玻璃-環(huán)氧樹脂發(fā)光透水混凝土的制備及其性能

劉志艷 侯 莉 李 軍 盧忠遠 付文濤

(1. 西南科技大學材料科學與工程學院 四川綿陽 621010； 2. 西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621010; 3. 四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司 成都 610000)

透水道路材料不僅有利于路面排水，還可以吸收車輪摩擦路面產(chǎn)生的噪聲，提高行車安全性和舒適性，是海綿城市建設的一個關鍵組成部分[1-2]。目前透水路面材料的研究主要集中在材料組成、配合比設計、透水性能和力學性能優(yōu)化等方面[3-4]。蓄光發(fā)光路面依靠內(nèi)部的夜光材料，白天在太陽光的照射下蓄能，夜間以光的形式釋放，在夜間起到警示、美化、節(jié)能等效果，這種路面已成為當今道路工程的研究熱點。目前，關于有蓄光發(fā)光特性的透水道路的研究較少。

透水路面材料主要有透水水泥混凝土、透水瀝青混凝土、透水磚等。環(huán)氧樹脂固化后顏色較淺，通常為白色或淡黃色，制備的透水混凝土有良好的力學性能[5]，較適合作為發(fā)光透水材料的膠凝材料。玻璃作為一種較為透明的固體物質(zhì)，對光的吸收較小，有利于光的傳播。廢玻璃在自然界中無法生物降解，且通常多色混合在一起，加之強度較低，回收利用受到局限，我國每年廢棄玻璃回收率不到50%，未利用的廢玻璃超過1 000萬t/a[6-7]。

本研究以透明環(huán)氧樹脂為基體，玻璃砂為骨料，熒光粉為發(fā)光材料，制備出蓄光發(fā)光透水道路材料。該蓄光發(fā)光透水道路材料可用于人行道、廣場、步行街等路面，雨天不積水，夜晚可以起到裝飾和警示效果。玻璃砂的使用不僅可以提高熒光粉的發(fā)光效果，而且可以實現(xiàn)廢棄玻璃的資源化利用，減少玻璃堆放對環(huán)境造成的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

環(huán)氧樹脂采用鳳凰牌E-44環(huán)氧樹脂；固化劑為雙鳳凰牌593型固化劑，固化劑用量為樹脂用量的40%；玻璃砂由兆通玻璃集團有限公司提供，為生產(chǎn)玻璃的邊角料破碎加工而成，選用0.5～1，1～2，2～4，4～8 mm共4個尺寸級配，其物理性能見表1；熒光粉采用大連路明發(fā)光科技股份有限公司黃綠色熒光粉。

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

1.2 配合比設計

透水混凝土孔隙率一般控制在15%～30%[1]，本研究中玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土目標孔隙率設計為20%～30%，配合比設計參照《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)中透水水泥混凝土配合比設計方法[8]，其配合比見表2。

表2 玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土配合比Table 2 Mix proportion of glass-epoxy pervious concrete

1.3 試件制備

將環(huán)氧樹脂和固化劑(或固化劑和熒光粉混合物)按配合比稱量好，放入攪拌鍋中慢速攪拌30 s后快速攪拌30 s，然后將玻璃砂加入攪拌鍋，慢速攪拌120 s后停下，將攪拌葉片和邊緣的附著物刮下，重新攪拌30 s，使其攪拌均勻。將攪拌好的拌合物分兩次澆筑到100 mm×100 mm×100 mm立方體模具內(nèi)，采用人工搗實，在20±2 ℃室內(nèi)養(yǎng)護1 d后拆模。拆模后的樣品在20±2 ℃室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護至7 d，到齡期的樣品進行密度、強度、孔隙率、透水率等測試。

1.4 測試方法

密度：稱量試件的質(zhì)量m0，通過測量試件的長、寬、高，計算出試件的體積V，試件的密度ρ0通過式(1)計算得到：

(1)

式中：ρ0為試塊密度(g/cm3)；m0為試塊在空氣中的重量(g)；V為試塊的體積(cm3)。

孔隙率：試件孔隙率γ通過式(2)計算獲得：

(2)

式中：γ為試件孔隙率(%)；ρ1，ρ2分別為環(huán)氧樹脂、玻璃砂的密度(g/cm3)；φ為環(huán)氧樹脂占試件的質(zhì)量分數(shù)。

連續(xù)孔隙率、閉孔孔隙率：參照《透水混凝土路面技術規(guī)程》(DB11/T 775—2010)中透水混凝土孔隙率試驗方法進行測試[9]，試塊連通孔隙率γ1通過式(3)計算得到，試塊閉孔孔隙率γ2和連續(xù)孔隙率比例通過式(4)、式(5)計算得到：

(3)

γ2=γ-γ1

(4)

(5)

式中：γ，γ1，γ2分別為試塊的孔隙率(%)、連通孔隙率(%)、閉孔孔隙率(%)；m1為試塊在水中的重量(g)；ρ為水的密度(g/cm3)。

抗壓強度：在萬能試驗機上進行抗壓強度試驗，加載速度0.5 MPa/s。

透水系數(shù)：參照行業(yè)標準《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)進行，采用北京耐爾得公司NELD-PC370混凝土透水系數(shù)測定儀測得。實驗采用固定水位法(見圖1)，即固定水位高度H，通過測量一定時間t內(nèi)排到容器內(nèi)的水量Q來計算透水系數(shù)的方法，按式(6)計算：

(6)

式中：k為透水系數(shù)；L為試塊厚度；A為試塊透水橫截面積；H為水位高度；t為時間；Q為水量。

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

熒光亮度：將發(fā)光透水混凝土試塊在人工日光D65光源1 000 lx照度條件下激發(fā)10 min 后，記錄樣品結束激發(fā)1 min后的亮度值。

2 結果分析

2.1 密度

玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土密度與環(huán)氧樹脂用量、玻璃砂用量、玻璃砂級配有關。透水混凝土密度如圖2所示。同一玻璃砂級配的透水混凝土密度隨環(huán)氧樹脂用量增加呈上升趨勢。相同環(huán)氧樹脂用量時，0.5～1 mm玻璃砂制備的透水混凝土密度較低，其次是1～2 mm玻璃砂。2～4 mm和4～8 mm玻璃砂制備的透水混凝土密度較大，且環(huán)氧樹脂用量為213 kg/m3和231 kg/m3時，2～4 mm玻璃砂制備的透水混凝土密度略高于4～8 mm。這是由于2～4 mm和4～8 mm玻璃砂在攪拌成型過程中均易被破壞，破碎后的小顆粒玻璃砂可以填充到玻璃砂空隙中，導致混凝土實際密度偏大。

圖2 玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土密度Fig.2 Density of glass-epoxy pervious concrete

2.2 孔隙率

玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土的孔隙率、連續(xù)孔隙率見表3。玻璃砂0.5～1 mm、目標孔隙率大于25%的透水混凝土的實際孔隙率大于目標孔隙率。這是因為玻璃砂加入環(huán)氧樹脂后會導致環(huán)氧樹脂體系的黏度增大，且尺寸越小黏度增加越明顯。0.5～1 mm玻璃砂制備的環(huán)氧樹脂混凝土由于黏度過大，混凝土不易壓實，因此孔隙率偏高。其他組透水混凝土實際空隙率小于目標孔隙率，這是由于在攪拌和振實過程中，玻璃砂易被破壞，導致體系更加緊密。

透水混凝土中的連續(xù)孔隙率直接影響其透水性能。由表3可以看出，隨著目標孔隙率的增加，制備透水混凝土所需的環(huán)氧樹脂量減少，混凝土連續(xù)孔隙率增加，連續(xù)孔比例增加。隨著玻璃砂尺寸的減小，透水混凝土連續(xù)孔隙率增加，閉孔孔隙率降低。這是因為較小尺寸的玻璃砂具有較大的比表面積和總表面積，玻璃砂表面包裹的環(huán)氧樹脂較薄，且由于體系黏度較大，環(huán)氧樹脂不易搭接形成閉孔，因此混凝土連續(xù)孔隙率較高。

表3 玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土空隙率Table 3 Voidage rate of glass - epoxy pervious concrete

2.3 強度

玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土的強度見圖3。對于同一玻璃砂級配，玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土的抗壓強度隨著環(huán)氧樹脂用量的降低而降低。相同環(huán)氧樹脂用量時，玻璃砂為4～8 mm制備的混凝土強度較高，2～4 mm和1～2 mm次之，0.5～1 mm的混凝土強度最低。這是因為玻璃砂越小，比表面積越大，相同體積的玻璃砂總表面積越大，玻璃砂表面包裹的環(huán)氧樹脂越薄。因此，玻璃砂越小，玻璃砂搭接處的強度越低，混凝土強度越低。另一方面，玻璃砂越小，混凝土孔隙率越高，混凝土缺陷越多，也會導致抗壓強度偏低。

圖3 玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土強度Fig.3 Strength of glass - epoxy pervious concrete

2.4 透水系數(shù)

玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土的透水系數(shù)見圖4。隨著環(huán)氧樹脂用量的增加，透水混凝土的透水系數(shù)呈下降趨勢。相同環(huán)氧樹脂用量時，4～8 mm玻璃砂制備的透水混凝土透水系數(shù)較大，0.5～1 mm的透水系數(shù)較小。這是因為4～8 mm玻璃砂尺寸較大，制備的透水混凝土骨架間孔洞直徑也較大，有利于水的流動。盡管0.5～1 mm玻璃砂制備的透水混凝土孔隙率較高，但由于孔洞直徑較小，阻礙了水的流動，導致透水系數(shù)較低[10]。

圖4 玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土透水系數(shù)Fig.4 Pervious coefficient of glass-epoxy resin pervious concrete

2.5 玻璃-環(huán)氧樹脂發(fā)光透水混凝土

混凝土的透水性和強度是混凝土作為透水路面的2個重要指標，且二者均與透水混凝土的孔隙率有關?？紫堵试礁撸杆栽胶枚鴱姸仍降?。根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)規(guī)定[9]，透水混凝土應達到下列指標：透水系數(shù)≥0.5 mm/s，連續(xù)孔隙率≥10%，抗壓強度≥20 MPa。

本研究所制備的透水混凝土透水系數(shù)與強度的關系如圖5所示。玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土強度隨著透水系數(shù)的增加而降低，在透水系數(shù)一致的情況下，4～8 mm玻璃砂制備的環(huán)氧樹脂透水混凝土具有較高的抗壓強度，2～4 mm和1～2 mm次之，0.5～1 mm玻璃砂制備的混凝土強度較低。結合玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土中環(huán)氧樹脂用量考慮，4～8 mm玻璃砂制備的環(huán)氧樹脂透水混凝土環(huán)氧樹脂用量少、成本低、強度較高，較適合制備透水混凝土。

圖5 玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土透水系數(shù)-強度關系圖Fig.5 Pervious coefficient-strength diagram of glass - epoxy pervious concrete

采用4～8 mm玻璃砂做骨料，環(huán)氧樹脂用量為224 kg/m3，熒光粉用量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量分數(shù)的5% 和10% 制備發(fā)光透水混凝土，性能見表4。熒光粉摻量為5% 時發(fā)光透水混凝土的抗壓強度、透水系數(shù)均優(yōu)于10% 摻量，且抗壓強度、透水系數(shù)、連續(xù)孔隙率均符合技術規(guī)程規(guī)定。熒光粉用量為5%時的玻璃-環(huán)氧樹脂發(fā)光透水混凝土白天和夜晚效果見圖6，夜晚的玻璃-環(huán)氧樹脂發(fā)光透水混凝土成黃綠色，亮度高于周邊物品，可以起到裝飾或警示效果。

3 結論

本研究以環(huán)氧樹脂為膠凝材料，廢玻璃砂為骨料制備新型發(fā)光透水道路材料，結論如下：(1)玻璃-環(huán)氧樹脂透水混凝土隨著環(huán)氧樹脂用量增加，混凝土強度增加，透水系數(shù)減小。(2)玻璃砂的尺寸對環(huán)氧樹脂透水混凝土性能影響較大，玻璃砂尺寸越小，環(huán)氧樹脂透水混凝土密度越小，孔隙率越高，強度越低。4～8 mm玻璃砂制備的環(huán)氧樹脂透水混凝土綜合性能較好，成本較低。(3)選用合適尺寸的玻璃砂和環(huán)氧樹脂用量可制備出滿足透水路面材料要求的透水混凝土。(4)熒光粉用量為環(huán)氧樹脂用量5%時，發(fā)光透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)、孔隙率等均滿足路面材料要求，且具有自發(fā)光效果。