高性能環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. 棗莊市住房建設事業發展中心，山東 棗莊 277800；2. 中南大學 化學化工學院，長沙 410083)

0 引 言

隨著我國城市化和工業化的發展，鋼筋混凝土的高層建筑和混凝土路面已經逐漸覆蓋了城市的地表[1-2]?；炷谅访嬗不鳛槌鞘谢l展的重要環節，不僅有利于交通運輸，還能加速經濟社會的發展[3-5]?；炷磷鳛橹饕褂貌牧?，因其來源廣泛、可塑性強和強度高等特點而被廣泛應用于道路硬化，其中以透水混凝土的應用最多[6-7]。透水混凝土是一種具有良好的透水性環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，因而透水混凝土路面的應用研究也成為了近年來的熱點[8-11]。從路面應用的角度考慮，透水混凝土不僅需要具有良好的透水性和較高的強度，還需要具有優異的耐久性能，尤其在某些偏遠嚴寒地區，長時間的低溫條件會導致透水混凝土路面發生凍融損傷，產生裂紋和縫隙，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者們的關注焦點[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性能和透水性能的影響，發現透水混凝土的抗壓強度隨著PPF長度的增大先增大后減小，抗折強度隨PPF長度和摻量的增大而增大，空隙率和透水系數隨著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性能[15]。凌天清等研究了集料級配、空隙率和水膠比對透水混凝土力學性能和透水性能的影響，結果表明，空隙率對透水混凝土強度及透水系數影響最大，級配和水膠比影響較小，當空隙率為15%～20%、水膠比為0.35時，透水混凝土具有良好的強度和透水性能[16]。目前有關聚合物對透水混凝土的強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,對試樣的力學性能、透水性能和孔隙率進行了研究，發現水灰比對聚合物透水混凝土的力學性能和透水性能影響最大,在最佳水灰比下，試件的最大抗壓強度為45.2 MPa,凍融循環次數為150次[17]。本文以水性環氧樹脂CYDW-100為改性劑，制備出了不同水性環氧樹脂含量的改性透水混凝土，研究了環氧樹脂摻雜量對透水混凝土的力學性能、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 驗

1.1 實驗原材料

水性環氧樹脂：CYDW-100，工業級，環氧當量為170～220，密度為1.2 g/cm3，凝膠時間為7～14 min，固含量為63%～69%，拉伸強度為73 MPa，延伸率為3%，宜興市揚霖新材料有限公司；水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積≥300/，初凝時間≥45 min，終凝時間≤600 min，上海濟韻建材有限公司，水泥的化學組成如表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，茌平縣金順化工有限公司；粗骨料：5～10 mm單粒級級配玄武巖碎石，石家莊德澤礦產品有限公司；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 水泥的化學組成Table 1 Chemical composition of cement

1.2 實驗設備

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

1.3 樣品制備

表2為環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、環氧樹脂和摻合料倒入攪拌機中，其中環氧樹脂的質量占水泥質量的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%的標準養護室中養護至齡期，即得不同環氧樹脂摻雜量的改性透水混凝土。

表2 環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 力學性能測試

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)對環氧樹脂透水混凝土試樣進行力學性能測試，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%的標準養護室中養護7和28 d后取出，在全自動壓力試驗機上進行抗壓強度測試，加載速率為2 kN/s，結果精確到小數點后兩位?？拐蹚姸葴y試時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，當試樣破壞后停止試驗，記錄抗折強度，結果精確到小數點后兩位。

1.4.2 透水性能測試

按照《透水水泥混凝土路面技術規程》(CJJ/T135-2009)對環氧樹脂透水混凝土試樣進行透水系數測試，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K按照式(1)計算：

(1)

式中：K為透水系數，mm/s；Q為時間t秒內滲出的水量，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方法標準》(GB/T50082-2009)對環氧樹脂透水混凝土試樣進行凍融循環測試，將試樣制備成尺寸為150 mm×150 mm×70 mm的立方體，養護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試驗機中開始凍融循環試驗，試件最低溫度為(-18±2)℃，最高溫度為(5±1)℃，凍融循環時間為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為一個循環，循環次數分別為20，40和60 次時稱重并計算質量損失率，質量損失率P按照式(2)計算：

(2)

式中，P為凍融循環j次后的質量損失率，%；mi為第i次凍融循環的質量，kg；mj為第j次凍融循環的質量，kg；其中，i

2 結果與討論

2.1 環氧樹脂透水混凝土的力學性能測試

圖1為環氧樹脂透水混凝土7和28 d的抗壓強度測試圖。從圖1可以看出，隨著環氧樹脂摻雜量的增加，改性環氧樹脂透水混凝土的抗壓強度先增大后輕微減小，未摻雜環氧樹脂的透水混凝土7和28 d的抗壓強度分別為6.13和7.24 MPa。當環氧樹脂的摻雜量為2%(質量分數)時，改性透水混凝土7和28 d的抗壓強度均達到了最大值，分別為11.32和13.17 MPa，相比未摻雜環氧樹脂的透水混凝土，分別提高了84.67%和81.91%；當環氧樹脂的摻雜量增加到3%(質量分數)時，7和28 d的抗壓強度均出現了不同程度的降低。

圖1 環氧樹脂透水混凝土7和28 d的抗壓強度Fig.1 Compressive strength of epoxy resin permeable concrete at 7 and 28 d

圖2為環氧樹脂透水混凝土7和28 d的抗折強度測試圖。從圖2可以看出，環氧樹脂透水混凝土的抗折強度與抗壓強度的變化趨勢相似，隨著環氧樹脂摻雜量的增加，改性透水混凝土的抗折強度先增大后減小，當環氧樹脂的摻雜量為2%(質量分數)時，改性透水混凝土7和28 d的抗折強度達到了最大值，分別為1.023和1.26 MPa；當環氧樹脂的摻雜量增加到3%(質量分數)時，7和28 d的抗折強度均降低。分析其改善機理為：環氧樹脂的黏度較大，并有一定的韌性，當適量的環氧樹脂摻入混凝土中時，使得骨料和水泥砂漿之間的結合力增加，具有一定的韌性抵擋破壞，因此透水混凝土的抗壓強度和抗折強度均得到了改善；而當環氧樹脂的摻雜量過多時，環氧樹脂會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行結合，從而導致抗壓強度和抗折強度降低。

圖2 環氧樹脂透水混凝土7和28 d的抗折強度Fig.2 Flexural strength of epoxy resin permeable concrete at 7 and 28 d

2.2 環氧樹脂透水混凝土的透水性能測試

圖3為環氧樹脂透水混凝土的透水系數測試圖。從圖3可以看出，隨著環氧樹脂摻雜量的增加，改性透水混凝土的透水系數先減小后輕微增加，所有改性透水混凝土的透水系數均>4 mm/s，具有較好的透水性能。未摻雜環氧樹脂的透水混凝土的透水系數最大為5.72 mm/s，當環氧樹脂的摻雜量為2%(質量分數)時，透水系數達到了最小值為4.84 mm/s；當環氧樹脂的摻雜量增加到3%(質量分數)時，透水系數輕微增加。這是因為環氧樹脂的黏度較大，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，使水的流動受到阻礙，從而減小透水系數；而當環氧樹脂的摻雜量過多時，會使骨料與砂漿之間的結合力降低，透水混凝土的孔隙增大，從而增大透水系數。

圖3 環氧樹脂透水混凝土的透水系數Fig.3 Permeability coefficient of epoxy resin permeable concrete

2.3 環氧樹脂透水混凝土的抗凍性能測試

表3為環氧樹脂透水混凝土凍融循環0～60次的質量數據。從表3可以看出，在凍融循環20次時，所有透水混凝土的質量均出現了增加，這是因為凍融次數較少，透水混凝土的結構尚未遭到破壞，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致質量增加；當凍融循環超過20次后，隨著凍融循環次數的增加，透水混凝土的質量呈現出逐漸降低的趨勢。

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

圖4為環氧樹脂透水混凝土凍融循環0～60次的質量損失率。從圖4可以看出，當凍融循環≤20次時，所有透水混凝土的質量損失率均出現了降低；當凍融循環>20次時，隨著凍融循環次數的增加，透水混凝土的質量損失率逐漸增大。在60次凍融循環下，隨著環氧樹脂摻雜量的增加，改性透水混凝土的質量損失率表現出先減小后增大的趨勢，當環氧樹脂的摻雜量為2%(質量分數)時，改性透水混凝土的質量損失率最小為0.3233%，抗凍性能最好；當環氧樹脂的摻雜量增加到3%(質量分數)時，質量損失率增加至0.3244%。分析其原因為：當溫度較低時，透水混凝土孔隙中的水結冰，使體積增大，對透水混凝土的結構造成破壞，導致剝落后出現質量損失，當適量的環氧樹脂摻入混凝土后，使骨料與水泥砂漿之間的結合力增大，當孔隙中的水結冰體積增大時，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；而當環氧樹脂的摻雜量過大時，水泥會被包覆在環氧樹脂中，導致骨料與水泥砂漿之間的結合力變差，透水混凝土整體強度降低，當孔隙中的水結冰體積膨脹后，透水混凝土容易受到破壞，抗凍性能下降。

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

2.4 環氧樹脂透水混凝土的微觀形貌測試

圖5為環氧樹脂透水混凝土凍融循環60次前后的SEM圖。從圖5(a)和(c)可以看出，在未凍融處理前，未摻雜環氧樹脂的透水混凝土中有明顯的孔隙，摻入環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，經過60次凍融循環處理后，未摻雜環氧樹脂的透水混凝土出現了明顯了微裂紋，這是由于凍融循環處理后孔隙中的水結冰使體積增大，從而導致透水混凝土的結構受到破壞，孔隙變大。從圖5(d)可以看出，60次凍融循環下，摻雜2%(質量分數)環氧樹脂的改性透水混凝土中微裂紋較少，這是因為環氧樹脂的摻雜增加了混凝土中水泥砂漿的黏度和韌性，提高了結構致密性，增大了混凝土的整體強度，在凍融循環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，這也與力學性能分析的結果相吻合。

圖5 環氧樹脂透水混凝土凍融循環60次前后的SEM圖：(a)未摻雜環氧樹脂、未凍融處理；(b)未摻雜環氧樹脂、凍融循環60次；(c)摻雜2%(質量分數)環氧樹脂、未凍融處理；(d)摻雜2%(質量分數)環氧樹脂、凍融循環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 論

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

(1)由于環氧樹脂具有較高的黏度和一定的韌性，當環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合強度，隨著環氧樹脂摻雜量的增加，透水混凝土7和28 d的抗壓強度和抗折強度均先增大后輕微減小，當環氧樹脂的摻雜量為2%(質量分數)時，改性透水混凝土具有最大的抗壓強度和抗折強度。

(2)隨著環氧樹脂摻雜量的增加，改性透水混凝土的透水系數先減小后輕微增加，所有改性透水混凝土均具有較好的透水性能，當環氧樹脂的摻雜量為2%(質量分數)時，透水系數達到了最小值為4.84 mm/s。

(3)通過凍融循環測試發現，在60次凍融循環下，隨著環氧樹脂摻雜量的增加，改性透水混凝土的質量損失率表現出先減小后增大的趨勢，當環氧樹脂的摻雜量為2%(質量分數)時，改性透水混凝土的質量損失率最小為0.3233%，抗凍性能最好。

(4)SEM分析發現，環氧樹脂的摻雜提高了透水混凝土的結構致密性，摻雜2%(質量分數)環氧樹脂的改性透水混凝土在凍融循環60次下微裂紋明顯少于未摻雜環氧樹脂的透水混凝土。綜合分析可知，環氧樹脂的最佳摻雜量為2%(質量分數)。