線裁剪出試件截面區(qū)域圖像，去除背景圖像，進(jìn)行圖片的二值化處理，以達(dá)到分析目的。

3 試驗(yàn)結(jié)論

3.1 聚合物摻量對(duì)聚合物透水混凝土性能的影響

根據(jù)表1的配比，由圖1和圖2可知，在粒徑相同的情況下，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，環(huán)氧樹脂透水混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，而透水系數(shù)逐漸下降。其中，B組實(shí)驗(yàn)的環(huán)氧摻量為5%和8%時(shí)，指標(biāo)達(dá)到要求，考慮到試驗(yàn)在強(qiáng)度和透水中相對(duì)重視提高透水混凝土面層的強(qiáng)度性能，因此，以抗壓強(qiáng)度的增長作為評(píng)判較優(yōu)配比的依據(jù)。在粒徑為0.3～0.6 mm，環(huán)氧摻量為8%時(shí)，即B3組，表現(xiàn)出較佳的綜合性能，其抗壓強(qiáng)度為33.5 MPa,透水系數(shù)達(dá)1.2 mm/s。相同粒徑下，相比較5%摻量時(shí)的B2組，其透水系數(shù)雖然下降了63.6%，但其抗壓強(qiáng)度卻增長了47.6%。

圖1 聚合物摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 The relationship between polymer dosage and

圖2 聚合物摻量與透水系數(shù)的關(guān)系Fig.2 The relationship between polymer dosage and

環(huán)氧樹脂透水混凝土是在由砂緊密堆積形成的多孔空間骨架中填入環(huán)氧樹脂而膠結(jié)在一起的體系。當(dāng)聚合物摻量較少時(shí)，骨料間滲入的膠黏劑較少，聚合物不足以充分包裹骨料，僅在細(xì)砂表面形成一層較薄的膠結(jié)層，導(dǎo)致骨料間膠粘性變差，因而抗壓強(qiáng)度較低；隨著聚合物摻量的增加，骨料間粘接面積增大，并不斷填充骨架間的部分空隙，使骨料表面的粘結(jié)力增強(qiáng)，混凝土更密實(shí)，則抗壓強(qiáng)度隨之增大。

透水混凝土內(nèi)部空隙的大小、數(shù)量和連通孔隙的數(shù)量對(duì)透水性能有較大影響。細(xì)砂本身的堆積空隙率較大，當(dāng)環(huán)氧摻量較小時(shí)，用于填充孔隙的環(huán)氧樹脂較少，對(duì)整體空隙影響較小，混凝土仍保留有較多的空隙，對(duì)流體的阻力小，因此透水系數(shù)較大；環(huán)氧樹脂用量增大后，環(huán)氧樹脂不僅可以包裹細(xì)砂，也開始填充空隙，使得細(xì)砂的堆積更加緊密，從而降低總的孔隙率；同時(shí)，環(huán)氧樹脂還會(huì)阻斷連通孔隙，增大水流通過的阻力，使透水系數(shù)測(cè)定值下降；另外，環(huán)氧樹脂過量時(shí)，會(huì)在重力的作用下沉降到混凝土底部，不僅較大程度地降低了透水性，還增加了生產(chǎn)成本。

3.2 骨料級(jí)配對(duì)聚合物透水混凝土性能的影響

根據(jù)表2的配比，從圖3可知，環(huán)氧樹脂透水混凝土抗壓強(qiáng)度隨著顆粒較大粒徑復(fù)摻含量的增大而呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，而透水系數(shù)呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)；同時(shí)，在復(fù)摻條件下，兩種粒徑復(fù)摻的比例為1∶1時(shí)，綜合效果最佳，其抗壓強(qiáng)度為41.72 MPa，透水系數(shù)為1.7 mm/s，透水系數(shù)相對(duì)于D9組的最高透水系數(shù)3.2 mm/s，下降了46.9%，而抗壓強(qiáng)度相對(duì)于D8組的最低抗壓強(qiáng)度23.1 MPa，提高了89.2%。

圖3 骨料級(jí)配對(duì)聚合物透水混凝土性能的影響Fig 3 Effect of gradation on the performance of polymers

當(dāng)0.15～0.3 mm粒徑的細(xì)砂所占比例最高時(shí)，骨料總體的比表面積過大，而環(huán)氧樹脂的摻量固定在5%，不足以完全均勻地包裹在細(xì)砂表面，造成細(xì)砂間沒有良好的粘結(jié)。隨著細(xì)砂占比降低，細(xì)砂的比表面積隨之減小，在一定的環(huán)氧樹脂用量下，聚合物對(duì)細(xì)砂的包裹更完全，提高了環(huán)氧樹脂與細(xì)砂之間的膠結(jié)強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度由此呈上升趨勢(shì)。但當(dāng)比例增大后，其比表面積持續(xù)降低，細(xì)砂表面的膠黏劑過多，使得整個(gè)體系的粘聚性不斷下降，壓強(qiáng)隨之降低。對(duì)于透水性能，隨著0.3～0.6 mm粒徑細(xì)砂用量的增大，骨料越不容易緊密堆積，聚合物透水混凝土的多孔空間骨架的空隙率也就越大，透水系數(shù)因此越大。

3.3 透水制品的防堵塞性能評(píng)估

由圖4和圖5可知，透水系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加明顯下降。通過觀察A組和B組兩種粒徑經(jīng)4次堵塞后的透水損失可發(fā)現(xiàn)，摻量為3%時(shí)的透水系數(shù)損失均最大，A組損失約10%，而B組損失達(dá)16%左右。這是由于在摻量較小的情況下，聚合物對(duì)骨料的包裹不足，混凝土內(nèi)部形成的孔隙更多、更大，堵塞劑因而更容易進(jìn)入孔隙，透水系數(shù)損失較大[14]。另外，對(duì)比A組和B組，粒徑為0.15～0.3 mm的A組透水系數(shù)整體大約損失9%，而粒徑為0.3～0.6 mm的B組透水系數(shù)平均下降了15%左右，也即粒徑較小的透水材料透水損失較小。這是因?yàn)槎氯麆┐蠖嗤Ａ粼谳^小粒徑試件的表面，大多沒有進(jìn)入到試件內(nèi)部成為堵塞物質(zhì)；而粒徑較大時(shí)，堵塞劑進(jìn)入混凝土內(nèi)部，占據(jù)部分孔隙，阻斷了透水通道，透水系數(shù)因而降低。

圖4 A組透水系數(shù)損失Fig.4 loss of permeation coefficient from group

圖5 B組透水系數(shù)損失Fig.5 loss of permeation coefficient from group

3.4 基于圖像分析孔隙尺寸

對(duì)透水混凝土的平面孔隙特征及分布特征進(jìn)行分析研究，采用切片法獲取透水混凝土不同截面處的二維平面圖像，并結(jié)合普通光學(xué)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行剖面圖像拍攝。利用Photoshop圖像處理軟件沿試件邊界線裁剪出試件截面區(qū)域圖像，去除背景圖像，也即圖像二值化處理，使圖像中數(shù)據(jù)量減少，從而能凸顯出目標(biāo)的輪廓，如圖6～圖8所示，最終得到圖9，以達(dá)到分析目的。

圖6 圖像預(yù)處理

圖7 各級(jí)配混凝土試塊非成型面電鏡圖Fig.7 Micrograph of non-molded surface of concrete bars

圖9 各級(jí)配混凝土孔尺寸電鏡圖Fig.9 Micrograph of concrete pore from different

由圖7可知，D1～D8總體上孔隙率逐漸增大，透水通道增多，水流阻力減小，因此，其透水性能越來越好，透水系數(shù)呈逐漸增大的趨勢(shì)[15]。分析圖9可知，D1～D5的孔尺寸逐漸減小，D5～D8的孔尺寸逐漸增大。一般情況下，抗壓強(qiáng)度隨著孔徑的增大而減小，因而，D1～D8的抗壓強(qiáng)度應(yīng)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。另外，對(duì)A組的試塊通過Image圖像處理軟件可直接提取的孔隙參數(shù)見表3。

表3 透水混凝土二維平面孔隙統(tǒng)計(jì)匯總表Table 3 General summary of two-dimensional surface porosity statistics of pervious concrete

由表3可知，隨著環(huán)氧樹脂摻量的逐漸增大，A1～A3組孔隙數(shù)量不斷減少，平面孔隙率以及平均等效直徑也隨之逐漸減小，這也是聚合物對(duì)孔隙逐漸填充作用的表現(xiàn)?？紫兜奶卣鲗?duì)混凝土的性能有較大影響，通過比較A1和A3所研究的切面處平面孔隙表征值和性能指標(biāo)結(jié)果值，孔隙數(shù)量相對(duì)減少25.8%，平面孔隙率減小34.9%，平均等效直徑減小8.3%，其抗壓強(qiáng)度從18.8 MPa提高到30.6 MPa，提高了62.8%，透水系數(shù)從0.6 mm/s降低到0.4 mm/s，降低了33.3%?？紫稊?shù)量越少，孔隙率越小，孔隙等效平均直徑越小，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨之提高，而透水系數(shù)逐漸降低。

4 結(jié)論

1)單粒級(jí)0.3～0.6 mm特細(xì)砂條件下，環(huán)氧樹脂摻量為8%時(shí)的綜合性能較佳，抗壓強(qiáng)度為33.5 MPa，透水系數(shù)為1.22 mm/s。

2)雙粒級(jí)條件下，骨料的摻配存在最佳比例，試驗(yàn)中，環(huán)氧樹脂摻量為5%，0.15～0.3 mm和0.3～0.6 mm 兩種粒徑的骨料摻量比例為1∶1時(shí)，綜合性能最好?？箟簭?qiáng)度為41.7 MPa，透水系數(shù)為1.71 mm/s。

3)堵塞4次循環(huán)后，透水衰減系數(shù)小于20%，防堵塞性能良好。

4)基于圖像分析孔隙尺寸，制品的平均孔隙率為10.8～16.6%，平均等效直徑為209～228 μm，透水系數(shù)為0.45～0.65 mm/s，滿足功能要求，能實(shí)現(xiàn)防堵塞目的。