曹世海，瞿靜茹，楊皓程，湯哲林，張波，高文通，韓冰

（1.南京工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.南京工程學(xué)院 先進(jìn)工業(yè)技術(shù)研究院，江蘇 南京 211167）

0 引 言

海綿城市的本質(zhì)是改變傳統(tǒng)城市建設(shè)理念，實(shí)現(xiàn)與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]，通過“滲水、滯水、蓄水、凈水、用水、排水”、相互利用，最大限度地降低城市化建設(shè)對(duì)水生態(tài)水文環(huán)境造成的負(fù)面影響。以透水磚為主體的透水路面是海綿城市最重要的基礎(chǔ)設(shè)施部分[2]。相比傳統(tǒng)混凝土材料，硅砂透水磚是一種高透水性、高保水性、多功用性且經(jīng)濟(jì)效益良好的路面磚，在國外已廣泛應(yīng)用[3-4]。砂基透水磚可以很好地解決透水磚內(nèi)部孔隙易被小顆粒阻塞、多孔隙造成的強(qiáng)度偏低以及透水性強(qiáng)時(shí)保水性差的技術(shù)難題[5-6]。

趙威等[7]使用0.70~1.00 mm、1.00~1.70 mm 和1.70~3.35 mm 的骨料制備透水磚發(fā)現(xiàn)，骨料的粒徑越粗，燒制的透水磚透水性越好，強(qiáng)度越低。楊童鑫等[8]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量為3.5%~6.0%時(shí)，硅砂透水磚的抗壓、抗折強(qiáng)度隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而提高，透水速率隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而減小。目前對(duì)硅砂透水磚的研究大多是以單一因素為主，還需考慮透水磚的透水性能可能會(huì)因截留顆粒物而下降；此外，常用有機(jī)粘結(jié)劑（脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、雙酚A 型環(huán)氧樹脂）耐候性較差，在使用過程中會(huì)因外界環(huán)境變化而產(chǎn)生老化發(fā)黃的現(xiàn)象，降低透水磚的使用壽命[9]。因此，制備低樹脂用量、高強(qiáng)度、低成本、具有防堵塞功能以及長壽命的硅砂透水磚對(duì)于促進(jìn)海綿城市建設(shè)具有十分重要的意義。

本文選用氫化雙酚A 型環(huán)氧樹脂，與雙酚A 型環(huán)氧樹脂相比，氫化雙酚A 型環(huán)氧樹脂中的苯環(huán)全部由飽和六元環(huán)替代，因而具有優(yōu)異的耐候性和韌性，能夠在一定程度上延長所制備透水磚的使用壽命，與一般粘結(jié)劑相比具有良好的耐熱性、長期耐老化性以及不易變色的特點(diǎn)[10]。試驗(yàn)研究了硅砂粒徑與環(huán)氧樹脂摻量對(duì)于透水磚性能的影響，通過測試硅砂透水磚的物理力學(xué)性能，分析不同配比制備的硅砂透水磚在抗壓、抗折強(qiáng)度、防滑性、透水速率等方面差異，探究制備硅砂透水磚的最佳材料配比，為硅砂透水磚在海綿城市中的應(yīng)用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

硅砂：內(nèi)蒙古鄂爾多斯巴丹吉林沙漠砂，粒徑分別為35目、50 目和70 目；環(huán)氧樹脂：氫化雙酚A 型環(huán)氧樹脂，武漢普洛夫生物科技有限公司，環(huán)氧值為0.56~0.58 mol/100 g；TX-5酚醛胺固化劑：濟(jì)南濟(jì)濱化工有限公司；KH560 硅烷偶聯(lián)劑：杭州杰西卡化工有限公司，均為分析純。

1.2 硅砂透水磚制備

采取靜壓成型的方法制備硅砂透水磚樣品，試件尺寸為300 mm×300 mm×60 mm，制備過程如下：控制環(huán)氧樹脂、酚醛胺固化劑和KH560 硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量比為100∶50∶1，采用分別占硅砂質(zhì)量2%、4%、6%、8%的氫化雙酚A 型環(huán)氧樹脂為高分子粘結(jié)劑，放入VM300SA3 型行星式重力攪拌機(jī)中脫泡后，加入硅砂中充分?jǐn)嚢?，將攪拌均勻的砂漿倒入模具中，蓋上蓋板施加100 N 壓力，12 h 后取出，得到硅砂透水磚。

1.3 測試方法

根據(jù)JG/T 376—2012《砂基透水磚》對(duì)本研究制備的硅砂透水磚的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、防滑性、透水速率、保水性、濾水率等性能進(jìn)行測試。采用FTIR-850 型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)固化前后的環(huán)氧樹脂進(jìn)行表征，分析環(huán)氧樹脂固化前后的官能團(tuán)變化。采用ZBY-2P 型熱重分析儀對(duì)透水磚樣品進(jìn)行表征，測量樣品質(zhì)量隨溫度升高的變化趨勢(shì)，采用N2氣氛，溫度為25~1000 ℃，升溫速率為10 ℃/min。采用日本電子公司JMS-6360 LV 型掃描電子顯微鏡對(duì)透水磚樣品的微觀形貌進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅砂透水磚的表征

氫化雙酚A 型環(huán)氧樹脂與透水高分子固化產(chǎn)物的FTIR圖譜如圖1 所示。

圖1 氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂與透水高分子固化產(chǎn)物的FTIR 圖譜

由圖1 可見，氫化雙酚A 型環(huán)氧樹脂在910 cm-1處出現(xiàn)了環(huán)氧基團(tuán)特征峰，但在固化產(chǎn)物中該處的特征峰已經(jīng)消失，同時(shí)在3376 cm-1處出現(xiàn)了較寬的羥基特征峰，在1731 cm-1處出現(xiàn)了C—H 特征峰，說明在環(huán)氧樹脂固化過程中，氫化雙酚A 型環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基團(tuán)由線性結(jié)構(gòu)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)。硅砂粒徑為50 目時(shí)，不同環(huán)氧樹脂摻量硅砂透水磚的熱重曲線如圖2 所示。

圖2 不同環(huán)氧樹脂摻量硅砂透水磚樣品的熱重曲線

由圖2 可見，隨著環(huán)氧樹脂摻量增加，硅砂透水磚樣品的主失重階段的起始溫度有所升高。因?yàn)殡S著環(huán)氧樹脂摻量增加，硅砂砂粒逐漸被環(huán)氧樹脂潤濕包覆，兩者界面之間的結(jié)合力逐漸增加，提高了破壞結(jié)合力所需要的能量，導(dǎo)致主失重階段的結(jié)束溫度逐漸升高。當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量為6%時(shí)，環(huán)氧樹脂完全潤濕硅砂，兩者之間的結(jié)合力達(dá)到最大，此時(shí)繼續(xù)提高環(huán)氧樹脂摻量只能增加硅砂表面的樹脂膜厚度，對(duì)提高兩者界面之間的結(jié)合力作用不明顯。所以環(huán)氧樹脂摻量為6%和8%時(shí)透水磚的尾部失重階段起始溫度變化較小?？紤]原料成本，環(huán)氧樹脂摻量定為4%。

環(huán)氧樹脂摻量為4%時(shí)，不同硅砂粒徑的硅砂透水磚樣品微觀形貌如圖3 所示。

圖3 硅砂透水磚樣品的微觀形貌

由圖3 可見，隨著硅砂目數(shù)增大，砂粒表面的樹脂膜厚度減小，砂粒比表面積隨著硅砂目數(shù)的增大而增大。在環(huán)氧樹脂摻量一定時(shí)，環(huán)氧樹脂膜的厚度減小，砂粒之間的粘結(jié)作用弱化，從而會(huì)影響硅砂透水磚的強(qiáng)度。

2.2 硅砂透水磚的力學(xué)性能分析

不同環(huán)氧樹脂摻量及硅砂粒徑時(shí)硅砂透水磚的抗壓、抗折強(qiáng)度如圖4 所示。

圖4 不同環(huán)氧樹脂摻量及硅砂粒徑硅砂透水磚的強(qiáng)度

由圖4（a）可見，在環(huán)氧樹脂摻量一定的情況下，隨著硅砂粒徑的減小，硅砂透水磚的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。硅砂粒徑減小能夠降低透水磚的孔隙率，使其分擔(dān)外力的能力增強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度提高[11]，同時(shí)，硅砂粒徑減小會(huì)增加單位體積內(nèi)的硅砂數(shù)量，降低了硅砂砂粒表面的環(huán)氧樹脂膜厚度，導(dǎo)致砂粒間的粘結(jié)能力下降，使其抗壓強(qiáng)度提高的幅度逐漸降低。隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，硅砂透水磚的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。環(huán)氧樹脂摻量增加，使得砂粒上的樹脂膜逐漸完整和均勻，砂粒之間的粘結(jié)層變厚，粘結(jié)能力提高，提高了透水磚的抗壓強(qiáng)度[12]。

由圖4（b）可見，隨著硅砂粒徑的減小，透水磚的抗折強(qiáng)度逐漸提高。由于硅砂粒徑減小，其表面的樹脂膜厚度逐漸降低，粘結(jié)性能下降，透水磚的抗折強(qiáng)度上升幅度減小。但是硅砂粒徑減小，增加提高了硅砂比表面積，增加了砂粒之間的接觸點(diǎn)，使得透水磚的抗折強(qiáng)度逐漸提高。隨著環(huán)氧樹脂摻量增加，硅砂砂粒之間形成了高黏度的膠結(jié)層，提高了砂粒之間的粘結(jié)強(qiáng)度，使得硅砂透水磚的強(qiáng)度提高。

2.3 硅砂透水磚的防滑性能分析

試驗(yàn)使用BM-Ⅲ型擺式摩擦系數(shù)測定儀進(jìn)行防滑性能測試，確保儀器處于水平狀態(tài)，滑動(dòng)長度為126 mm。在整個(gè)測試過程中保持用噴壺對(duì)透水磚進(jìn)行澆灑。擺在透水磚表面滑過，指針顯示的數(shù)值為擺值，數(shù)據(jù)從第2 次開始記錄。在擺桿回落時(shí)用左手接住擺，并用右手提起舉升柄使滑溜塊升高，讓擺向右運(yùn)動(dòng)，最終使擺桿和指針重新置水平釋放位置，記錄測得的擺值即BPN，最終以5 次測量的平均值作為測試結(jié)果。不同環(huán)氧樹脂摻量及硅砂粒徑時(shí)硅砂透水磚的防滑值如圖5 所示。

圖5 不同環(huán)氧樹脂摻量及硅砂粒徑硅砂透水磚的防滑值

由圖5 可見，硅砂粒徑的減小和環(huán)氧樹脂摻量增加均會(huì)導(dǎo)致BPN 值減小，使得透水磚表面的水分滲入磚體的難度增加的同時(shí)降低透水磚的表面粗糙度，導(dǎo)致透水磚的防滑性能下降[13]。

2.4 透水性分析

不同環(huán)氧樹脂摻量及硅砂粒徑硅砂透水磚的透水速率如圖6 所示。

圖6 不同環(huán)氧樹脂摻量及硅砂粒徑硅砂透水磚的透水速率

由圖6 可見，隨環(huán)氧樹脂摻量由2%增至8%，35 目硅砂透水磚的透水速率從2.1 mL/（min·cm2）下降到1.0 mL/（min·cm2），50 目硅砂透水磚的透水速率從1.8 mL/（min·cm2）下降到0.7 mL/（min·cm2），70 目硅砂透水磚透水速率從1.5 mL/（min·cm2）下降到0.4 mL/（min·cm2）。在環(huán)氧樹脂摻量相同的情況下，隨著硅砂粒徑減小，硅砂透水磚的透水速率逐漸降低。透水磚的透水速率取決于其連通孔隙的數(shù)量，即有效孔隙率越大，透水性能越好。硅砂粒徑減小，透水磚內(nèi)部的連通孔隙數(shù)量逐漸減少，硅砂透水磚的透水速率降低[14]。隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，硅砂透水磚的透水速率逐漸下降。環(huán)氧樹脂摻量增加，對(duì)透水磚內(nèi)部孔隙的填充效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，有效孔隙率減少，導(dǎo)致透水速率逐漸降低[8]。

綜合考慮抗壓強(qiáng)度、透水速率及經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)氧樹脂的摻量定為2%~4%。

2.5 硅砂透水磚的保水性分析

不同環(huán)氧樹脂摻量及硅砂粒徑硅砂透水磚的保水率如圖7 所示。

圖7 不同環(huán)氧樹脂摻量及硅砂粒徑硅砂透水磚的保水率

由圖7 可見，隨著硅砂粒徑的減少和環(huán)氧樹脂摻量增加，透水磚的保水率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

硅砂粒徑的減小和環(huán)氧樹脂摻量增加均會(huì)降低透水磚的透水性能，使得保水性能增強(qiáng)，但是在硅砂粒徑過大、環(huán)氧樹脂摻量過高的情況下，透水磚有效孔隙率和孔隙尺寸過小，水分滲入磚的難度增加，保水性能反而下降[15]。考慮保水率以及經(jīng)濟(jì)成本，選用50 目硅砂制備透水磚。

2.6 硅砂透水磚的濾水率分析

用高嶺土粉和去離子水配制懸濁液模擬道路徑流水樣，粉和水的比例為8 g/L。不同目數(shù)的高嶺土粉配比如表1 所示。

表1 不同目數(shù)的高嶺土粉配比

濾水率測試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同環(huán)氧樹脂摻量及硅砂粒徑硅砂透水磚的濾水率

由圖8 可見，當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量從2%增至8%時(shí)，35 目硅砂透水磚的濾水率從79.1%增至89.3%，50 目硅砂透水磚的濾水率從84.9%增至94.5%，70 目硅砂透水磚的濾水率從89.8%增至95.9%，硅砂粒徑減小和環(huán)氧樹脂摻量增加提高了硅砂透水磚的濾水率。當(dāng)懸濁液進(jìn)入磚的內(nèi)部時(shí)，高嶺土雜質(zhì)被硅砂顆粒攔截，水則從間隙中流出，因而硅砂的粒徑會(huì)直接影響濾水材料的濾水效果。硅砂粒徑較大時(shí)，透水磚孔隙率較高，對(duì)于水中細(xì)小懸浮物的過濾能力較弱。硅砂粒徑減小使得透水磚孔隙率降低，濾水性能逐漸增強(qiáng)，透水磚的濾水率逐漸上升。硅砂粒徑進(jìn)一步減小導(dǎo)致透水磚孔隙率過小，對(duì)固體懸浮物滲入透水磚產(chǎn)生了阻礙，導(dǎo)濾水率進(jìn)一步上升。隨著環(huán)氧樹脂摻量增加，透水磚的孔隙率逐漸降低，固體懸浮物通過透水磚的難度上升，透水磚濾水性能增強(qiáng)。

3 結(jié) 語

（1）紅外光譜分析表明，氫化雙酚A 型環(huán)氧樹脂能夠與酚醛胺固化劑發(fā)生反應(yīng)固化，掃描電子顯微鏡和熱重測試結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂能夠完全潤濕硅砂表面，并與硅砂之間產(chǎn)生結(jié)合力。

（2）環(huán)氧樹脂摻量增加和硅砂粒徑減小將改善硅砂透水磚的濾水率、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，降低其防滑性能和透水速率，使得保水率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

（3）在滿足JG/T 376—2012 的前提下，綜合考慮材料成本，當(dāng)硅砂粒徑為50 目，氫化雙酚A 型環(huán)氧樹脂摻量為硅砂質(zhì)量的4%，固化劑摻量為硅砂質(zhì)量的2%，硅烷偶聯(lián)劑KH560摻量為硅砂質(zhì)量的0.04%時(shí)，制備的硅砂透水磚性能最佳，其透水速率為1.5 mL/（min·cm2），濾水率為90.2%，保水率為0.068 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為33.15 MPa，抗折強(qiáng)度為3.66 MPa，防滑值為75 BPN。