玻璃-環氧樹脂發光透水混凝土的制備及其性能

劉志艷 侯 莉 李 軍 盧忠遠 付文濤

(1. 西南科技大學材料科學與工程學院 四川綿陽 621010； 2. 西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621010; 3. 四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司 成都 610000)

透水道路材料不僅有利于路面排水，還可以吸收車輪摩擦路面產生的噪聲，提高行車安全性和舒適性，是海綿城市建設的一個關鍵組成部分[1-2]。目前透水路面材料的研究主要集中在材料組成、配合比設計、透水性能和力學性能優化等方面[3-4]。蓄光發光路面依靠內部的夜光材料，白天在太陽光的照射下蓄能，夜間以光的形式釋放，在夜間起到警示、美化、節能等效果，這種路面已成為當今道路工程的研究熱點。目前，關于有蓄光發光特性的透水道路的研究較少。

透水路面材料主要有透水水泥混凝土、透水瀝青混凝土、透水磚等。環氧樹脂固化后顏色較淺，通常為白色或淡黃色，制備的透水混凝土有良好的力學性能[5]，較適合作為發光透水材料的膠凝材料。玻璃作為一種較為透明的固體物質，對光的吸收較小，有利于光的傳播。廢玻璃在自然界中無法生物降解，且通常多色混合在一起，加之強度較低，回收利用受到局限，我國每年廢棄玻璃回收率不到50%，未利用的廢玻璃超過1 000萬t/a[6-7]。

本研究以透明環氧樹脂為基體，玻璃砂為骨料，熒光粉為發光材料，制備出蓄光發光透水道路材料。該蓄光發光透水道路材料可用于人行道、廣場、步行街等路面，雨天不積水，夜晚可以起到裝飾和警示效果。玻璃砂的使用不僅可以提高熒光粉的發光效果，而且可以實現廢棄玻璃的資源化利用，減少玻璃堆放對環境造成的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

環氧樹脂采用鳳凰牌E-44環氧樹脂；固化劑為雙鳳凰牌593型固化劑，固化劑用量為樹脂用量的40%；玻璃砂由兆通玻璃集團有限公司提供，為生產玻璃的邊角料破碎加工而成，選用0.5～1，1～2，2～4，4～8 mm共4個尺寸級配，其物理性能見表1；熒光粉采用大連路明發光科技股份有限公司黃綠色熒光粉。

表1 玻璃砂的物理性能Table 1 Physical properties of glass sand

1.2 配合比設計

透水混凝土孔隙率一般控制在15%～30%[1]，本研究中玻璃-環氧樹脂透水混凝土目標孔隙率設計為20%～30%，配合比設計參照《透水水泥混凝土路面技術規程》(CJJ/T 135—2009)中透水水泥混凝土配合比設計方法[8]，其配合比見表2。

表2 玻璃-環氧樹脂透水混凝土配合比Table 2 Mix proportion of glass-epoxy pervious concrete

1.3 試件制備

將環氧樹脂和固化劑(或固化劑和熒光粉混合物)按配合比稱量好，放入攪拌鍋中慢速攪拌30 s后快速攪拌30 s，然后將玻璃砂加入攪拌鍋，慢速攪拌120 s后停下，將攪拌葉片和邊緣的附著物刮下，重新攪拌30 s，使其攪拌均勻。將攪拌好的拌合物分兩次澆筑到100 mm×100 mm×100 mm立方體模具內，采用人工搗實，在20±2 ℃室內養護1 d后拆模。拆模后的樣品在20±2 ℃室內繼續養護至7 d，到齡期的樣品進行密度、強度、孔隙率、透水率等測試。

1.4 測試方法

密度：稱量試件的質量m0，通過測量試件的長、寬、高，計算出試件的體積V，試件的密度ρ0通過式(1)計算得到：

(1)

式中：ρ0為試塊密度(g/cm3)；m0為試塊在空氣中的重量(g)；V為試塊的體積(cm3)。

孔隙率：試件孔隙率γ通過式(2)計算獲得：

(2)

式中：γ為試件孔隙率(%)；ρ1，ρ2分別為環氧樹脂、玻璃砂的密度(g/cm3)；φ為環氧樹脂占試件的質量分數。

連續孔隙率、閉孔孔隙率：參照《透水混凝土路面技術規程》(DB11/T 775—2010)中透水混凝土孔隙率試驗方法進行測試[9]，試塊連通孔隙率γ1通過式(3)計算得到，試塊閉孔孔隙率γ2和連續孔隙率比例通過式(4)、式(5)計算得到：

(3)

γ2=γ-γ1

(4)

(5)

式中：γ，γ1，γ2分別為試塊的孔隙率(%)、連通孔隙率(%)、閉孔孔隙率(%)；m1為試塊在水中的重量(g)；ρ為水的密度(g/cm3)。

抗壓強度：在萬能試驗機上進行抗壓強度試驗，加載速度0.5 MPa/s。

透水系數：參照行業標準《透水水泥混凝土路面技術規程》(CJJ/T 135—2009)進行，采用北京耐爾得公司NELD-PC370混凝土透水系數測定儀測得。實驗采用固定水位法(見圖1)，即固定水位高度H，通過測量一定時間t內排到容器內的水量Q來計算透水系數的方法，按式(6)計算：

(6)

式中：k為透水系數；L為試塊厚度；A為試塊透水橫截面積；H為水位高度；t為時間；Q為水量。

圖1 固定水位法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of fixed water level method

熒光亮度：將發光透水混凝土試塊在人工日光D65光源1 000 lx照度條件下激發10 min 后，記錄樣品結束激發1 min后的亮度值。

2 結果分析

2.1 密度

玻璃-環氧樹脂透水混凝土密度與環氧樹脂用量、玻璃砂用量、玻璃砂級配有關。透水混凝土密度如圖2所示。同一玻璃砂級配的透水混凝土密度隨環氧樹脂用量增加呈上升趨勢。相同環氧樹脂用量時，0.5～1 mm玻璃砂制備的透水混凝土密度較低，其次是1～2 mm玻璃砂。2～4 mm和4～8 mm玻璃砂制備的透水混凝土密度較大，且環氧樹脂用量為213 kg/m3和231 kg/m3時，2～4 mm玻璃砂制備的透水混凝土密度略高于4～8 mm。這是由于2～4 mm和4～8 mm玻璃砂在攪拌成型過程中均易被破壞，破碎后的小顆粒玻璃砂可以填充到玻璃砂空隙中，導致混凝土實際密度偏大。

圖2 玻璃-環氧樹脂透水混凝土密度Fig.2 Density of glass-epoxy pervious concrete

2.2 孔隙率

玻璃-環氧樹脂透水混凝土的孔隙率、連續孔隙率見表3。玻璃砂0.5～1 mm、目標孔隙率大于25%的透水混凝土的實際孔隙率大于目標孔隙率。這是因為玻璃砂加入環氧樹脂后會導致環氧樹脂體系的黏度增大，且尺寸越小黏度增加越明顯。0.5～1 mm玻璃砂制備的環氧樹脂混凝土由于黏度過大，混凝土不易壓實，因此孔隙率偏高。其他組透水混凝土實際空隙率小于目標孔隙率，這是由于在攪拌和振實過程中，玻璃砂易被破壞，導致體系更加緊密。

透水混凝土中的連續孔隙率直接影響其透水性能。由表3可以看出，隨著目標孔隙率的增加，制備透水混凝土所需的環氧樹脂量減少，混凝土連續孔隙率增加，連續孔比例增加。隨著玻璃砂尺寸的減小，透水混凝土連續孔隙率增加，閉孔孔隙率降低。這是因為較小尺寸的玻璃砂具有較大的比表面積和總表面積，玻璃砂表面包裹的環氧樹脂較薄，且由于體系黏度較大，環氧樹脂不易搭接形成閉孔，因此混凝土連續孔隙率較高。

表3 玻璃-環氧樹脂透水混凝土空隙率Table 3 Voidage rate of glass - epoxy pervious concrete

2.3 強度

玻璃-環氧樹脂透水混凝土的強度見圖3。對于同一玻璃砂級配，玻璃-環氧樹脂透水混凝土的抗壓強度隨著環氧樹脂用量的降低而降低。相同環氧樹脂用量時，玻璃砂為4～8 mm制備的混凝土強度較高，2～4 mm和1～2 mm次之，0.5～1 mm的混凝土強度最低。這是因為玻璃砂越小，比表面積越大，相同體積的玻璃砂總表面積越大，玻璃砂表面包裹的環氧樹脂越薄。因此，玻璃砂越小，玻璃砂搭接處的強度越低，混凝土強度越低。另一方面，玻璃砂越小，混凝土孔隙率越高，混凝土缺陷越多，也會導致抗壓強度偏低。

圖3 玻璃-環氧樹脂透水混凝土強度Fig.3 Strength of glass - epoxy pervious concrete

2.4 透水系數

玻璃-環氧樹脂透水混凝土的透水系數見圖4。隨著環氧樹脂用量的增加，透水混凝土的透水系數呈下降趨勢。相同環氧樹脂用量時，4～8 mm玻璃砂制備的透水混凝土透水系數較大，0.5～1 mm的透水系數較小。這是因為4～8 mm玻璃砂尺寸較大，制備的透水混凝土骨架間孔洞直徑也較大，有利于水的流動。盡管0.5～1 mm玻璃砂制備的透水混凝土孔隙率較高，但由于孔洞直徑較小，阻礙了水的流動，導致透水系數較低[10]。

圖4 玻璃-環氧樹脂透水混凝土透水系數Fig.4 Pervious coefficient of glass-epoxy resin pervious concrete

2.5 玻璃-環氧樹脂發光透水混凝土

混凝土的透水性和強度是混凝土作為透水路面的2個重要指標，且二者均與透水混凝土的孔隙率有關。孔隙率越高，往往透水性越好而強度越低。根據《透水水泥混凝土路面技術規程》(CJJ/T 135—2009)規定[9]，透水混凝土應達到下列指標：透水系數≥0.5 mm/s，連續孔隙率≥10%，抗壓強度≥20 MPa。

本研究所制備的透水混凝土透水系數與強度的關系如圖5所示。玻璃-環氧樹脂透水混凝土強度隨著透水系數的增加而降低，在透水系數一致的情況下，4～8 mm玻璃砂制備的環氧樹脂透水混凝土具有較高的抗壓強度，2～4 mm和1～2 mm次之，0.5～1 mm玻璃砂制備的混凝土強度較低。結合玻璃-環氧樹脂透水混凝土中環氧樹脂用量考慮，4～8 mm玻璃砂制備的環氧樹脂透水混凝土環氧樹脂用量少、成本低、強度較高，較適合制備透水混凝土。

圖5 玻璃-環氧樹脂透水混凝土透水系數-強度關系圖Fig.5 Pervious coefficient-strength diagram of glass - epoxy pervious concrete

采用4～8 mm玻璃砂做骨料，環氧樹脂用量為224 kg/m3，熒光粉用量為環氧樹脂質量分數的5% 和10% 制備發光透水混凝土，性能見表4。熒光粉摻量為5% 時發光透水混凝土的抗壓強度、透水系數均優于10% 摻量，且抗壓強度、透水系數、連續孔隙率均符合技術規程規定。熒光粉用量為5%時的玻璃-環氧樹脂發光透水混凝土白天和夜晚效果見圖6，夜晚的玻璃-環氧樹脂發光透水混凝土成黃綠色，亮度高于周邊物品，可以起到裝飾或警示效果。

3 結論

本研究以環氧樹脂為膠凝材料，廢玻璃砂為骨料制備新型發光透水道路材料，結論如下：(1)玻璃-環氧樹脂透水混凝土隨著環氧樹脂用量增加，混凝土強度增加，透水系數減小。(2)玻璃砂的尺寸對環氧樹脂透水混凝土性能影響較大，玻璃砂尺寸越小，環氧樹脂透水混凝土密度越小，孔隙率越高，強度越低。4～8 mm玻璃砂制備的環氧樹脂透水混凝土綜合性能較好，成本較低。(3)選用合適尺寸的玻璃砂和環氧樹脂用量可制備出滿足透水路面材料要求的透水混凝土。(4)熒光粉用量為環氧樹脂用量5%時，發光透水混凝土抗壓強度、透水系數、孔隙率等均滿足路面材料要求，且具有自發光效果。