环氧树脂对透水混凝土力学性能及抗冻性的改善

罗斐，蔡基伟，袁英豪，曹鑫

（河南大学循环与功能建材实验室，河南 开封 475004）

0 引言

近年来城市内涝问题频频出现，形成城市内涝的主要因素，一是市内地面存在高差，雨水向地势低的地方径流，造成低洼地区内涝；二是市政排水系统清淤不及时或不彻底，影响排水系统的通畅；三是城市地面的过度硬化，雨水不能直接渗向地下，增加了市政排水系统的负荷。

随着我国城镇化进程的推进，地面和路面硬化已成为城市生态的重要影响因素。硬化的地面和路面给城乡生活带来了许多便利，但硬化面积的扩大致使绿化及蓄水面积减少，内涝已经成为亟待解决的城市难题[1-2]。同时，雨水直接径流又减少了地下水的补给，造成了严重的生态问题。

近两年国家提出了建设“海绵城市”的理念，在“海绵城市”系统中，下雨时能够透水、蓄水和净化水资源再利用，保证生态优先的前提下，尽可能地与人工措施相结合，确保城市防涝的同时，能够兼顾环境保护和资源节约[3]。随着“海绵城市”建设的进展，对透水性地面的需求势必越来越高。无砂透水混凝土材料的发展和应用，正是顺应国家发展形势的需要[4]。

无砂透水混凝土内部有许多连通的开口孔隙，孔隙率一般在 15%～45% 之间，雨水能够透过孔隙及时渗到地下。透水性地面可以减轻城市排涝负荷，还补充了地下水，缓解地下水资源匮乏的情况[5]。

水泥基无砂透水混凝土属于脆性材料，推广应用受到一定局限。有机材料具有较好的韧性，本研究拟用环氧树脂改善透水混凝土的性能，先从力学性能及抗冻性入手，开展有机无机复合胶凝材料制备透水混凝土研究。

1 试验原材料与方法

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5水泥，28d 抗压强度为45.1MPa。

（2）粗骨料：为 10～16mm 单粒级石子，主要技术性能见表 1。

表1 粗骨料主要技术性能

（3）环氧树脂：为 JH-5560 号水性环氧树脂乳胶，乳液与胶体按 2:1 比例掺用。

1.2 试验方法

（1）试验配合比

根据工作性及透水性要求，无砂透水混凝土的水灰比应保持在 0.26～0.35 之间[6]。根据本课题组前期研究，无砂透水混凝土净浆水灰比在 0.30 左右较为合理[7]。在此基础上，结合原材料的具体情况，通过实验验证，最终确定本次试验的水灰比为 0.29。

按环氧树脂掺量不同，用于研究抗压强度的试样环氧树脂掺量为 0、0.5%、1%、2%、4% 和 8%，用于研究抗折强度与抗冻性的试样环氧树脂掺量为 0、0.5%、1%、2% 和 4%，试验配合比见表 2。

表2 试验配合比

（2）搅拌

用单卧轴强制式搅拌机按水泥浆裹石法搅拌[8]。

（3）振捣成型

抗压试件试模为 100mm×100mm×100mm 规格的三联钢模，抗折试件试模为 150mm×150mm×550mm的钢模，抗冻试验将 150mm×150mm×150mm 的钢模从中间分隔，制作 150mm×150mm×70mm 的无砂透水混凝土试件。在制作试件填料时分两次填料。第一次填至模深的一半，用捣棒顺时针插捣 10 次、逆时针插捣 10 次；第二次装至满模，再用捣棒顺时针和逆时针各插捣 10 次；然后移至振实台振动 20s 左右。由于无砂透水混凝土没有细骨料，若振动时间过短，则粗骨料不能紧密接触，不利于达到较高强度；同时由于透水性要求，振动时间不能过长，否则水泥浆易沉积堵孔，使混凝土失去透水性。

（4）养护及性能测试

成型好的无砂透水混凝土试件带模养护 24h，拆模后在标准条件下养护，分别在到 7d 和 28d 龄期时测试抗压强度以及抗折强度。冻融试件在养护 24d 后取出，放入水温为 15～20℃ 的水中浸泡 4d。28d 龄期后取出试件，擦干表面水分，测试其初始质量。然后放入冻融试验机按慢冻法进行冻融试验，以冻融循环一定次数后试件质量的变化评价环氧树脂对无砂透水混凝土抗冻性的影响。

2 结果与讨论

2.1 环氧树脂掺量对透水混凝土力学性能的影响

养护到 7d 和 28d 龄期后，取出试件测试无砂透水混凝土抗压强度和抗折强度，试验结果见表 3、图 1 和图 2。

表3 强度及透水性试验结果

图1 环氧树脂掺量对透水混凝土抗压强度的影响

由表 3 和图 1 可以看出，当环氧树脂掺量在 1% 以内时，随着环氧树脂掺量的增加，无砂透水混凝土的抗压强度大幅度提高。当环氧树脂掺量超过 1% 时，随着环氧树脂掺量的增加，无砂透水混凝土的抗压强度不断降低。掺入 1% 环氧树脂乳胶后，28d 强度为12.9MPa，提升 95.9%。当环氧树脂掺量小于 1% 时，环氧树脂能够均匀分散在水泥浆中，水泥浆和环氧树脂共同作用增加了粘结强度，因此提高了无砂透水混凝土的强度。当环氧树脂掺量大于 1% 时，环氧树脂会包裹住部分水泥浆，对粗骨料起主要粘结作用的水泥浆均匀性变差，致使水泥浆不能充分发挥作用，从而造成抗压强度降低。

由图 2 可以看出，在试验掺量范围内，随着环氧树脂掺量的增加，无砂透水混凝土的抗折强度持续提高。由于水泥混凝土为脆性材料，抗折强度普遍较低。环氧树脂作为具有韧性的有机胶凝材料掺入之后，无砂透水混凝土粗骨料表面被水泥和环氧树脂乳胶包裹，增加了透水混凝土的韧性，因此无砂透水混凝土的抗折强度随着环氧树脂掺量的增加而不断提高。

图2 环氧树脂掺量对透水混凝土抗折强度的影响

2.2 环氧树脂掺量对透水混凝土透水性的影响

当环氧树脂掺量小于 2% 时，无砂透水混凝土的平衡透水流量[7]随着环氧树脂掺量的增加而增加（如表 3和图 3），当环氧树脂掺量超过 2% 时，无砂透水混凝土平衡透水流量会不断降低。

过多的环氧树脂造成透水混凝土透水性降低的原因，推测是环氧树脂引起浆体稠度及密实性发生了变化。掺量小于 2% 时，随着环氧树脂掺量的增加，浆体粘聚性增加，对骨料的包裹越紧密，因此透水性增加；超过临界掺量后，浆体因内部存在气孔而密实性变差，包裹骨料的浆体层厚度增加，混凝土连通孔隙率减小，因此透水性变差。

图3 环氧树脂对透水混凝土透水性的影响

2.3 环氧树脂对透水混凝土抗冻性的改善

冻融试件按标准条件养护到 24d 龄期时取出，放入水温为 15～20℃ 的水中浸泡 4d，至 28d 龄期取出试件，擦干表面水分，测试其初始质量，然后放入冻融试验机。按慢冻法进行冻融试验，冻融循环一定次数后，测定试件的质量，试验结果见表 4 和图 4。

环氧树脂掺量在 1% 以内时，冻融循环不超过 60次情况下，各试样质量损失率均很小。冻融循环在 25次以内时，由于缓慢渗透作用使得内部孔隙充水程度升高，各试样质量均出现不同程度的增加。当冻融循环达到和超过 40 次以后，环氧树脂掺量从 1% 增加到 2%时，由于试样强度的降低而引起质量损失较明显；同时由于透水混凝土韧性的改善，环氧树脂掺量超过 2%时，随着环氧树脂掺量的增加，试样质量损失率未呈现明显变化。然而，各试样在冻融循环 60 次时最大质量损失率才达到 0.8%，远未达到试样结束的界限（因设备故障未继续试验），各试样的抗冻性至少能达到 D60等级。

表4 冻融循环过程中透水混凝土试件的质量变化

图4 环氧树脂掺量对透水混凝土抗冻性的影响

3 结论

（1）在无砂透水混凝土中掺入适量的环氧树脂能大幅度提高其抗压强度。当掺量低于最佳值时，无砂透水混凝土抗压强度随着环氧树脂掺量的增加而大幅度提高；掺量超过最佳值后，则无砂透水混凝土的抗压强度随之降低。

（2）有机胶凝材料环氧树脂的掺入，增加了透水混凝土的韧性，透水混凝土的抗折强度随着环氧树脂掺量的增加而不断提高。

（3）由于环氧树脂改善了透水混凝土韧性，提高了变形能力，从而改善了混凝土的抗冻性。当环氧树脂掺量在 1.0% 左右时，可同时获得最高抗压强度和最好的抗冻性。

（4）环氧树脂掺量对无砂透水混凝土平均透水流量的影响趋势与抗压强度相似，基于透水性的最佳掺量略大于基于抗压强度的最佳掺量。

（5）在配制掺环氧树脂的无砂透水混凝土时，综合考虑抗压强度、抗折强度、抗冻性、透水性和经济性等因素，环氧树脂掺量宜取 1% 左右。

[1] 甘冰清．透水混凝土的配合比设计及其性能研究[D].淮南：安徽理工大学，2015．

[2] 孙宏友．基于正交试验法的透水混凝土配合比设计和试验研究[D]．成都：西南交通大学，2016．

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部．关于印发《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建（试行）》的通知（建城函(2014)275号）[Z]．中华人民共和国住房和城乡建设部，2014-10-22．

[4] 解读两会工作报告 建设有里有面的“海绵城市”[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，透水混凝土路面技术规程[S]．

[7] 蔡基伟，李静，张少波，等．利用再生骨料制备透水混凝土试验研究[J]．商品混凝土，2017,(3): 52-54．

[8] 程娟，郭向阳．搅拌方式及成型工艺对透水砼性能的影响[J]．长江科学院院报，2009,26(9): 91-94．