環(huán)氧樹脂對透水混凝土的力學(xué)性能和滲透性能的影響研究*

趙 靜，王昳昀，孫慧斌

(河北工程技術(shù)學(xué)院 建筑與設(shè)計學(xué)院，石家莊 050091)

0 引 言

近年來，隨著我國城市化建設(shè)的飛速發(fā)展，混凝土路面、瀝青路面等硬化路面逐漸取代了綠地路面，硬化路面也使得人們的出行交通變得更加便捷，即使在下雨天也不會出現(xiàn)路面泥濘難以通行的現(xiàn)象[1-3]。但硬化后的混凝土路面也出現(xiàn)了一些問題，例如雨天積水路面排水困難，容易出現(xiàn)城市內(nèi)澇、交通堵塞、房屋被淹等，造成這些原因的根本是因?yàn)槁访嬗不娣e較大導(dǎo)致透水性變差[4-5]，可見推廣既具有路用性能又具有良好透水性能的混凝土對于城市建設(shè)顯得尤為重要。透水混凝土是指在制備過程中不添加細(xì)骨料，主要由粗骨料表面包覆一薄層水泥漿相互粘結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的混凝土，也被稱之為多孔混凝土[6-10]，憑借質(zhì)量輕、透氣透水性好和承載力高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于路面鋪裝[11-13]，但透水混凝土存在強(qiáng)度不足和耐久性較差等缺點(diǎn)[14-16]。制備出強(qiáng)度高、耐久性好和滲透性能優(yōu)異的透水混凝土成為了眾多研究者的目標(biāo)。環(huán)氧樹脂透水混凝土是一種具有良好透水性能和優(yōu)異的路用性能的混凝土，其可以通過調(diào)整環(huán)氧樹脂與骨料的比例有效改善透水混凝土的性能指標(biāo)，從而滿足工程所需，因而環(huán)氧樹脂透水混凝土成為了近年來的研究熱點(diǎn)[17-18]。劉志艷等采用環(huán)氧樹脂、玻璃砂、熒光粉制備出發(fā)光透水混凝土，研究了環(huán)氧樹脂用量、玻璃砂尺寸對透水混凝土性能的影響。結(jié)果表明，隨著環(huán)氧樹脂用量增加，玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土密度和抗壓強(qiáng)度增加，透水系數(shù)降低；相同環(huán)氧樹脂用量的情況下，選擇4～8 mm的玻璃砂制備的透水混凝土，透水系數(shù)達(dá)到4.28 mm/s，抗壓強(qiáng)度達(dá)到31.7 MPa，滿足路用要求[19]。李地紅等采用CYD-128環(huán)氧樹脂、T-31酚醛胺固化劑和長余輝發(fā)光材料制備了發(fā)光樹脂透水混凝土，研究了環(huán)氧樹脂摻量對混凝土力學(xué)和滲透性能的影響，結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂摻量對混凝土力學(xué)和滲透性能的影響較大，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，混凝土的壓縮強(qiáng)度達(dá)到23.35 MPa，彎曲強(qiáng)度達(dá)到9.03 MPa，透水系數(shù)達(dá)到11.62 mm/s，具有良好的應(yīng)用前景[20]。本文選擇環(huán)氧樹脂透水混凝土為研究對象，通過調(diào)整環(huán)氧樹脂(E42型)的摻雜比例，探究了環(huán)氧樹脂含量對透水混凝土力學(xué)和滲透性能的影響，力求制備出具有高強(qiáng)度和良好透水性的環(huán)氧樹脂透水混凝土。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

環(huán)氧樹脂(E42型)：固體含量為99%，環(huán)氧值當(dāng)量為0.48～0.54/100 g，密度為1.17 g/cm3，黏度為3 350 mPa·s，山東鑫昌晟化工有限公司；水泥(P.O42.5水泥)：比表面積>300 m2/kg，細(xì)度為80 μm，北京萬吉建業(yè)建材有限公司；粉煤灰(Ⅱ級)：比表面積為3 350 cm2/g，需水比為102%，密度為2.25 g/cm3，北京萬吉建業(yè)建材有限公司：粗骨料：表觀密度為2 600 kg/m3，尺寸為10～12 mm，北京萬吉建業(yè)建材有限公司；減水劑(聚羧酸減水劑)：密度為0.95 g/cm3，減水率為20%，山東博克化學(xué)股份有限公司；乙二胺(EDA)：純度≥99.8%，水含量≤0.2%，山東聯(lián)盟化工股份有限公司。

1.2 樣品制備

按照表1中環(huán)氧樹脂透水混凝配比，稱取骨料、水泥在攪拌機(jī)中均勻攪拌10 min，隨后稱取不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0，1%，3%和5%)的環(huán)氧樹脂E42，固化劑選擇乙二胺(EDA)，EDA與環(huán)氧樹脂E42按照質(zhì)量比1∶2添加至上述混合物中，水灰比恒定為0.3，聚羧酸減水劑用量為水泥質(zhì)量的2%，攪拌15 min保證所有骨料及環(huán)氧樹脂E42等混合均勻，最后將混合物倒入模具中夯實(shí)，等到試件凝固24 h后脫模，隨后放入烘箱中在25 ℃下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)7和28 d，即得環(huán)氧樹脂透水混凝土。

表1 環(huán)氧樹脂透水混凝土組成配比Table 1 Composition and proportion of epoxy resin permeable concrete

1.3 樣品性能及表征

力學(xué)性能測試：將環(huán)氧樹脂透水混凝土樣品制備成100 mm×100 mm×100 mm的立方體，對7和28 d養(yǎng)護(hù)條件下的樣品按照GB/T 50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，試樣的非成型模朝上，當(dāng)壓力值達(dá)到最大值的85%時停止，加載強(qiáng)度為0.5 kN/s，每組樣品測試3次，取平均值為最終結(jié)果?？拐蹚?qiáng)度的測試樣品的尺寸為150 mm×1 150 mm×1 150 mm，給定加載速率為0.5 kN/s，試樣固定上方，下部與試驗(yàn)機(jī)的平板中心接觸，等到試樣破壞之后停止加載，記錄該時刻的載荷，每組樣品測試3次，取平均值為最終結(jié)果。

滲透性能測試：通常用透水系數(shù)來表征混凝土的滲透性能[21]，按照CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》，在透水系數(shù)測試儀上測試環(huán)氧樹脂透水混凝土的透水系數(shù)，樣品尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組樣品測試3次，取平均值作為最終結(jié)果。

SEM分析：采用Sirion200場發(fā)射掃描電子顯微鏡(荷蘭PHILIPS公司)對環(huán)氧樹脂透水混凝土樣品的斷面微觀形貌進(jìn)行表征。

孔隙率測試：按照J(rèn)TG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對環(huán)氧樹脂透水混凝土樣品的孔隙率進(jìn)行測試，試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：ne為試樣的孔隙率，%；m1為試樣浸水24 h后所測質(zhì)量，g；m2為試樣從水中取出烘干后所測質(zhì)量，g；V為試樣的體積，cm3；ρ為水的密度，g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂透水混凝土的力學(xué)性能測試

圖1為環(huán)氧樹脂透水混凝土7和28 d的抗壓強(qiáng)度。從圖1可以看出，隨著環(huán)氧樹脂摻雜含量的增加，環(huán)氧樹脂透水混凝土7和28 d的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品7和28 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值，分別為9.66和11.41 MPa，相比未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土強(qiáng)度分別提高了27.44%和36.65%；當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量增加至5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品7和28 d的抗抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了不同程度的降低。

圖1 環(huán)氧樹脂透水混凝土7和28 d的抗壓強(qiáng)度Fig 1 Compressive strength of epoxy resin permeable concrete at 7 and 28 d

圖2為環(huán)氧樹脂透水混凝土28 d的抗折強(qiáng)度。從圖2可以看出，隨著環(huán)氧樹脂摻雜含量的增加，環(huán)氧樹脂透水混凝土28 d的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品28 d的抗折強(qiáng)度達(dá)到了最大值，為1.92 MPa，相較未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土抗折強(qiáng)度提高了8.47%；當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量增加至5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品28 d的抗折強(qiáng)度降低至1.89 MPa。

由圖1和2可知，摻入環(huán)氧樹脂后明顯提高了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，隨著環(huán)氧樹脂摻雜含量的增加，透水混凝土的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的發(fā)展趨勢接近，均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。分析其原因，一方面，摻入適量的環(huán)氧樹脂后，透水混凝土漿體的粘度增加，環(huán)氧樹脂的存在使骨料及水泥可以緊密地結(jié)合在一起，且小尺寸的環(huán)氧樹脂可以充分填充透水混凝土的間隙和孔洞，從而提高了透水混凝土的致密性，改善了其力學(xué)性能；另一方面，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量過多時，環(huán)氧樹脂會在水泥與骨料間形成包覆膜，阻礙漿料與骨料的結(jié)合，當(dāng)水泥硬化后便會與骨料脫落，從而降低混凝土的強(qiáng)度，此外，過多的環(huán)氧樹脂還會產(chǎn)生嚴(yán)重團(tuán)聚和氣孔，導(dǎo)致透水混凝土的致密性降低。

圖2 環(huán)氧樹脂透水混凝土28 d的抗折強(qiáng)度Fig 2 Flexural strength of epoxy resin permeable concrete at 28 d

2.2 環(huán)氧樹脂透水混凝土的滲透性能測試

圖3為環(huán)氧樹脂透水混凝土的透水系數(shù)。從圖3可以看出，隨著環(huán)氧樹脂摻雜含量的增加，樣品的透水系數(shù)呈現(xiàn)出先降低后輕微升高的趨勢，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品的透水系數(shù)達(dá)到了最低值，為4.70 mm/s；當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量增加至5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品的透水系數(shù)出現(xiàn)了輕微升高。這是因?yàn)閾饺脒m量的環(huán)氧樹脂后，環(huán)氧樹脂對透水混凝土的間隙和孔道進(jìn)行了填充，導(dǎo)致其對水流通產(chǎn)生了阻礙，且環(huán)氧樹脂能與水泥漿料、骨料等形成較好的連接，使透水混凝土的結(jié)構(gòu)更加致密、孔隙數(shù)量減少，從而導(dǎo)致透水系數(shù)降低；而當(dāng)環(huán)氧樹脂含量增加至5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，過量的環(huán)氧樹脂會對骨料及漿料產(chǎn)生包覆作用，且過多的環(huán)氧樹脂會形成較為嚴(yán)重的局部團(tuán)聚，導(dǎo)致透水系數(shù)升高。

圖3 環(huán)氧樹脂透水混凝土的透水系數(shù)Fig 3 Permeability coefficient of epoxy resin permeable concrete

2.3 環(huán)氧樹脂透水混凝土的SEM分析

圖4為環(huán)氧樹脂透水混凝土的斷面SEM圖。從圖4(a)可以看出，未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土有明顯的孔洞，且有粉煤灰脫落的現(xiàn)象，這是水化產(chǎn)物之間的結(jié)合力比較弱導(dǎo)致的。從圖4(b)可以看出，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品的孔洞和裂痕明顯減少，透水混凝土整體的結(jié)構(gòu)變得更加致密。從圖4(c)可以看出，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，基本無明顯的孔洞裂痕，斷裂面也較為平整，說明摻入適量的環(huán)氧樹脂后，明顯改善了透水混凝土的微觀形貌，使水化產(chǎn)物之間的結(jié)合更緊密，在受到載荷時各顆粒間的強(qiáng)結(jié)合不會使其輕易產(chǎn)生裂痕。從圖4(d)可以看出，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量增加到5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，又出現(xiàn)了少許孔洞，這是因?yàn)檫^量的環(huán)氧樹脂阻礙了骨料與漿體間的結(jié)合，在水泥硬化后脫落產(chǎn)生了孔隙，且局部漿體之間的團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重，使得透水混凝土的致密性變差。

圖4 環(huán)氧樹脂透水混凝土的斷面SEM圖Fig 4 SEM images of cross-section of epoxy resin permeable concrete

2.4 環(huán)氧樹脂透水混凝土的孔隙率測試

圖5為環(huán)氧樹脂透水混凝土的孔隙率。從圖5可以看出，隨著環(huán)氧樹脂摻雜含量的增加，樣品的孔隙率呈現(xiàn)出先降低后略微升高的趨勢。當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品的孔隙率最低，為22.7%，相比未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土，孔隙率降低了4.6%；當(dāng)環(huán)氧樹脂含量增加至5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品的孔隙率增加至22.9%。這是因?yàn)閾饺脒m量的環(huán)氧樹脂后，具有較強(qiáng)流動性的環(huán)氧樹脂可以有效填充透水混凝土的間隙，使混凝土整體結(jié)構(gòu)更加致密、孔隙率降低；而摻入過量的環(huán)氧樹脂后，環(huán)氧樹脂會對骨料和漿體進(jìn)行包覆，導(dǎo)致骨料與漿體結(jié)合交叉，在水泥硬化后會與骨料脫落，出現(xiàn)較多孔隙，從而使填充效果降低，孔隙率升高。

圖5 環(huán)氧樹脂透水混凝土的孔隙率Fig 5 Porosity of epoxy resin permeable concrete

3 結(jié) 論

(1)環(huán)氧樹脂的摻雜顯著改善了透水混凝土的力學(xué)性能，隨著環(huán)氧樹脂摻雜含量的增加，樣品7和28 d的抗壓強(qiáng)度、28 d的抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品7和28 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值，分別為9.66和11.41 MPa，相比未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土強(qiáng)度分別提高了27.44%和36.65%，樣品28 d的抗折強(qiáng)度也達(dá)到了最大值，為1.92 MPa，相較未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土抗折強(qiáng)度提高了8.47%。

(2)隨著環(huán)氧樹脂摻雜含量的增加，樣品的透水系數(shù)呈現(xiàn)出先降低后輕微升高的趨勢，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品的透水系數(shù)達(dá)到了最低值，為4.70 mm/s。

(3)SEM分析可知，未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土有明顯的孔洞，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，基本無明顯的孔洞裂痕，斷裂面也較為平整，說明摻入適量的環(huán)氧樹脂后，明顯改善了透水混凝土的微觀形貌，使水化產(chǎn)物之間的結(jié)合更緊密，在受到載荷時各顆粒間的強(qiáng)結(jié)合不會使其輕易產(chǎn)生裂痕，從而提高了透水混凝土的力學(xué)性能。

(4)隨著環(huán)氧樹脂摻雜含量的增加，樣品的孔隙率呈現(xiàn)出先降低后略微升高的趨勢。當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，樣品的孔隙率最低，為22.7%，相比未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土，孔隙率降低了4.6%，綜合力學(xué)性能和透水性能測試發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂的最佳摻雜量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。