防堵塞型透水制品的制備與性能研究

唐靜，趙玉婷，梁美坤，賀瀕葦，余意恒，曾路

(重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045)

現代化城市建設導致城市熱量增加，城市的立體化降低了散熱作用，大量水泥混凝土、瀝青混凝土等不透水硬化路面減弱了水的滲透與蒸發，從而造成一系列城市生態問題，例如熱島效應、城市內澇等。為改善城市生態環境，楊陽等[1]、連亞明等[2]提出了海綿城市建設理念。透水性地面是解決生態問題的關鍵，目前應用最廣泛、研究較深入的是大孔隙水泥透水混凝土與瀝青透水混凝土，但其大孔隙透水通道易被外界灰塵之類的微小顆粒堵塞，維護成本較高[3]。聚合物透水混凝土因其較好的裝飾效果以及較強的透水性，越來越多地被用于景觀、公園、休閑小道等路面鋪裝領域[4-5]。

對于聚合物透水混凝土，學者們進行了相關研究。宗曉軍等[6]發現，不摻加聚合物的透水磚在較大的水灰比條件下，試樣孔隙容易被水泥漿體堵塞，很難形成較為理想的連通孔隙，無法保證透水效果；Giustozzi[7]、李子成等[8]的研究表明，以環氧樹脂為膠黏劑的聚合物透水混凝土抗壓強度更高；Jimenez等[9]分析研究了透水路面的滲透性隨時間的演化規律；Deo等[10]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，直至滲透系數基本不變時，結束試驗，研究表明，孔隙尺寸是顆粒尺寸的7倍左右時,透水混凝土的堵塞最嚴重，而孔隙尺寸隨孔隙率增大而增大。

目前，學者們對聚合物透水混凝土的研究并不深入，尚無一個統一評判標準。本文旨在研究骨料粒徑及聚合物摻量對透水混凝土力學性能、透水性能及防堵塞性能的影響。

1 試驗原材料及試件制備

1.1 原材料

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

1.1.2 聚合物 環氧樹脂E-44(6101)型，環氧當量為210～240 g,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 ℃)0.97～0.99 g/cm3,胺值200～240 mgKOH/g。

1.1.4 堵塞劑 粒徑小于0.075 mm的塵土。

1.2 試件制備

按照表1和表2的配合比進行攪拌，環氧樹脂和固化劑比例為2∶1，所有試件由JJ-5行星式水泥膠砂攪拌機攪拌而成。先將環氧樹脂與固化劑攪拌均勻，再加入特細砂攪拌一定時間，骨料與聚合物混合均勻后，采用人工插搗成型。抗壓強度試驗試件規格為40 mm×40 mm×40 mm，透水試驗試件規格為100 mm×100 mm×20 mm，試件帶模經烘箱60 ℃養護至開始固化后拆模，并繼續將試件放入60 ℃烘箱中熱養3 d,然后進行試件性能測試。

表1 單粒級配合比設計Table 1 Single-grading mix design

表2 雙粒級配合比Table 2 Double-grading mix design

2 試件性能測試

2.1 抗壓強度

截至目前，中國尚未制定出針對環氧樹脂膠砂力學強度的相關標準，試驗參考《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)，用抗壓強度試驗機進行測試，試件的受壓面積為40 mm×40 mm。

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。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表示透水性混凝土的透水系數[11]。試驗采用變水頭方法，也即固定水位高度法[12]。定制的透水儀尺寸為100 mm×100 mm×350 mm的透明套筒，其兩端開口，上下刻度間距離為250 mm。首先，用橡皮泥對試件和透水儀一端開口進行密封；然后，向透水儀中加水至超過上刻度，對水面從上刻度下降到下刻度所經過的時間進行計時；最后，由公式V=H/Δt計算得出，式中，H為上下刻度間距離，Δt為水面流經上下刻度的時間。

2.3 堵塞模擬

將10 g堵塞劑均勻灑在透水混凝土試件表面，測透水系數。測完后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，上述步驟為一個循環。重復加入等量堵塞劑，直至4個循環，停止實驗，分別測試每個循環的透水系數。

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[13]。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，去除背景圖像，進行圖片的二值化處理，以達到分析目的。

3 試驗結論

3.1 聚合物摻量對聚合物透水混凝土性能的影響

根據表1的配比，由圖1和圖2可知，在粒徑相同的情況下，隨著環氧樹脂摻量的增加，環氧樹脂透水混凝土的抗壓強度逐漸提高，而透水系數逐漸下降。其中，B組實驗的環氧摻量為5%和8%時，指標達到要求，考慮到試驗在強度和透水中相對重視提高透水混凝土面層的強度性能，因此，以抗壓強度的增長作為評判較優配比的依據。在粒徑為0.3～0.6 mm，環氧摻量為8%時，即B3組，表現出較佳的綜合性能，其抗壓強度為33.5 MPa,透水系數達1.2 mm/s。相同粒徑下，相比較5%摻量時的B2組，其透水系數雖然下降了63.6%，但其抗壓強度卻增長了47.6%。

圖1 聚合物摻量與抗壓強度的關系Fig.1 The relationship between polymer dosage and

圖2 聚合物摻量與透水系數的關系Fig.2 The relationship between polymer dosage and

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在一起的體系。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較薄的膠結層，導致骨料間膠粘性變差，因而抗壓強度較低；隨著聚合物摻量的增加，骨料間粘接面積增大，并不斷填充骨架間的部分空隙，使骨料表面的粘結力增強，混凝土更密實，則抗壓強度隨之增大。

透水混凝土內部空隙的大小、數量和連通孔隙的數量對透水性能有較大影響。細砂本身的堆積空隙率較大，當環氧摻量較小時，用于填充孔隙的環氧樹脂較少，對整體空隙影響較小，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，環氧樹脂不僅可以包裹細砂，也開始填充空隙，使得細砂的堆積更加緊密，從而降低總的孔隙率；同時，環氧樹脂還會阻斷連通孔隙，增大水流通過的阻力，使透水系數測定值下降；另外，環氧樹脂過量時，會在重力的作用下沉降到混凝土底部，不僅較大程度地降低了透水性，還增加了生產成本。

3.2 骨料級配對聚合物透水混凝土性能的影響

根據表2的配比，從圖3可知，環氧樹脂透水混凝土抗壓強度隨著顆粒較大粒徑復摻含量的增大而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；同時，在復摻條件下，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41.72 MPa，透水系數為1.7 mm/s，透水系數相對于D9組的最高透水系數3.2 mm/s，下降了46.9%，而抗壓強度相對于D8組的最低抗壓強度23.1 MPa，提高了89.2%。

圖3 骨料級配對聚合物透水混凝土性能的影響Fig 3 Effect of gradation on the performance of polymers

當0.15～0.3 mm粒徑的細砂所占比例最高時，骨料總體的比表面積過大，而環氧樹脂的摻量固定在5%，不足以完全均勻地包裹在細砂表面，造成細砂間沒有良好的粘結。隨著細砂占比降低，細砂的比表面積隨之減小，在一定的環氧樹脂用量下，聚合物對細砂的包裹更完全，提高了環氧樹脂與細砂之間的膠結強度，抗壓強度由此呈上升趨勢。但當比例增大后，其比表面積持續降低，細砂表面的膠黏劑過多，使得整個體系的粘聚性不斷下降，壓強隨之降低。對于透水性能，隨著0.3～0.6 mm粒徑細砂用量的增大，骨料越不容易緊密堆積，聚合物透水混凝土的多孔空間骨架的空隙率也就越大，透水系數因此越大。

3.3 透水制品的防堵塞性能評估

由圖4和圖5可知，透水系數隨著循環次數的增加明顯下降。通過觀察A組和B組兩種粒徑經4次堵塞后的透水損失可發現，摻量為3%時的透水系數損失均最大，A組損失約10%，而B組損失達16%左右。這是由于在摻量較小的情況下，聚合物對骨料的包裹不足，混凝土內部形成的孔隙更多、更大，堵塞劑因而更容易進入孔隙，透水系數損失較大[14]。另外，對比A組和B組，粒徑為0.15～0.3 mm的A組透水系數整體大約損失9%，而粒徑為0.3～0.6 mm的B組透水系數平均下降了15%左右，也即粒徑較小的透水材料透水損失較小。這是因為堵塞劑大多停留在較小粒徑試件的表面，大多沒有進入到試件內部成為堵塞物質；而粒徑較大時，堵塞劑進入混凝土內部，占據部分孔隙，阻斷了透水通道，透水系數因而降低。

圖4 A組透水系數損失Fig.4 loss of permeation coefficient from group

圖5 B組透水系數損失Fig.5 loss of permeation coefficient from group

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，去除背景圖像，也即圖像二值化處理，使圖像中數據量減少，從而能凸顯出目標的輪廓，如圖6～圖8所示，最終得到圖9，以達到分析目的。

圖6 圖像預處理

圖7 各級配混凝土試塊非成型面電鏡圖Fig.7 Micrograph of non-molded surface of concrete bars

圖9 各級配混凝土孔尺寸電鏡圖Fig.9 Micrograph of concrete pore from different

由圖7可知，D1～D8總體上孔隙率逐漸增大，透水通道增多，水流阻力減小，因此，其透水性能越來越好，透水系數呈逐漸增大的趨勢[15]。分析圖9可知，D1～D5的孔尺寸逐漸減小，D5～D8的孔尺寸逐漸增大。一般情況下，抗壓強度隨著孔徑的增大而減小，因而，D1～D8的抗壓強度應呈現先增大后減小的趨勢，這也與實驗結果相符合。另外，對A組的試塊通過Image圖像處理軟件可直接提取的孔隙參數見表3。

表3 透水混凝土二維平面孔隙統計匯總表Table 3 General summary of two-dimensional surface porosity statistics of pervious concrete

由表3可知，隨著環氧樹脂摻量的逐漸增大，A1～A3組孔隙數量不斷減少，平面孔隙率以及平均等效直徑也隨之逐漸減小，這也是聚合物對孔隙逐漸填充作用的表現。孔隙的特征對混凝土的性能有較大影響，通過比較A1和A3所研究的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%，其抗壓強度從18.8 MPa提高到30.6 MPa，提高了62.8%，透水系數從0.6 mm/s降低到0.4 mm/s，降低了33.3%。孔隙數量越少，孔隙率越小，孔隙等效平均直徑越小，混凝土的抗壓強度隨之提高，而透水系數逐漸降低。

4 結論

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

2)雙粒級條件下，骨料的摻配存在最佳比例，試驗中，環氧樹脂摻量為5%，0.15～0.3 mm和0.3～0.6 mm 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41.7 MPa，透水系數為1.71 mm/s。

3)堵塞4次循環后，透水衰減系數小于20%，防堵塞性能良好。

4)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209～228 μm，透水系數為0.45～0.65 mm/s，滿足功能要求，能實現防堵塞目的。