高性能環(huán)氧樹脂透水混凝土的制備及其性能研究*

李 爭，李宏亮，孫晉明

(1. 棗莊市住房建設(shè)事業(yè)發(fā)展中心，山東 棗莊 277800；2. 中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，長沙 410083)

0 引 言

隨著我國城市化和工業(yè)化的發(fā)展，鋼筋混凝土的高層建筑和混凝土路面已經(jīng)逐漸覆蓋了城市的地表[1-2]。混凝土路面硬化作為城市化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，不僅有利于交通運(yùn)輸，還能加速經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展[3-5]?；炷磷鳛橹饕褂貌牧希蚱鋪碓磸V泛、可塑性強(qiáng)和強(qiáng)度高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于道路硬化，其中以透水混凝土的應(yīng)用最多[6-7]。透水混凝土是一種具有良好的透水性環(huán)境友好型的道路鋪裝材料，貫穿性的孔隙使其能夠起到減振降噪的作用，水能夠從孔隙滲透到土壤中，不僅可以減輕城市排水的壓力，還能夠凈化滲水水質(zhì)，因而透水混凝土路面的應(yīng)用研究也成為了近年來的熱點(diǎn)[8-11]。從路面應(yīng)用的角度考慮，透水混凝土不僅需要具有良好的透水性和較高的強(qiáng)度，還需要具有優(yōu)異的耐久性能，尤其在某些偏遠(yuǎn)嚴(yán)寒地區(qū)，長時(shí)間的低溫條件會(huì)導(dǎo)致透水混凝土路面發(fā)生凍融損傷，產(chǎn)生裂紋和縫隙，大大縮短了透水混凝土的使用壽命，研究出具有良好的透水性能和耐久性能的透水混凝土成為了很多學(xué)者們的關(guān)注焦點(diǎn)[12-14]。趙劍鋒等研究了聚丙烯纖維(PPF)、聚乙烯醇纖維(PVAF)、玻璃纖維(GF)的摻量及長度對透水混凝土力學(xué)性能和透水性能的影響，發(fā)現(xiàn)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著PPF長度的增大先增大后減小，抗折強(qiáng)度隨PPF長度和摻量的增大而增大，空隙率和透水系數(shù)隨著PVAF和GF的摻雜量增加而降低，6 mm的PVAF能夠顯著改善透水混凝土的力學(xué)性能[15]。凌天清等研究了集料級(jí)配、空隙率和水膠比對透水混凝土力學(xué)性能和透水性能的影響，結(jié)果表明，空隙率對透水混凝土強(qiáng)度及透水系數(shù)影響最大，級(jí)配和水膠比影響較小，當(dāng)空隙率為15%～20%、水膠比為0.35時(shí)，透水混凝土具有良好的強(qiáng)度和透水性能[16]。目前有關(guān)聚合物對透水混凝土的強(qiáng)度及透水性能的影響研究較少。侯利軍等采用正交法制作了16組聚合物透水混凝土試樣,對試樣的力學(xué)性能、透水性能和孔隙率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)水灰比對聚合物透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能影響最大,在最佳水灰比下，試件的最大抗壓強(qiáng)度為45.2 MPa,凍融循環(huán)次數(shù)為150次[17]。本文以水性環(huán)氧樹脂CYDW-100為改性劑，制備出了不同水性環(huán)氧樹脂含量的改性透水混凝土，研究了環(huán)氧樹脂摻雜量對透水混凝土的力學(xué)性能、透水性能和耐久性能的影響，力求制備出綜合性能最佳的透水混凝土。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

水性環(huán)氧樹脂：CYDW-100，工業(yè)級(jí)，環(huán)氧當(dāng)量為170～220，密度為1.2 g/cm3，凝膠時(shí)間為7～14 min，固含量為63%～69%，拉伸強(qiáng)度為73 MPa，延伸率為3%，宜興市揚(yáng)霖新材料有限公司；水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積≥300/，初凝時(shí)間≥45 min，終凝時(shí)間≤600 min，上海濟(jì)韻建材有限公司，水泥的化學(xué)組成如表1所示；納米TiO2：孔徑為(12±2)mm，純度>99%，體積密度為0.19 g/cm3，比表面積為38.2 m2/g，上海盈承新材料有限公司；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，茌平縣金順化工有限公司；粗骨料：5～10 mm單粒級(jí)級(jí)配玄武巖碎石，石家莊德澤礦產(chǎn)品有限公司；減水劑：聚羧酸減水劑，減水率為20%～25%，山東煌梓新材料有限公司；水：室溫的自來水。

表1 水泥的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of cement

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

冷場掃描電子顯微鏡：S-4800，Hitachi，日本高新技術(shù)公司/英國牛津公司；全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)：YAW-300，位移分辨率為0.01 mm，濟(jì)南礦巖試驗(yàn)儀器有限公司；快速凍融機(jī)：KDR-V9，制冷功率為2.6 kW，加熱功率為9 kW，滄州南華試驗(yàn)儀器有限公司；透水系數(shù)測定儀：TSXS-1，溫度精度為(±0.1)℃，時(shí)間精度為(±1)s，滄州億軒試驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 樣品制備

表2為環(huán)氧樹脂透水混凝土的配比。首先，按照表2配比稱取骨料、水泥、環(huán)氧樹脂和摻合料倒入攪拌機(jī)中，其中環(huán)氧樹脂的質(zhì)量占水泥質(zhì)量的0，1%，2%和3%；然后，將混合物攪拌5 min保證均勻后逐漸加入水，待水全部加入后均勻攪拌5 min；最后，將混合物試樣裝入模具中，在溫度為(20±5)℃、濕度>95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至齡期，即得不同環(huán)氧樹脂摻雜量的改性透水混凝土。

表2 環(huán)氧樹脂透水混凝土的配比Table 2 Proportion of epoxy resin permeable concrete

1.4 樣品的性能測試

1.4.1 力學(xué)性能測試

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)對環(huán)氧樹脂透水混凝土試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，將試樣制備成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，在溫度為(20±3)℃、相對濕度>90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7和28 d后取出，在全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，加載速率為2 kN/s，結(jié)果精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位?？拐蹚?qiáng)度測試時(shí)將試樣制備成尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的立方體，加載速率為0.5 kN/s，當(dāng)試樣破壞后停止試驗(yàn)，記錄抗折強(qiáng)度，結(jié)果精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。

1.4.2 透水性能測試

按照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T135-2009)對環(huán)氧樹脂透水混凝土試樣進(jìn)行透水系數(shù)測試，試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，將試樣放入真空裝置，加入足夠的水將試樣覆蓋并使水位高出試樣100 mm，浸泡20 min后裝入透水系數(shù)測定儀，打開供水閥門，使透水圓筒保持150 mm水位，待溢流水槽的溢流口和透水圓筒的溢流口的流水量穩(wěn)定后，用量筒從出水口接水，記錄5 min流出的水量和水位差，透水系數(shù)K按照式(1)計(jì)算：

(1)

式中：K為透水系數(shù)，mm/s；Q為時(shí)間t秒內(nèi)滲出的水量，mm3；L為試樣的厚度，mm；A為試樣的上表面積，mm2；H為水位差，mm；t為時(shí)間，s。

1.4.3 抗凍性能測試

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)對環(huán)氧樹脂透水混凝土試樣進(jìn)行凍融循環(huán)測試，將試樣制備成尺寸為150 mm×150 mm×70 mm的立方體，養(yǎng)護(hù)24 d后取出放入水溫為(20±2)℃的水中浸泡4 d，取出試樣擦干后放入凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)中開始凍融循環(huán)試驗(yàn)，試件最低溫度為(-18±2)℃，最高溫度為(5±1)℃，凍融循環(huán)時(shí)間為8 h/次，以10 ℃/h的速率降到-20 ℃后恒溫1.5 h，待上升至5 ℃后恒溫1 h為一個(gè)循環(huán)，循環(huán)次數(shù)分別為20，40和60 次時(shí)稱重并計(jì)算質(zhì)量損失率，質(zhì)量損失率P按照式(2)計(jì)算：

(2)

式中，P為凍融循環(huán)j次后的質(zhì)量損失率，%；mi為第i次凍融循環(huán)的質(zhì)量，kg；mj為第j次凍融循環(huán)的質(zhì)量，kg；其中，i

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)度測試圖。從圖1可以看出，隨著環(huán)氧樹脂摻雜量的增加，改性環(huán)氧樹脂透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后輕微減小，未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土7和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為6.13和7.24 MPa。當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，改性透水混凝土7和28 d的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了最大值，分別為11.32和13.17 MPa，相比未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土，分別提高了84.67%和81.91%；當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量增加到3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，7和28 d的抗壓強(qiáng)度均出現(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7和28 d的抗折強(qiáng)度測試圖。從圖2可以看出，環(huán)氧樹脂透水混凝土的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的變化趨勢相似，隨著環(huán)氧樹脂摻雜量的增加，改性透水混凝土的抗折強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，改性透水混凝土7和28 d的抗折強(qiáng)度達(dá)到了最大值，分別為1.023和1.26 MPa；當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量增加到3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，7和28 d的抗折強(qiáng)度均降低。分析其改善機(jī)理為：環(huán)氧樹脂的黏度較大，并有一定的韌性，當(dāng)適量的環(huán)氧樹脂摻入混凝土中時(shí)，使得骨料和水泥砂漿之間的結(jié)合力增加，具有一定的韌性抵擋破壞，因此透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均得到了改善；而當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量過多時(shí)，環(huán)氧樹脂會(huì)將水泥砂漿包覆起來，使得水泥漿無法均勻地與骨料表面進(jìn)行結(jié)合，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低。

圖2 環(huán)氧樹脂透水混凝土7和28 d的抗折強(qiáng)度Fig.2 Flexural strength of epoxy resin permeable concrete at 7 and 28 d

2.2 環(huán)氧樹脂透水混凝土的透水性能測試

圖3為環(huán)氧樹脂透水混凝土的透水系數(shù)測試圖。從圖3可以看出，隨著環(huán)氧樹脂摻雜量的增加，改性透水混凝土的透水系數(shù)先減小后輕微增加，所有改性透水混凝土的透水系數(shù)均>4 mm/s，具有較好的透水性能。未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土的透水系數(shù)最大為5.72 mm/s，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，透水系數(shù)達(dá)到了最小值為4.84 mm/s；當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量增加到3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，透水系數(shù)輕微增加。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂的黏度較大，摻入到透水混凝土中后，不僅能夠增加骨料與砂漿之間的結(jié)合力，提高其致密性，還能夠填充透水混凝土的孔隙，使水的流動(dòng)受到阻礙，從而減小透水系數(shù)；而當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量過多時(shí)，會(huì)使骨料與砂漿之間的結(jié)合力降低，透水混凝土的孔隙增大，從而增大透水系數(shù)。

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抗凍性能測試

表3為環(huán)氧樹脂透水混凝土凍融循環(huán)0～60次的質(zhì)量數(shù)據(jù)。從表3可以看出，在凍融循環(huán)20次時(shí)，所有透水混凝土的質(zhì)量均出現(xiàn)了增加，這是因?yàn)閮鋈诖螖?shù)較少，透水混凝土的結(jié)構(gòu)尚未遭到破壞，混凝土中骨料的水分沒有飽和，在凍融前期，骨料和混凝土的孔隙不斷吸水導(dǎo)致質(zhì)量增加；當(dāng)凍融循環(huán)超過20次后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，透水混凝土的質(zhì)量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。

表3 環(huán)氧樹脂透水混凝土凍融循環(huán)0～60次的質(zhì)量變化Table 3 Quality change of epoxy resin permeable concrete after 0-60 freeze-thaw cycles

圖4為環(huán)氧樹脂透水混凝土凍融循環(huán)0～60次的質(zhì)量損失率。從圖4可以看出，當(dāng)凍融循環(huán)≤20次時(shí)，所有透水混凝土的質(zhì)量損失率均出現(xiàn)了降低；當(dāng)凍融循環(huán)>20次時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，透水混凝土的質(zhì)量損失率逐漸增大。在60次凍融循環(huán)下，隨著環(huán)氧樹脂摻雜量的增加，改性透水混凝土的質(zhì)量損失率表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，改性透水混凝土的質(zhì)量損失率最小為0.3233%，抗凍性能最好；當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量增加到3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，質(zhì)量損失率增加至0.3244%。分析其原因?yàn)椋寒?dāng)溫度較低時(shí)，透水混凝土孔隙中的水結(jié)冰，使體積增大，對透水混凝土的結(jié)構(gòu)造成破壞，導(dǎo)致剝落后出現(xiàn)質(zhì)量損失，當(dāng)適量的環(huán)氧樹脂摻入混凝土后，使骨料與水泥砂漿之間的結(jié)合力增大，當(dāng)孔隙中的水結(jié)冰體積增大時(shí)，透水混凝土具有一定的韌性抵擋破壞，因此改性透水混凝土的抗凍性能得到改善；而當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量過大時(shí)，水泥會(huì)被包覆在環(huán)氧樹脂中，導(dǎo)致骨料與水泥砂漿之間的結(jié)合力變差，透水混凝土整體強(qiáng)度降低，當(dāng)孔隙中的水結(jié)冰體積膨脹后，透水混凝土容易受到破壞，抗凍性能下降。

圖4 環(huán)氧樹脂透水混凝土凍融循環(huán)0～60次的質(zhì)量損失率Fig.4 Mass loss rate of epoxy resin permeable concrete after 0-60 freeze-thaw cycles

2.4 環(huán)氧樹脂透水混凝土的微觀形貌測試

圖5為環(huán)氧樹脂透水混凝土凍融循環(huán)60次前后的SEM圖。從圖5(a)和(c)可以看出，在未凍融處理前，未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土中有明顯的孔隙，摻入環(huán)氧樹脂后改性透水混凝土的孔隙減小，致密性明顯增加。從圖5(b)可以看出，經(jīng)過60次凍融循環(huán)處理后，未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土出現(xiàn)了明顯了微裂紋，這是由于凍融循環(huán)處理后孔隙中的水結(jié)冰使體積增大，從而導(dǎo)致透水混凝土的結(jié)構(gòu)受到破壞，孔隙變大。從圖5(d)可以看出，60次凍融循環(huán)下，摻雜2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))環(huán)氧樹脂的改性透水混凝土中微裂紋較少，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂的摻雜增加了混凝土中水泥砂漿的黏度和韌性，提高了結(jié)構(gòu)致密性，增大了混凝土的整體強(qiáng)度，在凍融循環(huán)處理后能夠具有一定的韌性來抵擋破壞，使得抗凍性能提高，這也與力學(xué)性能分析的結(jié)果相吻合。

圖5 環(huán)氧樹脂透水混凝土凍融循環(huán)60次前后的SEM圖：(a)未摻雜環(huán)氧樹脂、未凍融處理；(b)未摻雜環(huán)氧樹脂、凍融循環(huán)60次；(c)摻雜2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))環(huán)氧樹脂、未凍融處理；(d)摻雜2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))環(huán)氧樹脂、凍融循環(huán)60次Fig.5 SEM images of epoxy resin permeable concrete before and after 60 freeze-thaw cycles:(a) Undoped epoxy resin and without freeze-thaw treatment; (b) Undoped epoxy resin and freeze-thaw cycle 60 times; (c) Doped 2wt% epoxy resin and without freeze-thaw treatment; (d) Doped 2wt% epoxy resin and freeze-thaw cycle 60 times

3 結(jié) 論

研究了環(huán)氧樹脂摻雜量對改性透水混凝土力學(xué)性能、透水性能、抗凍性能和微觀形貌的影響，得出如下結(jié)論：

(1)由于環(huán)氧樹脂具有較高的黏度和一定的韌性，當(dāng)環(huán)氧樹脂摻雜到透水混凝土中后，增加了骨料和砂漿之間的粘度，提高了骨料和砂漿之間的結(jié)合強(qiáng)度，隨著環(huán)氧樹脂摻雜量的增加，透水混凝土7和28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均先增大后輕微減小，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，改性透水混凝土具有最大的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

(2)隨著環(huán)氧樹脂摻雜量的增加，改性透水混凝土的透水系數(shù)先減小后輕微增加，所有改性透水混凝土均具有較好的透水性能，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，透水系數(shù)達(dá)到了最小值為4.84 mm/s。

(3)通過凍融循環(huán)測試發(fā)現(xiàn)，在60次凍融循環(huán)下，隨著環(huán)氧樹脂摻雜量的增加，改性透水混凝土的質(zhì)量損失率表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻雜量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，改性透水混凝土的質(zhì)量損失率最小為0.3233%，抗凍性能最好。

(4)SEM分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂的摻雜提高了透水混凝土的結(jié)構(gòu)致密性，摻雜2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))環(huán)氧樹脂的改性透水混凝土在凍融循環(huán)60次下微裂紋明顯少于未摻雜環(huán)氧樹脂的透水混凝土。綜合分析可知，環(huán)氧樹脂的最佳摻雜量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。