樹(shù)脂基透水混凝土性能試驗(yàn)研究

李時(shí)媛

(朝陽(yáng)市凌河治理保護(hù)工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

1 研究背景

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，城區(qū)河道整治領(lǐng)域的生態(tài)化要求日漸突出，傳統(tǒng)的硬化鋪裝與砌護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足工程建設(shè)的需求。因此，在城市河道整治工程建設(shè)中，新型透水材料的研制和應(yīng)用已經(jīng)成為重要的發(fā)展趨向[1]。透水混凝土是一種由水泥、粗骨料、各種外加劑以及摻合料制成的一種多孔混凝土，是一種極具生態(tài)兼職的綠色環(huán)保建筑材料，在河道整治工程中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[2]。樹(shù)脂基透水混凝土是近年來(lái)提出的一種新型材料透水混凝土，是以環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、稀釋劑和各種填料為膠結(jié)材料，與粗骨料混合攪拌以后形成的透水材料[3]。與傳統(tǒng)的水泥基透水混凝土相比，其具有良好的滲透性、抗凍性和穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。目前，樹(shù)脂基透水混凝土的研究和應(yīng)用尚處于起步階段，聚合物摻量、增強(qiáng)韌性體系以及制備工藝方面均沒(méi)有系統(tǒng)化的研究。在這一背景下，此次研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討樹(shù)脂種類、摻量對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)兩大主要參數(shù)的影響，以便為其工程應(yīng)用提供有益的借鑒和思考。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用膠凝材料包括樹(shù)脂、固化劑和稀釋劑[5]。為了研究不同樹(shù)脂材料的效果，本研究選擇市面上常見(jiàn)的聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂以及甲基丙烯酸甲酯等3種樹(shù)脂進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。其中，聚氨酯選擇的是江蘇靖江特種材料有限公司出品的PU- 50型無(wú)溶劑型聚氨酯膠黏劑，其黏度為40～90，固化時(shí)間為8h；環(huán)氧樹(shù)脂作采用的是唐山市豐潤(rùn)建材有限公司出品的EPCYD- 128非溶劑型環(huán)氧樹(shù)脂，其外觀為無(wú)機(jī)械雜質(zhì)且透明的黏稠液體，其環(huán)氧當(dāng)量為189g/mol，軟化點(diǎn)約為15℃；試驗(yàn)中的甲基丙烯酸甲酯為天津大茂試劑廠生產(chǎn)，固化時(shí)間為3～4h。由于樹(shù)脂不能實(shí)現(xiàn)自我聚合固化，因此需要固化劑的催化作用。此次試驗(yàn)中采用的是江蘇常州潤(rùn)祥化工有限公司出品的酚醛胺環(huán)氧固化劑，其密度為1.08g/cm3，胺值為480KOH/g。由于環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑混合之后的粘度變大，造成混合困難，因此需要稀釋劑改善其流動(dòng)性。此次試驗(yàn)中選擇的是天津渤海化工有限公司出品的乙二醇二縮水甘油醚活性稀釋劑。

骨料是透水混凝土的主要受力單元，其性質(zhì)會(huì)對(duì)混凝土的最終強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響。本研究選擇的是粒徑均勻的玄武巖碎石，其粒徑范圍為2～10mm，表觀密度為2800kg/m3，孔隙率為44.5%。鑒于良好的骨料級(jí)配可以充分發(fā)揮骨料的強(qiáng)度效應(yīng)，此次試驗(yàn)中以2～5和5～10mm骨料按照1∶1(級(jí)配A)和2∶1(級(jí)配B)比例進(jìn)行搭配試驗(yàn)。試驗(yàn)中的填料為電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，其燒失量為4.6%，需水比為104%，比表面積為3490cm2/g。

2.2 試件制作

樹(shù)脂基透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的試驗(yàn)均采用100mm×100mm×100mm的立方體試件。在制作過(guò)程中，為了保證玄武巖碎石能夠被膠凝材料均勻包裹，選擇二次投料法的拌合方法進(jìn)行制作[6]。將按照配合比稱量的粉煤灰加入環(huán)氧樹(shù)脂和稀釋劑的混合物中攪拌60s，在攪拌均勻之后將骨料和固化劑加入其中，繼續(xù)攪拌3min，在樹(shù)脂漿體均勻包裹在碎石表面之后將其裝入試模。試件的成型采用分層鋪裝，手工插搗和振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)相結(jié)合的方式進(jìn)行。其中，手工插搗的次數(shù)應(yīng)該在25次以上，振動(dòng)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以10s為宜，這不僅可以保證混凝土的密實(shí)度，同時(shí)還可以防止膠凝材料在試件底部堆積[7]。

2.3 試驗(yàn)方法

由于樹(shù)脂基透水混凝土屬于一種新型透水鋪裝材料，目前尚無(wú)試驗(yàn)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[8]。因此，在試驗(yàn)研究中參照普通混凝土的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。其中，抗壓試驗(yàn)采用YAW- 3000電液壓力一體試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.3MPa/s，每組試驗(yàn)測(cè)試3個(gè)試件，以試驗(yàn)結(jié)果的均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

在滲透系數(shù)試驗(yàn)方面，目前有常水頭法和變水頭法2種試驗(yàn)方法。鑒于透水混凝土的孔隙率較大，因此選擇常水頭法測(cè)試較為科學(xué)。透水試驗(yàn)選擇北京耐爾得公司生產(chǎn)的NELD-PC370透水系數(shù)儀，每3塊試件作為一組進(jìn)行試驗(yàn)，以其均試驗(yàn)結(jié)果均值作為該組試驗(yàn)的最終結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 樹(shù)脂種類的影響

為了研究不同樹(shù)脂種類對(duì)透水混凝土性能的影響。試驗(yàn)中保持樹(shù)脂摻量為4%不變，只改變樹(shù)脂的種類，對(duì)不同樹(shù)脂種類試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同樹(shù)脂種類試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

由表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，2種不同的級(jí)配方案環(huán)氧樹(shù)脂作為透水混凝土膠凝材料時(shí)的抗壓強(qiáng)度均最高。以級(jí)配A方案為例，以環(huán)氧樹(shù)脂作為透水混凝土膠凝材料時(shí)，其抗壓強(qiáng)度為19.56MPa，與聚氨酯方案的16.41MPa相比提高了約19.2%；與甲基丙烯酸甲酯方案的13.73MPa相比提高了約42.5%。由此可見(jiàn)，在試驗(yàn)的3種樹(shù)脂中，環(huán)氧樹(shù)脂的黏結(jié)效果最佳。

對(duì)3種不同樹(shù)脂制備的透水混凝土試件的透水系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同樹(shù)脂種類試件透水系數(shù)度試驗(yàn)結(jié)果

由表2中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于2種不同粗骨料級(jí)配方案，透水系數(shù)最大的是聚氨酯類試件，其次是環(huán)氧樹(shù)脂試件，透水系數(shù)最小的為甲基丙烯酸甲酯試件。但是，3種方案的試驗(yàn)結(jié)果比較接近。以級(jí)配A方案為例，聚氨酯試件的透水系數(shù)最大，相對(duì)于甲基丙烯酸甲酯方案相比增大了約2.1%；與環(huán)氧樹(shù)脂方案相比，增大了約1.3%。由此可見(jiàn)，3種樹(shù)脂種類制作的透水混凝土的透水系數(shù)比較接近，均沒(méi)有比較顯著的優(yōu)勢(shì)。綜合抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，環(huán)氧樹(shù)脂透水混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著偏大，而透水系數(shù)和聚氨酯試件較為接近。因此，推薦在工程應(yīng)用中選擇環(huán)氧樹(shù)脂作為樹(shù)脂基透水混凝土制備中的樹(shù)脂材料。

3.2 樹(shù)脂摻量的影響

根據(jù)前文的試驗(yàn)結(jié)果，環(huán)氧樹(shù)脂在透水混凝土制備中具有材料性能方面的優(yōu)勢(shì)。因此，本研究確定環(huán)氧樹(shù)脂為膠凝材料，確定3%、4%、5%、6%和7% 5種不同的環(huán)氧樹(shù)脂摻量，對(duì)不同級(jí)配方案下的透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂的摻量會(huì)對(duì)透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生較為明顯的影響，是試件抗壓強(qiáng)度的主要影響因素。

為了進(jìn)一步明確環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果繪制透水混凝土抗壓強(qiáng)度隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的變化曲線，如圖1所示。

表3 不同樹(shù)脂摻量試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 抗壓強(qiáng)度隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量變化曲線

由圖1可以看出，2種不同級(jí)配方案下的透水混凝土抗壓強(qiáng)度隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加呈現(xiàn)出先迅速增大后趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量小于5%時(shí)試件抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)比較迅速，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量大于5%時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度變化不大。

對(duì)不同環(huán)氧樹(shù)脂摻量的透水混凝土試件的滲透系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同樹(shù)脂摻量試件滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制透水混凝土試件滲透系數(shù)隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的變化曲線，如圖2所示。

圖2 透水系數(shù)隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量變化曲線

由表4和圖2可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)透水混凝土的透水系數(shù)存在顯著影響，隨著環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，試件的透水系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量小于5%時(shí)減小的幅度有限，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量大于5%時(shí)減小幅度較大。結(jié)合抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，環(huán)氧樹(shù)脂的摻量應(yīng)該以5%為宜。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，就樹(shù)脂種類和摻量對(duì)樹(shù)脂基透水混凝土性能的影響進(jìn)行研究，獲得的主要結(jié)論如下。

(1)3種常用樹(shù)脂中，環(huán)氧樹(shù)脂基透水混凝土的抗壓強(qiáng)度值顯著偏大，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)根據(jù)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，摻量以5%為最佳。