防堵塞型透水混凝土的制備與性能

摘 要：為改善路面透水性能，聚合物透水混凝土已逐漸廣泛用于海綿城市的建設中。該試驗采用特細砂和環氧樹脂制備透水材料，通過控制變量法，分別探討了砂的粒徑和聚合物摻量對透水混凝土的抗壓強度以及透水系數的影響。同時還進行了堵塞的模擬實驗，基于圖像分析透水混凝土的孔徑大小，通過觀察混凝土的微觀孔結構分析其性能變化規律。試驗結果表明：在粒徑相同的情況下，隨著環氧樹脂摻量的增加，透水混凝土的抗壓強度逐漸提高，而透水系數逐漸下降;當骨料粒徑為0.15-0.3mm的比例增大時，透水混凝土抗壓強度呈現先增加后下降的趨勢，而透水系數呈現不斷增大的趨勢。當骨料粒徑為0.15-0.3mm，環氧樹脂摻量為骨料質量的5%時，透水混凝土的平均孔隙率為14%，平均等效直徑為214um。當粒徑為0.15-0.3mm和0.3-0.6mm的骨料復摻比例為1：1時綜合性能較好，抗壓強度達41.7MPa，透水系數為1.7mm/s，制品經四次堵塞循環后，透水衰減系數小于20%，防堵塞性能良好。

關鍵詞： 聚合物透水混凝土;骨料粒徑;聚合物摻量;防堵塞;孔結構

中圖分類號：TU473.1? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：

Abstract： In order to improve the permeable performance of pavement， polymer pervious concrete has been widely used in the construction of sponge city. Special fine sand and epoxy resin were used to prepare permeable materials. The influence of particle size and polymer dosage on the compressive strength and permeable coefficient of permeable concrete were discussed by controlling variable method. At the same time， the simulation experiment of blockage was carried out. Based on the image analysis of the aperture of the permeable concrete， and the properties of the concrete was analyzed by observing the microstructure of the concrete. The experimental results show that with the same particle size， with the increase of epoxy resin content， the compressive strength of the permeable concrete gradually increases， while the water permeability coefficient decreases gradually， When the particle size of aggregate is 0.15-0.3 mm， the compressive strength of permeable concrete appears to increase initialy and then decrease， while the permeable coefficient appears to increase continuously. When the aggregate particle size is 0.15-0 .3 mm and the epoxy resin is 5 % of the aggregate mass， the average porosity of the permeable concrete is 14 %， and the average equivalent diameter is 214um. The aggregate blending ratios with particle sizes of 0.15-0.3 and 0.3-0.6 were 1：1， with a compressive strength of 41.7MPa and a permeation coefficient of 1.7mm/s， showing best performance. After the product blocks four cycles， the permeability attenuation coefficient is less than 20%， and the anti-blockage performance is great.

Keywords： polymers pervious concrete; aggregate size; polymer dosage; anti blocking; porosity structure

現代化城市的建設過程中帶來了一系列城市生態問題，例如熱島效應，城市內澇等。為改善生態環境，對透水性地面的需求越來越高，專家學者們提出了海綿城市建設的理念[1]，而透水混凝土作為海綿城市道路建設的一部分，對海綿城市道路建設的滲流、蓄水、凈水等具有重要意義。

聚合物透水混凝土是以高分子樹脂為膠結料，靠樹脂聚合固化形成多孔混凝土[2]。目前國內外對聚合物透水混凝土的研究并不深入[3]，聚合物透水混凝土主要應用于景觀道路、公園廣場等。重慶交通大學的有關專家研究了聚合物骨架空隙混凝土透水路面鋪裝[4]，試驗數據顯示該透水混凝土的透水系數為0.4mm/s、28d抗壓強度為21.4MPa，但使用不久后路面出現表面剝離、膨脹等現象。與水泥透水混凝土相比，聚合物透水混凝土具有較好的透水性能，但硬化后較脆、耐沖擊性能差，且容易老化，力學性能不足，其在透水鋪裝領域中的應用受到限制。聚合物透水混凝土在制備過程中，需要控制質量與優化制作工藝。

透水混凝土是一種生態型環保混凝土，其透水性能依賴于孔隙率。普通的水泥透水混凝土、瀝青透水混凝土等具有較大連通孔隙，空隙率為15%～30%，具有良好透水性能，目前應用最廣泛、研究較為深入。但因其大孔隙透水通道易被外界灰塵之類的微小顆粒堵塞，而導致其透水性能下降，甚至喪失透水性能[5]。不同骨料粒徑制備的透水混凝土的孔隙結構特征差異較大，因此混凝土防堵塞的效果也各有差異。Deo等[6]人研發了一種滲透裝置，通過多次加入等量砂粒來模擬堵塞循環實驗，直至透水系數基本不變時結束試驗。研究認為孔隙尺寸是顆粒尺寸的7倍左右時，透水混凝土的堵塞最為嚴重。而有些透水材料孔隙細小，結構致密，耐磨性好，使用周期較長，如燒結陶瓷透水磚，但它們的生產工藝復雜，成本高，僅用于一些高檔地段，而且在陶瓷透水磚的制作中需高溫燒結消耗大量能源。

透水混凝土的防堵塞效果越好，則透水性能的持續性越長久，且越容易恢復透水效果。國內外相關領域的專家學者對此進行了研究。Kurihara[7]等對孔隙率為20%左右的多孔瀝青透水混凝土和水泥基透水混凝土的堵塞性能進行了研究，比較了堵塞劑種類及其用量對混凝土透水性能影響;Balades[8]等對濕式清掃、純吸式清掃、吸吸式清掃、沖洗抽吸結合等4種緩解空隙堵塞的方式進行了試驗，混凝土中空隙的透水能力和透水持續性進行了研究，分析了透水衰減系數同透水時間的關系。因堵塞決定了透水材料的使用年限，即透水材料的透水性能隨著孔隙堵塞過程而逐漸降低，使其演變成為非透水路面，從而導致其透水功能難以發揮，造成城市內澇災害和經濟損失，透水路面的堵塞過程需進一步研究[9]。

實驗以特細砂為骨料，聚合物環氧樹脂為膠結材料制備透水材料，該種材料同時滿足力學性能與透水性能的新型透水材料，該材料孔隙細小，結構致密，能夠有效防止大部分堵塞物進入透水材料的連通孔隙，在透水層表面將堵塞物“收集”，并通過清掃使其恢復良好的透水性能，從而達到防堵塞效果。研究了骨料粒徑及聚合物摻量對透水混凝土力學性能和透水性能的影響，通過切片獲取二維平面圖像，分析其孔隙結構特征，并進行了防堵塞性能模擬測試。

1試驗原材料及試件制備

1.1原材料

1.1.1骨料 實驗用的骨料為重慶特細砂，選取0.15-0.3mm，0.3-0.6mm兩種粒徑。

1.1.2聚合物 環氧樹脂E-44（6101）型，環氧當量為210～240g/eq，產自湖南省岳陽市云溪區。

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℃）0.97～0.99g/cm3，胺值200～240mgKOH/g。

1.1.4堵塞劑 粒徑小于0.075mm的塵土[10]。

1.2試件制備

實驗配合比如表1所示，環氧樹脂：固化劑的質量比均為2：1，所有試件由JJ-5行星式水泥膠砂攪拌機攪拌而成，實驗先將環氧樹脂與固化劑攪拌60s，再加入特細砂攪拌180s，其次將拌合物分兩層裝入模具中，采用人工插搗成型方式成型、抹平表面，最后將試件帶模烘箱60℃養護45 min后拆模， 并繼續將試件放入60℃烘箱中干熱養護3d。抗壓強度測試試件規格為：40mm×40mm×40mm，透水性能測試試件規格為：100mm×100mm×20mm。具體試驗步驟如圖1所示。

2試件性能測試

2.1抗壓強度

到目前為止，國內尚未制定針對環氧樹脂膠砂力學強度測試的相關標準，該試驗參考 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，用抗壓強度試驗機進行測試，試件的受壓面積為40mm×40mm。

2.2透水系數

目前，中國對透水性混凝土透水系數的測試主要有兩種方法：一種是日本混凝土工學協會推薦的大孔混凝土透水性試驗方法，即常水頭測試方法。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表示透水混凝土的透水系數[11]。前者主要用來測量滲透性較大的材料如大孔隙透水混凝土、砂或砂性土等;后者用來測試滲透性較小的如黏土類土工材[12]。試驗探索發現采用變水頭方法更為合理，即固定水位高度法[13]，所用裝置見圖2

測試前先將試樣的四周進行融蠟密封操作，之后采用橡皮泥進行密封連接，繼而在透水儀中倒入一定量的水，待水的高度到達第一條刻度線時開始計時，水位降至第二條刻度線時停止計時。記錄下時間間隔Δt ，s，兩刻度線的水位高度差為ΔH，mm。同一配比取3個試塊進行試驗，每個試塊至少3次重復測試，取有效值并計算其平均值。

2.3堵塞模擬

試驗過程中，若一次撒布過多質量的堵塞劑，容易發生積聚堵塞現象。試驗模擬堵塞實驗步驟為：（1）測定試塊的初始滲透系數C0，mm/s;（2）稱取10g堵塞劑均勻灑在透水混凝土試件表面，加入一定量水沖刷過濾，待堵塞劑完全靜置于試件表面時，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，并重新測定其透水系數C2， mm/s，上述步驟為一個循環。重復若干循環，直至透水系數在0.5-1.0mm/s，使制品透水性能滿足國家標準要求的條件下研究其防堵塞性能。實驗探索發現進行4個循壞適宜。

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，并結合普通光學數碼相機進行剖面圖像拍攝[14]。用 photoshop圖像處理軟件沿試件邊界線裁剪出試件截面區域圖像，去掉背景圖像，進行圖片的二值化處理，以達到分析目的。

3試驗結果與討論

由圖3和圖4可以看出，在粒徑相同的情況下，隨著環氧樹脂摻量的增加，透水混凝土的抗壓強度逐漸提高，而透水系數逐漸下降。在B組試驗中，環氧摻量為5%和8%時的抗壓強度和透水性能指標均達到規定要求。本試驗優先考慮透水混凝土面層的力學性能。因此，在集料粒徑為0.3-0.6mm，環氧樹脂摻量為8%時，即B3組，表現出最佳的綜合性能，其抗壓強度為33.5MPa，透水系數達1.2mm/s。與5%環氧樹脂摻量的B2組相比，其抗壓強度增長了47.6%。

環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氧樹脂而膠結形成。當聚合物摻量較少時，骨料間滲入的膠黏劑較少，聚合物不足以充分包裹骨料，僅在細砂表面形成一層很薄的膠結層，導致骨料間膠粘性變差，因而抗壓強度較低。隨著聚合物摻量增加，骨料間粘接面積增大，同時不斷填充了骨架間的部分空隙，使骨料表面的粘結力增強，混凝土更密實，抗壓強度隨之增大。

透水混凝土內部空隙的大小、數量和連通孔隙的數量對其透水性能有很大的影響。細砂本身的堆積空隙率比較大，當環氧摻量較小時，用于填充空隙的環氧很少，對整體空隙影響很小，混凝土仍保留有較多的空隙，對流體的阻力小，因此透水系數較大。環氧樹脂用量增大后，則環氧樹脂不僅足以包裹細砂，而且開始填充空隙，使得細砂的堆積更加緊密，從而降低總的空隙率，同時環氧樹脂還會阻斷連通孔隙，增大水流通過的阻力，導致透水系數下降。此外，當環氧樹脂摻量較大時，可能會在重力的作用下沉降到混凝土底部，大幅降低透水性，還會增加生產成本。

3.2骨料級配對聚合物透水混凝土性能的影響

從圖5可知，當細集料級配比例增大時，環氧樹脂透水混凝土抗壓強度呈現先增加后下降的趨勢，而透水系數呈現增大趨勢。在復摻條件下，當兩種粒徑復摻的比例為1：1時綜合效果最佳，其抗壓強度為41.72MPa，透水系數為1.7mm/s。透水系數相對于D9組的最高透水系數3.2mm/s下降了46.9%，而抗壓強度相對于D8組的最低抗壓強度23.1MPa提高了89.2%。

當0.15-0.3mm粒徑的細砂所占比例最高時，骨料總的比表面積過大，而環氧樹脂的摻量固定在5%，不足以完全均勻包裹細砂表面，造成骨料間沒有良好的粘結。隨著0.15-0.3mm粒徑細砂占比降低，骨料總的比表面積隨之減小，在一定的環氧用量下，聚合物對骨料的包裹更充分，環氧樹脂與骨料之間的膠結強度增大，抗壓強度呈上升趨勢，但當其占比不斷減小后，骨料總的比表面積持續降低，表面包裹的膠黏劑過多，產生“流漿”現象，導致抗壓強度降低。透水性能隨著0.3-0.6mm粒徑的細砂用量的增大，骨料緊密堆積程度下降，聚合物透水混凝土的多孔空間骨架的空隙率增大，透水系數提高。

3.3透水制品的防堵塞性能評估

從圖6和圖7可看出，不同尺寸粒徑集料的透水材料透水衰減差異較大，透水系數隨著循環次數的增加而明顯下降。通過觀察A組和B組經四次堵塞后的透水損失可發現，環氧樹脂摻量為3%時的透水系數損失最大，A組試件透水系數衰減損失約10%，而B組損失高達16%左右。分析原因是聚合物摻量較小，聚合物對骨料的包裹不足，混凝土內部形成的孔隙增多，使得堵塞劑更容易進入孔隙內部，造成透水系數損失較大[15]。從A組和B組試件的透水系數及透水系數衰減可知， 0.15-0.3mm粒徑的A組透水系數整體大約損失9%，而0.3-0.6mm粒徑的B組透水系數平均下降了15%左右，即骨料粒徑較小的透水材料，透水損失較小，主要由于堵塞劑大多停留在試件的表面而沒有進入到試件內部造成孔隙堵塞，而骨料粒徑較大時，堵塞劑進入混凝土內部，占據部分孔隙，阻斷了透水通道，導致透水系數降低較大。骨料粒徑組成差異對透水材料的防堵塞性能有著不同程度的影響，因此在骨料級配設計時，可以增大小粒徑骨料的比例，形成小尺寸連通孔隙阻擋堵塞物的進入，從而改善透水混凝土的防堵塞性能。

3.4基于圖像分析孔隙尺寸

對透水混凝土的平面孔隙特征及分布特征進行分析研究。采用切片法獲取透水混凝土不同截面處的二維平面圖像，并結合普通光學數碼相機進行剖面圖像拍攝。利用photoshop圖像處理軟件沿試件邊界線裁剪出試件截面區域圖像，去掉背景圖像，即圖像二值化處理，從而能凸顯出目標的輪廓。圖8為各級配混凝土試塊的截面圖片。

試件剖面圖像獲取時，可能會因為各種原因造成圖像質量降低的問題，所以往往需要對圖像進行增強處理以改善圖像效果。迭代法是基于逼近的思想進行的閾值分割，其基本計算步驟是首先計算圖像最大灰度值和最小灰度值，分別記為Zmax和Zmin，并令初始閾值T0=（Zmax+Zmin）/2;將閾值T0設為分割閾值，并將圖像劃分為目標和背景兩部分，計算兩者平均灰度值Za和Zb，按迭代公式 Tk+1=（Za+Zb）/2 計算出新閾值;迭代過程中當 Tk=Tk+1 時，即為所需閾值。根據圖像的不同可以選擇合適的閾值分割方法。圖9為二值化前后圖像對比圖。

通過連續截面孔隙特征描述可以初步了解透水混凝土孔隙尺寸及分布，平面孔隙的特征參數是進行孔隙形態描述的基礎。（直接參數及通過圖像處理軟件可直接提取的孔隙參數），圖10為各級配混凝土單個孔隙尺寸圖。

從圖8可以看出，從D1-D8總孔隙率呈增大趨勢。因其總孔隙率增大，透水通道增多，水流阻力減小，透水性能良好，透水系數呈逐漸增大的趨勢[16]。圖10可看出，從D1-D5孔尺寸逐漸減小，而從D5-D8孔尺寸逐漸增大。一般來說，抗壓強度隨著孔徑的增大而減小，因而從D1-D8抗壓強度應呈現先增大后減小的趨勢。

由于透水混凝土孔隙結構特征的復雜性和孔隙分布的不規則性，通過平面孔隙直接參數無法進行平面孔隙特征的全面描述，因此，本文選用孔隙等效直徑、平面孔隙率、平均等效直徑指標進行孔隙特征描述。將A組截面圖像為例進行平面孔隙特征的提取，并進行孔隙特征分析。將圖像分割后的透水混凝土孔隙二值化圖像導入 image proplus 圖像分析軟件進行孔隙數量統計，并提取孔隙面積、周長、長軸、短軸、成圓率、形心坐標、與 Y 軸夾角等直接參數，然后經計算獲得孔隙的等效直徑、平面孔隙率評價指標。表3為透水混凝土二維平面孔隙統計匯總表。

由表3可知，從A1-A3組，隨著環氧樹脂摻量的逐漸增大，其孔隙數量不斷減少，平面孔隙率以及平均等效直徑也隨之逐漸減小，這是聚合物對孔隙的逐漸填充作用的表現。孔隙的特征對混凝土的性能有很大影響，通過比較A1和A3切面處平面孔隙表征值和性能指標結果值，孔隙數量相對減少25.8%，平面孔隙率減小34.9%，平均等效直徑減小8.3%，其抗壓強度提高了62.8%，透水系數降低了33.3%。因此，透水混凝土孔隙數量越少，孔隙率越小，孔隙等效平均直徑越小，則透水混凝土的抗壓強度越高，透水系數越小。

4 結論

1）單粒級0.3-0.6mm骨料條件下，環氧樹脂摻量為8%的綜合性能較佳。抗壓強度為33.5MPa，透水系數為1.22mm/s。

2）雙粒級條件下，骨料的摻配存在最佳比例，實驗中，環氧樹脂摻量為5%，0.15-0.3mm和0.3-0.6mm兩種粒徑的骨料摻量比例為1：1時，綜合性能最好。抗壓強度為41.7MPa，透水系數為1.71mm/s。

3）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209-228um，透水系數為0.45mm/s-0.65mm/s，可阻止堵塞劑進入孔結構，能夠保證連通孔隙的有效值，賦予其良好的透水性能和防堵塞性能。

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（編輯：鄧云）