水利工程樹脂基透水混凝土性能的試驗研究

孫黎強

(山東省濱州市引黃灌溉服務中心，山東 濱州 256600)

1 概 述

透水混凝土是一種由粗骨料、膠凝材料以及少量的外加劑和水拌制而成的、具有多孔結構的建筑材料[1]。由于透水混凝土具有良好的透水性、透氣性，可以充分保障工程的環保屬性，在水利工程建設領域具有廣闊的應用前景。國外在透水混凝土領域的研究起步較早，并在水利工程和城市建筑工程中應用廣泛[2]。雖然我國在透水混凝土研究方面起步較晚，但是也取得了一定的成果。透水混凝土在水利工程領域應用日漸廣泛，但目前的透水混凝土制備主要以水泥為膠凝材料，這種透水混凝土結構存在強度低、剛度大，且容易受到干濕變形和凍融破壞[3]。因此，進行高性能透水混凝土研究具有重要的工程意義和價值。

樹脂基透水混凝土是以樹脂材料代替傳統水泥材料制備的透水混凝土，與傳統的水泥基透水混凝土相比，雖然成本略高，但是具有強度大、韌性好、養護時間短、抗腐蝕和凍融破壞性能優良、耐久性好等諸多優勢，在水利工程透水鋪裝和邊坡防護領域具有廣闊的應用前景[4]。但是，樹脂基透水混凝土應用研究仍處于起步階段，尚沒有構建起系統的技術應用體系和質量標準體系。基于此，本文通過室內試驗的方式，分析樹脂種類、摻量以及骨料級配對樹脂基透水混凝土抗壓強度和滲透系數兩大主要質量參數的影響，以期為其工程應用提供支持。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料和設備

試驗用骨料為人工石灰巖碎石。為了研究骨料級配對樹脂基透水混凝土性能的影響，研究中選擇A、B兩種粒徑的碎石。其中，A骨料的粒徑范圍為5～10 mm，B骨料的粒徑范圍為10～15 mm。試驗前，將骨料進行洗滌除去泥土和雜質，然后在100℃恒溫下干燥12 h備用。

試驗用膠凝材料為水泥和樹脂材料。其中，試驗用水泥為冀東水泥廠生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。為了研究常用樹脂材料種類對透水混凝土性能的影響，試驗中選擇工程中常用的4種樹脂。①天津大茂化學試劑廠生產的甲基丙烯酸甲酯，為分析純AR級，在試驗中配合引發劑過氧化苯甲酰使用。②上海奧屯化工科技有限公司出品的環氧樹脂，其型號為E-51。③江蘇靖江特種黏合劑有限公司出品的聚氨酯，其型號為PU-50型雙組份無溶劑型聚氨酯膠黏劑。④杭州五會港膠黏劑有限公司出品的水性環氧樹脂。

樹脂材料在使用過程中需要固化劑進行催化固化，同時需要稀釋劑改善其流動性。因此，試驗中選擇江蘇常州潤祥化工有限公司出品的酚醛胺環氧固化劑和天津渤海化工有限公司出品的乙二醇二縮水甘油醚活性稀釋劑。

試驗中的填料為沈陽紅陽熱電廠生產的一級粉煤灰，其燒失量為4.6%，需水比為104%，比表面積為3 490 cm2/g。

試驗中需要使用的設備為萬能壓力試驗機、液壓伺服壓力試驗機以及棱長100 mm的立方體試模。

2.2 試件制作

試驗中選擇的是棱長100 mm的立方體標準試件。試件制作過程中選擇二次投料法，以保證石灰巖碎石能夠被樹脂基膠凝材料均勻包裹[5]。其中，水泥基透水混凝土的制作方式為水泥裹漿法。樹脂基透水混凝土試件的制作步驟如下：第一步，首先按照事先確定的配合比稱量好試驗材料，然后將稀釋劑加入環氧樹脂攪拌30 s，再加入粉煤灰攪拌30 s。第二步，將粗骨料和固化劑加入環氧樹脂、稀釋劑和粉煤灰的混合物中攪拌3 min。利用制作好的樹脂基透水混凝土進行試件制作，在試件制作過程中采用分層鋪裝、分層插搗最后利用振動臺振動相結合的方式進行[6]。待試件固化之后拆模編號備用。

2.3 試驗方法

樹脂基透水混凝土抗壓強度的測定參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)中的相關要求，利用YAW-1000C液壓伺服壓力試驗機加壓測定，試驗精度不低于2%[7]。試驗中的受壓面為試塊的側面，加載速率確定為0.4 MPa/s。

試件的透水系數采用變壓法進行測量[8]，其試驗裝置示意圖見圖1。試驗中先將試塊的四周用水泥漿或樹脂密封，然后將試驗裝置放在試塊上方，再用石蠟密封兩者之間的縫隙。試驗中先向方筒中注水使試件濕潤，再向方筒中注水至200 mm刻度開始計時，當水面降低至20 mm時停止試驗，并記錄所用時間t。試件的透水系數為180/t。每個試件測量3次，以其均值作為最終試驗結果。

圖1 透水試驗裝置示意圖

2.4 試驗方案

為了探討和分析樹脂基透水混凝土抗壓性能和透水性能，試驗中以普通水泥基透水混凝土為對照方案。為了研究樹脂摻量和骨料級配的影響，試驗中設定3%、4%、5%、6%和7%等5種不同的樹脂摻量；A骨料占骨料之比分別為0%、25%、50%、75%和100%等5種不同的骨料級配進行試驗。在試驗中在固定樹脂摻量5%和A骨料占比50%的條件下，進行不同樹脂種類試驗，以確定最佳樹脂種類，然后再進行樹脂摻量和骨料級配優化試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 樹脂種類

為了研究不同樹脂種類對透水混凝土性能的影響，在固定樹脂摻量5%和A骨料占比50%的條件下，對不同樹脂種類試件進行抗壓強度測試和透水系數進行測定，結果見表1。從表1中的試驗結果可以看出，與普通水泥基混凝土相比，樹脂基混凝土在抗壓強度和透水系數方面均具有較為顯著的優勢。因此，在水利工程透水鋪裝和邊坡防護領域具有良好的工程應用價值，可以有效提升透水結構的耐久性和透水性能。從不同的樹脂類型對比來看，其透水系數均在7.99～8.23 mm/s之間，試驗結果比較接近，說明樹脂類型對混凝土透水系數的影響不大。但是，環氧樹脂基透水混凝土在抗壓強度方面具有明顯優勢，且該種樹脂材料價格相對較低，具有一定的工程經濟性。因此，在樹脂基透水混凝土制備中推薦使用環氧樹脂材料。

表1 不同樹脂材料試件抗壓強度和透水系數

3.2 樹脂摻量

研究中以環氧樹脂為透水混凝土的膠凝材料，選擇A骨料占比50%級配方案，對不同環氧樹脂摻量方案下試件的抗壓強度和透水系數進行試驗。根據試驗結果，繪制出試件抗壓強度和滲透系數隨樹脂摻量的變化曲線，結果分別見圖2和圖3。

圖2 抗壓強度隨環氧樹脂摻量變化曲線

圖3 透水系數隨環氧樹脂摻量變化曲線

由圖2和圖3可以看出，隨著環氧樹脂摻量的增加，試件的抗壓強度呈現出先迅速增大后逐步趨于穩定的變化特點，環氧樹脂摻量小于5%時抗壓強度增長比較迅速；試件的透水系數呈現出先緩慢減小后迅速減小的變化特征，當環氧樹脂摻量大于5%時透水系數下降十分迅速。綜合抗壓強度和透水系數的試驗結果以及工程經濟性，建議采用5%的環氧樹脂摻量。

3.3 骨料級配

保持5%的環氧樹脂摻量不變，對不同材料級配方案下的試件抗壓強度和透水系數進行試驗。根據試驗結果，繪制出抗壓強度和透水系數隨A骨料占比變化曲線，見圖4和圖5。由圖4和圖5可以看出，隨著A骨料占比的增加，試件的抗壓強度呈現出先迅速增大后趨于穩定最后迅速變小的變化特點；當A骨料的占比為25%～50%時，透水混凝土的抗壓強度值處于較高水平。隨著A骨料占比的增加，試件的透水系數呈現出先迅速減小后迅速增加的變化特點。究其原因，采用單一粒徑骨料時，由于骨料的粒徑較大，堆積密度相對較小，骨料之間的接觸點少，孔隙率大，因此透水混凝土強度較低而透水系數較高。反之，兩種不同粒徑骨料混合使用時，粒徑較大的骨料做框架，較小的骨料填充其中，因此骨料間的機械咬合點增多，內部結構也相對密實，因此透水混凝土的強度較大，而透水系數偏低。綜合抗壓強度和透水系數的試驗結果，A骨料占比為25%，同時A、B兩種骨料為1∶3時，透水混凝土的抗壓強度和透水系數均相對較優，為最佳級配推薦方案。

圖4 抗壓強度隨A骨料占比變化曲線

圖5 透水系數隨A骨料占比變化曲線

4 結 論

本文通過室內試驗的方式，探討了樹脂基透水混凝土性能，主要結論如下：

1) 在4種常用樹脂材料中，環氧樹脂基透水混凝土在抗壓強度方面具有顯著優勢，而透水系數比較接近。

2) 隨著環氧樹脂摻量的增大，透水混凝土的抗壓強度值呈現出不斷增大的變化特征，而透水系數則呈現出不斷減小的變化特征。

3) 隨著小粒徑骨料在骨料中占比的增加，透水混凝土的抗壓強度值呈先增大后減小的變化特征，而透水系數呈現出先減小后增大的變化特征。

4) 結合試驗結果，建議在樹脂基透水混凝土制備過程中，選擇環氧樹脂作為膠凝材料，推薦選擇5%的樹脂材料摻量。骨料采用多級配，細粒徑骨料和粗粒徑骨料的比例以1∶3為宜。