玻璃-环氧树脂发光透水混凝土的制备及其性能

刘志艳 侯 莉 李 军 卢忠远 付文涛

(1. 西南科技大学材料科学与工程学院 四川绵阳 621010； 2. 西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010; 3. 四川蜀渝石油建筑安装工程有限责任公司 成都 610000)

透水道路材料不仅有利于路面排水，还可以吸收车轮摩擦路面产生的噪声，提高行车安全性和舒适性，是海绵城市建设的一个关键组成部分[1-2]。目前透水路面材料的研究主要集中在材料组成、配合比设计、透水性能和力学性能优化等方面[3-4]。蓄光发光路面依靠内部的夜光材料，白天在太阳光的照射下蓄能，夜间以光的形式释放，在夜间起到警示、美化、节能等效果，这种路面已成为当今道路工程的研究热点。目前，关于有蓄光发光特性的透水道路的研究较少。

透水路面材料主要有透水水泥混凝土、透水沥青混凝土、透水砖等。环氧树脂固化后颜色较浅，通常为白色或淡黄色，制备的透水混凝土有良好的力学性能[5]，较适合作为发光透水材料的胶凝材料。玻璃作为一种较为透明的固体物质，对光的吸收较小，有利于光的传播。废玻璃在自然界中无法生物降解，且通常多色混合在一起，加之强度较低，回收利用受到局限，我国每年废弃玻璃回收率不到50%，未利用的废玻璃超过1 000万t/a[6-7]。

本研究以透明环氧树脂为基体，玻璃砂为骨料，荧光粉为发光材料，制备出蓄光发光透水道路材料。该蓄光发光透水道路材料可用于人行道、广场、步行街等路面，雨天不积水，夜晚可以起到装饰和警示效果。玻璃砂的使用不仅可以提高荧光粉的发光效果，而且可以实现废弃玻璃的资源化利用，减少玻璃堆放对环境造成的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

环氧树脂采用凤凰牌E-44环氧树脂；固化剂为双凤凰牌593型固化剂，固化剂用量为树脂用量的40%；玻璃砂由兆通玻璃集团有限公司提供，为生产玻璃的边角料破碎加工而成，选用0.5～1，1～2，2～4，4～8 mm共4个尺寸级配，其物理性能见表1；荧光粉采用大连路明发光科技股份有限公司黄绿色荧光粉。

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

1.2 配合比设计

透水混凝土孔隙率一般控制在15%～30%[1]，本研究中玻璃-环氧树脂透水混凝土目标孔隙率设计为20%～30%，配合比设计参照《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135—2009)中透水水泥混凝土配合比设计方法[8]，其配合比见表2。

表2 玻璃-环氧树脂透水混凝土配合比Table 2 Mix proportion of glass-epoxy pervious concrete

1.3 试件制备

将环氧树脂和固化剂(或固化剂和荧光粉混合物)按配合比称量好，放入搅拌锅中慢速搅拌30 s后快速搅拌30 s，然后将玻璃砂加入搅拌锅，慢速搅拌120 s后停下，将搅拌叶片和边缘的附着物刮下，重新搅拌30 s，使其搅拌均匀。将搅拌好的拌合物分两次浇筑到100 mm×100 mm×100 mm立方体模具内，采用人工捣实，在20±2 ℃室内养护1 d后拆模。拆模后的样品在20±2 ℃室内继续养护至7 d，到龄期的样品进行密度、强度、孔隙率、透水率等测试。

1.4 测试方法

密度：称量试件的质量m0，通过测量试件的长、宽、高，计算出试件的体积V，试件的密度ρ0通过式(1)计算得到：

(1)

式中：ρ0为试块密度(g/cm3)；m0为试块在空气中的重量(g)；V为试块的体积(cm3)。

孔隙率：试件孔隙率γ通过式(2)计算获得：

(2)

式中：γ为试件孔隙率(%)；ρ1，ρ2分别为环氧树脂、玻璃砂的密度(g/cm3)；φ为环氧树脂占试件的质量分数。

连续孔隙率、闭孔孔隙率：参照《透水混凝土路面技术规程》(DB11/T 775—2010)中透水混凝土孔隙率试验方法进行测试[9]，试块连通孔隙率γ1通过式(3)计算得到，试块闭孔孔隙率γ2和连续孔隙率比例通过式(4)、式(5)计算得到：

(3)

γ2=γ-γ1

(4)

(5)

式中：γ，γ1，γ2分别为试块的孔隙率(%)、连通孔隙率(%)、闭孔孔隙率(%)；m1为试块在水中的重量(g)；ρ为水的密度(g/cm3)。

抗压强度：在万能试验机上进行抗压强度试验，加载速度0.5 MPa/s。

透水系数：参照行业标准《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135—2009)进行，采用北京耐尔得公司NELD-PC370混凝土透水系数测定仪测得。实验采用固定水位法(见图1)，即固定水位高度H，通过测量一定时间t内排到容器内的水量Q来计算透水系数的方法，按式(6)计算：

(6)

式中：k为透水系数；L为试块厚度；A为试块透水横截面积；H为水位高度；t为时间；Q为水量。

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

荧光亮度：将发光透水混凝土试块在人工日光D65光源1 000 lx照度条件下激发10 min 后，记录样品结束激发1 min后的亮度值。

2 结果分析

2.1 密度

玻璃-环氧树脂透水混凝土密度与环氧树脂用量、玻璃砂用量、玻璃砂级配有关。透水混凝土密度如图2所示。同一玻璃砂级配的透水混凝土密度随环氧树脂用量增加呈上升趋势。相同环氧树脂用量时，0.5～1 mm玻璃砂制备的透水混凝土密度较低，其次是1～2 mm玻璃砂。2～4 mm和4～8 mm玻璃砂制备的透水混凝土密度较大，且环氧树脂用量为213 kg/m3和231 kg/m3时，2～4 mm玻璃砂制备的透水混凝土密度略高于4～8 mm。这是由于2～4 mm和4～8 mm玻璃砂在搅拌成型过程中均易被破坏，破碎后的小颗粒玻璃砂可以填充到玻璃砂空隙中，导致混凝土实际密度偏大。

图2 玻璃-环氧树脂透水混凝土密度Fig.2 Density of glass-epoxy pervious concrete

2.2 孔隙率

玻璃-环氧树脂透水混凝土的孔隙率、连续孔隙率见表3。玻璃砂0.5～1 mm、目标孔隙率大于25%的透水混凝土的实际孔隙率大于目标孔隙率。这是因为玻璃砂加入环氧树脂后会导致环氧树脂体系的黏度增大，且尺寸越小黏度增加越明显。0.5～1 mm玻璃砂制备的环氧树脂混凝土由于黏度过大，混凝土不易压实，因此孔隙率偏高。其他组透水混凝土实际空隙率小于目标孔隙率，这是由于在搅拌和振实过程中，玻璃砂易被破坏，导致体系更加紧密。

透水混凝土中的连续孔隙率直接影响其透水性能。由表3可以看出，随着目标孔隙率的增加，制备透水混凝土所需的环氧树脂量减少，混凝土连续孔隙率增加，连续孔比例增加。随着玻璃砂尺寸的减小，透水混凝土连续孔隙率增加，闭孔孔隙率降低。这是因为较小尺寸的玻璃砂具有较大的比表面积和总表面积，玻璃砂表面包裹的环氧树脂较薄，且由于体系黏度较大，环氧树脂不易搭接形成闭孔，因此混凝土连续孔隙率较高。

表3 玻璃-环氧树脂透水混凝土空隙率Table 3 Voidage rate of glass - epoxy pervious concrete

2.3 强度

玻璃-环氧树脂透水混凝土的强度见图3。对于同一玻璃砂级配，玻璃-环氧树脂透水混凝土的抗压强度随着环氧树脂用量的降低而降低。相同环氧树脂用量时，玻璃砂为4～8 mm制备的混凝土强度较高，2～4 mm和1～2 mm次之，0.5～1 mm的混凝土强度最低。这是因为玻璃砂越小，比表面积越大，相同体积的玻璃砂总表面积越大，玻璃砂表面包裹的环氧树脂越薄。因此，玻璃砂越小，玻璃砂搭接处的强度越低，混凝土强度越低。另一方面，玻璃砂越小，混凝土孔隙率越高，混凝土缺陷越多，也会导致抗压强度偏低。

图3 玻璃-环氧树脂透水混凝土强度Fig.3 Strength of glass - epoxy pervious concrete

2.4 透水系数

玻璃-环氧树脂透水混凝土的透水系数见图4。随着环氧树脂用量的增加，透水混凝土的透水系数呈下降趋势。相同环氧树脂用量时，4～8 mm玻璃砂制备的透水混凝土透水系数较大，0.5～1 mm的透水系数较小。这是因为4～8 mm玻璃砂尺寸较大，制备的透水混凝土骨架间孔洞直径也较大，有利于水的流动。尽管0.5～1 mm玻璃砂制备的透水混凝土孔隙率较高，但由于孔洞直径较小，阻碍了水的流动，导致透水系数较低[10]。

图4 玻璃-环氧树脂透水混凝土透水系数Fig.4 Pervious coefficient of glass-epoxy resin pervious concrete

2.5 玻璃-环氧树脂发光透水混凝土

混凝土的透水性和强度是混凝土作为透水路面的2个重要指标，且二者均与透水混凝土的孔隙率有关。孔隙率越高，往往透水性越好而强度越低。根据《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135—2009)规定[9]，透水混凝土应达到下列指标：透水系数≥0.5 mm/s，连续孔隙率≥10%，抗压强度≥20 MPa。

本研究所制备的透水混凝土透水系数与强度的关系如图5所示。玻璃-环氧树脂透水混凝土强度随着透水系数的增加而降低，在透水系数一致的情况下，4～8 mm玻璃砂制备的环氧树脂透水混凝土具有较高的抗压强度，2～4 mm和1～2 mm次之，0.5～1 mm玻璃砂制备的混凝土强度较低。结合玻璃-环氧树脂透水混凝土中环氧树脂用量考虑，4～8 mm玻璃砂制备的环氧树脂透水混凝土环氧树脂用量少、成本低、强度较高，较适合制备透水混凝土。

图5 玻璃-环氧树脂透水混凝土透水系数-强度关系图Fig.5 Pervious coefficient-strength diagram of glass - epoxy pervious concrete

采用4～8 mm玻璃砂做骨料，环氧树脂用量为224 kg/m3，荧光粉用量为环氧树脂质量分数的5% 和10% 制备发光透水混凝土，性能见表4。荧光粉掺量为5% 时发光透水混凝土的抗压强度、透水系数均优于10% 掺量，且抗压强度、透水系数、连续孔隙率均符合技术规程规定。荧光粉用量为5%时的玻璃-环氧树脂发光透水混凝土白天和夜晚效果见图6，夜晚的玻璃-环氧树脂发光透水混凝土成黄绿色，亮度高于周边物品，可以起到装饰或警示效果。

3 结论

本研究以环氧树脂为胶凝材料，废玻璃砂为骨料制备新型发光透水道路材料，结论如下：(1)玻璃-环氧树脂透水混凝土随着环氧树脂用量增加，混凝土强度增加，透水系数减小。(2)玻璃砂的尺寸对环氧树脂透水混凝土性能影响较大，玻璃砂尺寸越小，环氧树脂透水混凝土密度越小，孔隙率越高，强度越低。4～8 mm玻璃砂制备的环氧树脂透水混凝土综合性能较好，成本较低。(3)选用合适尺寸的玻璃砂和环氧树脂用量可制备出满足透水路面材料要求的透水混凝土。(4)荧光粉用量为环氧树脂用量5%时，发光透水混凝土抗压强度、透水系数、孔隙率等均满足路面材料要求，且具有自发光效果。