孫黎強(qiáng)

(山東省濱州市引黃灌溉服務(wù)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(jié)構(gòu)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(huán)保屬性，在水利工程建設(shè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)外在透水混凝土領(lǐng)域的研究起步較早，并在水利工程和城市建筑工程中應(yīng)用廣泛[2]。雖然我國(guó)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(lǐng)域應(yīng)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(jié)構(gòu)存在強(qiáng)度低、剛度大，且容易受到干濕變形和凍融破壞[3]。因此，進(jìn)行高性能透水混凝土研究具有重要的工程意義和價(jià)值。

樹(shù)脂基透水混凝土是以樹(shù)脂材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥材料制備的透水混凝土，與傳統(tǒng)的水泥基透水混凝土相比，雖然成本略高，但是具有強(qiáng)度大、韌性好、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短、抗腐蝕和凍融破壞性能優(yōu)良、耐久性好等諸多優(yōu)勢(shì)，在水利工程透水鋪裝和邊坡防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。但是，樹(shù)脂基透水混凝土應(yīng)用研究仍處于起步階段，尚沒(méi)有構(gòu)建起系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用體系和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，分析樹(shù)脂種類(lèi)、摻量以及骨料級(jí)配對(duì)樹(shù)脂基透水混凝土抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)兩大主要質(zhì)量參數(shù)的影響，以期為其工程應(yīng)用提供支持。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)用骨料為人工石灰?guī)r碎石。為了研究骨料級(jí)配對(duì)樹(shù)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(yàn)前，將骨料進(jìn)行洗滌除去泥土和雜質(zhì)，然后在100℃恒溫下干燥12 h備用。

試驗(yàn)用膠凝材料為水泥和樹(shù)脂材料。其中，試驗(yàn)用水泥為冀東水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。為了研究常用樹(shù)脂材料種類(lèi)對(duì)透水混凝土性能的影響，試驗(yàn)中選擇工程中常用的4種樹(shù)脂。①天津大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的甲基丙烯酸甲酯，為分析純AR級(jí)，在試驗(yàn)中配合引發(fā)劑過(guò)氧化苯甲酰使用。②上海奧屯化工科技有限公司出品的環(huán)氧樹(shù)脂，其型號(hào)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(hào)為PU-50型雙組份無(wú)溶劑型聚氨酯膠黏劑。④杭州五會(huì)港膠黏劑有限公司出品的水性環(huán)氧樹(shù)脂。

樹(shù)脂材料在使用過(guò)程中需要固化劑進(jìn)行催化固化，同時(shí)需要稀釋劑改善其流動(dòng)性。因此，試驗(yàn)中選擇江蘇常州潤(rùn)祥化工有限公司出品的酚醛胺環(huán)氧固化劑和天津渤?；び邢薰境銎返囊叶级s水甘油醚活性稀釋劑。

試驗(yàn)中的填料為沈陽(yáng)紅陽(yáng)熱電廠生產(chǎn)的一級(jí)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(yàn)中需要使用的設(shè)備為萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)、液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)以及棱長(zhǎng)100 mm的立方體試模。

2.2 試件制作

試驗(yàn)中選擇的是棱長(zhǎng)100 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件。試件制作過(guò)程中選擇二次投料法，以保證石灰?guī)r碎石能夠被樹(shù)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(shù)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(chēng)量好試驗(yàn)材料，然后將稀釋劑加入環(huán)氧樹(shù)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(huán)氧樹(shù)脂、稀釋劑和粉煤灰的混合物中攪拌3 min。利用制作好的樹(shù)脂基透水混凝土進(jìn)行試件制作，在試件制作過(guò)程中采用分層鋪裝、分層插搗最后利用振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)相結(jié)合的方式進(jìn)行[6]。待試件固化之后拆模編號(hào)備用。

2.3 試驗(yàn)方法

樹(shù)脂基透水混凝土抗壓強(qiáng)度的測(cè)定參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)中的相關(guān)要求，利用YAW-1000C液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)加壓測(cè)定，試驗(yàn)精度不低于2%[7]。試驗(yàn)中的受壓面為試塊的側(cè)面，加載速率確定為0.4 MPa/s。

試件的透水系數(shù)采用變壓法進(jìn)行測(cè)量[8]，其試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。試驗(yàn)中先將試塊的四周用水泥漿或樹(shù)脂密封，然后將試驗(yàn)裝置放在試塊上方，再用石蠟密封兩者之間的縫隙。試驗(yàn)中先向方筒中注水使試件濕潤(rùn)，再向方筒中注水至200 mm刻度開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)水面降低至20 mm時(shí)停止試驗(yàn)，并記錄所用時(shí)間t。試件的透水系數(shù)為180/t。每個(gè)試件測(cè)量3次，以其均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 透水試驗(yàn)裝置示意圖

2.4 試驗(yàn)方案

為了探討和分析樹(shù)脂基透水混凝土抗壓性能和透水性能，試驗(yàn)中以普通水泥基透水混凝土為對(duì)照方案。為了研究樹(shù)脂摻量和骨料級(jí)配的影響，試驗(yàn)中設(shè)定3%、4%、5%、6%和7%等5種不同的樹(shù)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(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)中在固定樹(shù)脂摻量5%和A骨料占比50%的條件下，進(jìn)行不同樹(shù)脂種類(lèi)試驗(yàn)，以確定最佳樹(shù)脂種類(lèi)，然后再進(jìn)行樹(shù)脂摻量和骨料級(jí)配優(yōu)化試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 樹(shù)脂種類(lèi)

為了研究不同樹(shù)脂種類(lèi)對(duì)透水混凝土性能的影響，在固定樹(shù)脂摻量5%和A骨料占比50%的條件下，對(duì)不同樹(shù)脂種類(lèi)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試和透水系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，與普通水泥基混凝土相比，樹(shù)脂基混凝土在抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)方面均具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)。因此，在水利工程透水鋪裝和邊坡防護(hù)領(lǐng)域具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值，可以有效提升透水結(jié)構(gòu)的耐久性和透水性能。從不同的樹(shù)脂類(lèi)型對(duì)比來(lái)看，其透水系數(shù)均在7.99～8.23 mm/s之間，試驗(yàn)結(jié)果比較接近，說(shuō)明樹(shù)脂類(lèi)型對(duì)混凝土透水系數(shù)的影響不大。但是，環(huán)氧樹(shù)脂基透水混凝土在抗壓強(qiáng)度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，且該種樹(shù)脂材料價(jià)格相對(duì)較低，具有一定的工程經(jīng)濟(jì)性。因此，在樹(shù)脂基透水混凝土制備中推薦使用環(huán)氧樹(shù)脂材料。

表1 不同樹(shù)脂材料試件抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)

3.2 樹(shù)脂摻量

研究中以環(huán)氧樹(shù)脂為透水混凝土的膠凝材料，選擇A骨料占比50%級(jí)配方案，對(duì)不同環(huán)氧樹(shù)脂摻量方案下試件的抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出試件抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)隨樹(shù)脂摻量的變化曲線，結(jié)果分別見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 抗壓強(qiáng)度隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量變化曲線

圖3 透水系數(shù)隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量變化曲線

由圖2和圖3可以看出，隨著環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速增大后逐步趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，環(huán)氧樹(shù)脂摻量小于5%時(shí)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)比較迅速；試件的透水系數(shù)呈現(xiàn)出先緩慢減小后迅速減小的變化特征，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量大于5%時(shí)透水系數(shù)下降十分迅速。綜合抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果以及工程經(jīng)濟(jì)性，建議采用5%的環(huán)氧樹(shù)脂摻量。

3.3 骨料級(jí)配

保持5%的環(huán)氧樹(shù)脂摻量不變，對(duì)不同材料級(jí)配方案下的試件抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)隨A骨料占比變化曲線，見(jiàn)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(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速增大后趨于穩(wěn)定最后迅速變小的變化特點(diǎn)；當(dāng)A骨料的占比為25%～50%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)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(shù)呈現(xiàn)出先迅速減小后迅速增加的變化特點(diǎn)。究其原因，采用單一粒徑骨料時(shí)，由于骨料的粒徑較大，堆積密度相對(duì)較小，骨料之間的接觸點(diǎn)少，孔隙率大，因此透水混凝土強(qiáng)度較低而透水系數(shù)較高。反之，兩種不同粒徑骨料混合使用時(shí)，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(jī)械咬合點(diǎn)增多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也相對(duì)密實(shí)，因此透水混凝土的強(qiáng)度較大，而透水系數(shù)偏低。綜合抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，A骨料占比為25%，同時(shí)A、B兩種骨料為1∶3時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)均相對(duì)較優(yōu)，為最佳級(jí)配推薦方案。

圖4 抗壓強(qiáng)度隨A骨料占比變化曲線

圖5 透水系數(shù)隨A骨料占比變化曲線

4 結(jié) 論

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了樹(shù)脂基透水混凝土性能，主要結(jié)論如下：

1) 在4種常用樹(shù)脂材料中，環(huán)氧樹(shù)脂基透水混凝土在抗壓強(qiáng)度方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，而透水系數(shù)比較接近。

2) 隨著環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)出不斷增大的變化特征，而透水系數(shù)則呈現(xiàn)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(qiáng)度值呈先增大后減小的變化特征，而透水系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征。

4) 結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，建議在樹(shù)脂基透水混凝土制備過(guò)程中，選擇環(huán)氧樹(shù)脂作為膠凝材料，推薦選擇5%的樹(shù)脂材料摻量。骨料采用多級(jí)配，細(xì)粒徑骨料和粗粒徑骨料的比例以1∶3為宜。