羅斐，蔡基偉，袁英豪，曹鑫

（河南大學(xué)循環(huán)與功能建材實(shí)驗(yàn)室，河南 開封 475004）

0 引言

近年來城市內(nèi)澇問題頻頻出現(xiàn)，形成城市內(nèi)澇的主要因素，一是市內(nèi)地面存在高差，雨水向地勢低的地方徑流，造成低洼地區(qū)內(nèi)澇；二是市政排水系統(tǒng)清淤不及時(shí)或不徹底，影響排水系統(tǒng)的通暢；三是城市地面的過度硬化，雨水不能直接滲向地下，增加了市政排水系統(tǒng)的負(fù)荷。

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，地面和路面硬化已成為城市生態(tài)的重要影響因素。硬化的地面和路面給城鄉(xiāng)生活帶來了許多便利，但硬化面積的擴(kuò)大致使綠化及蓄水面積減少，內(nèi)澇已經(jīng)成為亟待解決的城市難題[1-2]。同時(shí)，雨水直接徑流又減少了地下水的補(bǔ)給，造成了嚴(yán)重的生態(tài)問題。

近兩年國家提出了建設(shè)“海綿城市”的理念，在“海綿城市”系統(tǒng)中，下雨時(shí)能夠透水、蓄水和凈化水資源再利用，保證生態(tài)優(yōu)先的前提下，盡可能地與人工措施相結(jié)合，確保城市防澇的同時(shí)，能夠兼顧環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約[3]。隨著“海綿城市”建設(shè)的進(jìn)展，對透水性地面的需求勢必越來越高。無砂透水混凝土材料的發(fā)展和應(yīng)用，正是順應(yīng)國家發(fā)展形勢的需要[4]。

無砂透水混凝土內(nèi)部有許多連通的開口孔隙，孔隙率一般在 15%～45% 之間，雨水能夠透過孔隙及時(shí)滲到地下。透水性地面可以減輕城市排澇負(fù)荷，還補(bǔ)充了地下水，緩解地下水資源匱乏的情況[5]。

水泥基無砂透水混凝土屬于脆性材料，推廣應(yīng)用受到一定局限。有機(jī)材料具有較好的韌性，本研究擬用環(huán)氧樹脂改善透水混凝土的性能，先從力學(xué)性能及抗凍性入手，開展有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠凝材料制備透水混凝土研究。

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5水泥，28d 抗壓強(qiáng)度為45.1MPa。

（2）粗骨料：為 10～16mm 單粒級石子，主要技術(shù)性能見表 1。

表1 粗骨料主要技術(shù)性能

（3）環(huán)氧樹脂：為 JH-5560 號水性環(huán)氧樹脂乳膠，乳液與膠體按 2:1 比例摻用。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)配合比

根據(jù)工作性及透水性要求，無砂透水混凝土的水灰比應(yīng)保持在 0.26～0.35 之間[6]。根據(jù)本課題組前期研究，無砂透水混凝土凈漿水灰比在 0.30 左右較為合理[7]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合原材料的具體情況，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定本次試驗(yàn)的水灰比為 0.29。

按環(huán)氧樹脂摻量不同，用于研究抗壓強(qiáng)度的試樣環(huán)氧樹脂摻量為 0、0.5%、1%、2%、4% 和 8%，用于研究抗折強(qiáng)度與抗凍性的試樣環(huán)氧樹脂摻量為 0、0.5%、1%、2% 和 4%，試驗(yàn)配合比見表 2。

表2 試驗(yàn)配合比

（2）攪拌

用單臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)按水泥漿裹石法攪拌[8]。

（3）振搗成型

抗壓試件試模為 100mm×100mm×100mm 規(guī)格的三聯(lián)鋼模，抗折試件試模為 150mm×150mm×550mm的鋼模，抗凍試驗(yàn)將 150mm×150mm×150mm 的鋼模從中間分隔，制作 150mm×150mm×70mm 的無砂透水混凝土試件。在制作試件填料時(shí)分兩次填料。第一次填至模深的一半，用搗棒順時(shí)針插搗 10 次、逆時(shí)針插搗 10 次；第二次裝至滿模，再用搗棒順時(shí)針和逆時(shí)針各插搗 10 次；然后移至振實(shí)臺振動 20s 左右。由于無砂透水混凝土沒有細(xì)骨料，若振動時(shí)間過短，則粗骨料不能緊密接觸，不利于達(dá)到較高強(qiáng)度；同時(shí)由于透水性要求，振動時(shí)間不能過長，否則水泥漿易沉積堵孔，使混凝土失去透水性。

（4）養(yǎng)護(hù)及性能測試

成型好的無砂透水混凝土試件帶模養(yǎng)護(hù) 24h，拆模后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，分別在到 7d 和 28d 齡期時(shí)測試抗壓強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度。凍融試件在養(yǎng)護(hù) 24d 后取出，放入水溫為 15～20℃ 的水中浸泡 4d。28d 齡期后取出試件，擦干表面水分，測試其初始質(zhì)量。然后放入凍融試驗(yàn)機(jī)按慢凍法進(jìn)行凍融試驗(yàn)，以凍融循環(huán)一定次數(shù)后試件質(zhì)量的變化評價(jià)環(huán)氧樹脂對無砂透水混凝土抗凍性的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂摻量對透水混凝土力學(xué)性能的影響

養(yǎng)護(hù)到 7d 和 28d 齡期后，取出試件測試無砂透水混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表 3、圖 1 和圖 2。

表3 強(qiáng)度及透水性試驗(yàn)結(jié)果

圖1 環(huán)氧樹脂摻量對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表 3 和圖 1 可以看出，當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量在 1% 以內(nèi)時(shí)，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，無砂透水混凝土的抗壓強(qiáng)度大幅度提高。當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量超過 1% 時(shí)，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，無砂透水混凝土的抗壓強(qiáng)度不斷降低。摻入 1% 環(huán)氧樹脂乳膠后，28d 強(qiáng)度為12.9MPa，提升 95.9%。當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量小于 1% 時(shí)，環(huán)氧樹脂能夠均勻分散在水泥漿中，水泥漿和環(huán)氧樹脂共同作用增加了粘結(jié)強(qiáng)度，因此提高了無砂透水混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量大于 1% 時(shí)，環(huán)氧樹脂會包裹住部分水泥漿，對粗骨料起主要粘結(jié)作用的水泥漿均勻性變差，致使水泥漿不能充分發(fā)揮作用，從而造成抗壓強(qiáng)度降低。

由圖 2 可以看出，在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，無砂透水混凝土的抗折強(qiáng)度持續(xù)提高。由于水泥混凝土為脆性材料，抗折強(qiáng)度普遍較低。環(huán)氧樹脂作為具有韌性的有機(jī)膠凝材料摻入之后，無砂透水混凝土粗骨料表面被水泥和環(huán)氧樹脂乳膠包裹，增加了透水混凝土的韌性，因此無砂透水混凝土的抗折強(qiáng)度隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而不斷提高。

圖2 環(huán)氧樹脂摻量對透水混凝土抗折強(qiáng)度的影響

2.2 環(huán)氧樹脂摻量對透水混凝土透水性的影響

當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量小于 2% 時(shí)，無砂透水混凝土的平衡透水流量[7]隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而增加（如表 3和圖 3），當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量超過 2% 時(shí)，無砂透水混凝土平衡透水流量會不斷降低。

過多的環(huán)氧樹脂造成透水混凝土透水性降低的原因，推測是環(huán)氧樹脂引起漿體稠度及密實(shí)性發(fā)生了變化。摻量小于 2% 時(shí)，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，漿體粘聚性增加，對骨料的包裹越緊密，因此透水性增加；超過臨界摻量后，漿體因內(nèi)部存在氣孔而密實(shí)性變差，包裹骨料的漿體層厚度增加，混凝土連通孔隙率減小，因此透水性變差。

圖3 環(huán)氧樹脂對透水混凝土透水性的影響

2.3 環(huán)氧樹脂對透水混凝土抗凍性的改善

凍融試件按標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)到 24d 齡期時(shí)取出，放入水溫為 15～20℃ 的水中浸泡 4d，至 28d 齡期取出試件，擦干表面水分，測試其初始質(zhì)量，然后放入凍融試驗(yàn)機(jī)。按慢凍法進(jìn)行凍融試驗(yàn)，凍融循環(huán)一定次數(shù)后，測定試件的質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果見表 4 和圖 4。

環(huán)氧樹脂摻量在 1% 以內(nèi)時(shí)，凍融循環(huán)不超過 60次情況下，各試樣質(zhì)量損失率均很小。凍融循環(huán)在 25次以內(nèi)時(shí)，由于緩慢滲透作用使得內(nèi)部孔隙充水程度升高，各試樣質(zhì)量均出現(xiàn)不同程度的增加。當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到和超過 40 次以后，環(huán)氧樹脂摻量從 1% 增加到 2%時(shí)，由于試樣強(qiáng)度的降低而引起質(zhì)量損失較明顯；同時(shí)由于透水混凝土韌性的改善，環(huán)氧樹脂摻量超過 2%時(shí)，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，試樣質(zhì)量損失率未呈現(xiàn)明顯變化。然而，各試樣在凍融循環(huán) 60 次時(shí)最大質(zhì)量損失率才達(dá)到 0.8%，遠(yuǎn)未達(dá)到試樣結(jié)束的界限（因設(shè)備故障未繼續(xù)試驗(yàn)），各試樣的抗凍性至少能達(dá)到 D60等級。

表4 凍融循環(huán)過程中透水混凝土試件的質(zhì)量變化

圖4 環(huán)氧樹脂摻量對透水混凝土抗凍性的影響

3 結(jié)論

（1）在無砂透水混凝土中摻入適量的環(huán)氧樹脂能大幅度提高其抗壓強(qiáng)度。當(dāng)摻量低于最佳值時(shí)，無砂透水混凝土抗壓強(qiáng)度隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而大幅度提高；摻量超過最佳值后，則無砂透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨之降低。

（2）有機(jī)膠凝材料環(huán)氧樹脂的摻入，增加了透水混凝土的韌性，透水混凝土的抗折強(qiáng)度隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而不斷提高。

（3）由于環(huán)氧樹脂改善了透水混凝土韌性，提高了變形能力，從而改善了混凝土的抗凍性。當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量在 1.0% 左右時(shí)，可同時(shí)獲得最高抗壓強(qiáng)度和最好的抗凍性。

（4）環(huán)氧樹脂摻量對無砂透水混凝土平均透水流量的影響趨勢與抗壓強(qiáng)度相似，基于透水性的最佳摻量略大于基于抗壓強(qiáng)度的最佳摻量。

（5）在配制摻環(huán)氧樹脂的無砂透水混凝土?xí)r，綜合考慮抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗凍性、透水性和經(jīng)濟(jì)性等因素，環(huán)氧樹脂摻量宜取 1% 左右。

[1] 甘冰清．透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)及其性能研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2015．

[2] 孫宏友．基于正交試驗(yàn)法的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2016．

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．關(guān)于印發(fā)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》的通知（建城函(2014)275號）[Z]．中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2014-10-22．

[4] 解讀兩會工作報(bào)告 建設(shè)有里有面的“海綿城市”[EB/OL]．http://news.cnr.cn/native/gd/20170322/t20170322_523671556.shtml．

[5] P W Barnhouse, W V Srubar. Material characterization and hydraulic conductivity modeling of macroporous recycled- aggregate pervious concrete [J]. Construction and Building Materials, 2016, 110:89-97.

[6] DB11/T 775—2010，透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程[S]．

[7] 蔡基偉，李靜，張少波，等．利用再生骨料制備透水混凝土試驗(yàn)研究[J]．商品混凝土，2017,(3): 52-54．

[8] 程娟，郭向陽．?dāng)嚢璺绞郊俺尚凸に噷ν杆判阅艿挠绊慬J]．長江科學(xué)院院報(bào)，2009,26(9): 91-94．