趙 靜，王昳昀，孫慧斌

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

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)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(huì)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(wèn)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(jiàn)推廣既具有路用性能又具有良好透水性能的混凝土對(duì)于城市建設(shè)顯得尤為重要。透水混凝土是指在制備過(guò)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(shù)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(guò)調(diào)整環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂透水混凝土成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[17-18]。劉志艷等采用環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂用量、玻璃砂尺寸對(duì)透水混凝土性能的影響。結(jié)果表明，隨著環(huán)氧樹(shù)脂用量增加，玻璃-環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)脂、T-31酚醛胺固化劑和長(zhǎng)余輝發(fā)光材料制備了發(fā)光樹(shù)脂透水混凝土，研究了環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)混凝土力學(xué)和滲透性能的影響，結(jié)果表明，環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)混凝土力學(xué)和滲透性能的影響較大，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的摻雜含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(shù)脂透水混凝土為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)整環(huán)氧樹(shù)脂(E42型)的摻雜比例，探究了環(huán)氧樹(shù)脂含量對(duì)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(shù)脂透水混凝土。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

環(huán)氧樹(shù)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(wàn)吉建業(yè)建材有限公司；粉煤灰(Ⅱ級(jí))：比表面積為3 350 cm2/g，需水比為102%，密度為2.25 g/cm3，北京萬(wàn)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(wàn)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(shù)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(shù)脂E42，固化劑選擇乙二胺(EDA)，EDA與環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)脂透水混凝土。

表1 環(huán)氧樹(shù)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(cè)試：將環(huán)氧樹(shù)脂透水混凝土樣品制備成100 mm×100 mm×100 mm的立方體，對(duì)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試樣的非成型模朝上，當(dāng)壓力值達(dá)到最大值的85%時(shí)停止，加載強(qiáng)度為0.5 kN/s，每組樣品測(cè)試3次，取平均值為最終結(jié)果。抗折強(qiáng)度的測(cè)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(shí)刻的載荷，每組樣品測(cè)試3次，取平均值為最終結(jié)果。

滲透性能測(cè)試：通常用透水系數(shù)來(lái)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(cè)試儀上測(cè)試環(huán)氧樹(shù)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(cè)試3次，取平均值作為最終結(jié)果。

SEM分析：采用Sirion200場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(荷蘭PHILIPS公司)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂透水混凝土樣品的斷面微觀形貌進(jìn)行表征。

孔隙率測(cè)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(duì)環(huán)氧樹(shù)脂透水混凝土樣品的孔隙率進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，計(jì)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(cè)質(zhì)量，g；m2為試樣從水中取出烘干后所測(cè)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(shù)脂透水混凝土的力學(xué)性能測(cè)試

圖1為環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂摻雜含量的增加，環(huán)氧樹(shù)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(shì)，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(shù)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(shù)脂的摻雜含量增加至5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(shù)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(shù)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(shù)脂摻雜含量的增加，環(huán)氧樹(shù)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(shì)，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(shù)脂的透水混凝土抗折強(qiáng)度提高了8.47%；當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的摻雜含量增加至5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(shù)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(shù)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(shì)接近，均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。分析其原因，一方面，摻入適量的環(huán)氧樹(shù)脂后，透水混凝土漿體的粘度增加，環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)脂的摻雜含量過(guò)多時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂會(huì)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(huì)與骨料脫落，從而降低混凝土的強(qiáng)度，此外，過(guò)多的環(huán)氧樹(shù)脂還會(huì)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(shù)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(shù)脂透水混凝土的滲透性能測(cè)試

圖3為環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shì)，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(shù)脂的摻雜含量增加至5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(shù)脂后，環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)透水混凝土的間隙和孔道進(jìn)行了填充，導(dǎo)致其對(duì)水流通產(chǎn)生了阻礙，且環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂含量增加至5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，過(guò)量的環(huán)氧樹(shù)脂會(huì)對(duì)骨料及漿料產(chǎn)生包覆作用，且過(guò)多的環(huán)氧樹(shù)脂會(huì)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(shù)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(shù)脂透水混凝土的SEM分析

圖4為環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)脂的摻雜含量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(shù)脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，基本無(wú)明顯的孔洞裂痕，斷裂面也較為平整，說(shuō)明摻入適量的環(huán)氧樹(shù)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(shí)各顆粒間的強(qiáng)結(jié)合不會(huì)使其輕易產(chǎn)生裂痕。從圖4(d)可以看出，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的摻雜含量增加到5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，又出現(xiàn)了少許孔洞，這是因?yàn)檫^(guò)量的環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)脂透水混凝土的孔隙率測(cè)試

圖5為環(huán)氧樹(shù)脂透水混凝土的孔隙率。從圖5可以看出，隨著環(huán)氧樹(shù)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(shì)。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，樣品的孔隙率最低，為22.7%，相比未摻雜環(huán)氧樹(shù)脂的透水混凝土，孔隙率降低了4.6%；當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂含量增加至5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(shù)脂后，具有較強(qiáng)流動(dòng)性的環(huán)氧樹(shù)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(guò)量的環(huán)氧樹(shù)脂后，環(huán)氧樹(shù)脂會(huì)對(duì)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(huì)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(shù)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(shù)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(shù)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(shì)。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(shù)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(shù)脂的透水混凝土抗折強(qiáng)度提高了8.47%。

(2)隨著環(huán)氧樹(shù)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(shì)，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(shù)脂的透水混凝土有明顯的孔洞，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，基本無(wú)明顯的孔洞裂痕，斷裂面也較為平整，說(shuō)明摻入適量的環(huán)氧樹(shù)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(shí)各顆粒間的強(qiáng)結(jié)合不會(huì)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(shù)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(shì)。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的摻雜含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，樣品的孔隙率最低，為22.7%，相比未摻雜環(huán)氧樹(shù)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(cè)試發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂的最佳摻雜量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。