李 争，李宏亮，孙晋明
(1. 枣庄市住房建设事业发展中心，山东 枣庄 277800；
2. 中南大学 化学化工学院，长沙 410083)
随着我国城市化和工业化的发展，钢筋混凝土的高层建筑和混凝土路面已经逐渐覆盖了城市的地表[1-2]。混凝土路面硬化作为城市化发展的重要环节，不仅有利于交通运输，还能加速经济社会的发展[3-5]。混凝土作为主要使用材料，因其来源广泛、可塑性强和强度高等特点而被广泛应用于道路硬化，其中以透水混凝土的应用最多[6-7]。透水混凝土是一种具有良好的透水性环境友好型的道路铺装材料，贯穿性的孔隙使其能够起到减振降噪的作用，水能够从孔隙渗透到土壤中，不仅可以减轻城市排水的压力，还能够净化渗水水质，因而透水混凝土路面的应用研究也成为了近年来的热点[8-11]。从路面应用的角度考虑，透水混凝土不仅需要具有良好的透水性和较高的强度，还需要具有优异的耐久性能，尤其在某些偏远严寒地区，长时间的低温条件会导致透水混凝土路面发生冻融损伤，产生裂纹和缝隙，大大缩短了透水混凝土的使用寿命，研究出具有良好的透水性能和耐久性能的透水混凝土成为了很多学者们的关注焦点[12-14]。赵剑锋等研究了聚丙烯纤维(PPF)、聚乙烯醇纤维(PVAF)、玻璃纤维(GF)的掺量及长度对透水混凝土力学性能和透水性能的影响，发现透水混凝土的抗压强度随着PPF长度的增大先增大后减小，抗折强度随PPF长度和掺量的增大而增大，空隙率和透水系数随着PVAF和GF的掺杂量增加而降低，6 mm的PVAF能够显著改善透水混凝土的力学性能[15]。凌天清等研究了集料级配、空隙率和水胶比对透水混凝土力学性能和透水性能的影响，结果表明，空隙率对透水混凝土强度及透水系数影响最大，级配和水胶比影响较小，当空隙率为15%～20%、水胶比为0.35时，透水混凝土具有良好的强度和透水性能[16]。目前有关聚合物对透水混凝土的强度及透水性能的影响研究较少。侯利军等采用正交法制作了16组聚合物透水混凝土试样,对试样的力学性能、透水性能和孔隙率进行了研究，发现水灰比对聚合物透水混凝土的力学性能和透水性能影响最大,在最佳水灰比下，试件的最大抗压强度为45.2 MPa,冻融循环次数为150次[17]。本文以水性环氧树脂CYDW-100为改性剂，制备出了不同水性环氧树脂含量的改性透水混凝土，研究了环氧树脂掺杂量对透水混凝土的力学性能、透水性能和耐久性能的影响，力求制备出综合性能最佳的透水混凝土。
1.1 实验原材料
水性环氧树脂：CYDW-100，工业级，环氧当量为170～220，密度为1.2 g/cm3，凝胶时间为7～14 min，固含量为63%～69%，拉伸强度为73 MPa，延伸率为3%，宜兴市扬霖新材料有限公司；
水泥：P.O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积≥300/，初凝时间≥45 min，终凝时间≤600 min，上海济韵建材有限公司，水泥的化学组成如表1所示；
纳米TiO2：孔径为(12±2)mm，纯度>99%，体积密度为0.19 g/cm3，比表面积为38.2 m2/g，上海盈承新材料有限公司；
粉煤灰：Ⅱ级，茌平县金顺化工有限公司；
粗骨料：5～10 mm单粒级级配玄武岩碎石，石家庄德泽矿产品有限公司；
减水剂：聚羧酸减水剂，减水率为20%～25%，山东煌梓新材料有限公司；
水：室温的自来水。
表1 水泥的化学组成Table 1 Chemical composition of cement
1.2 实验设备
冷场扫描电子显微镜：S-4800，Hitachi，日本高新技术公司/英国牛津公司；
全自动压力试验机：YAW-300，位移分辨率为0.01 mm，济南矿岩试验仪器有限公司；
快速冻融机：KDR-V9，制冷功率为2.6 kW，加热功率为9 kW，沧州南华试验仪器有限公司；
透水系数测定仪：TSXS-1，温度精度为(±0.1)℃，时间精度为(±1)s，沧州亿轩试验仪器有限公司。
1.3 样品制备
表2为环氧树脂透水混凝土的配比。首先，按照表2配比称取骨料、水泥、环氧树脂和掺合料倒入搅拌机中，其中环氧树脂的质量占水泥质量的0，1%，2%和3%；
然后，将混合物搅拌5 min保证均匀后逐渐加入水，待水全部加入后均匀搅拌5 min；
最后，将混合物试样装入模具中，在温度为(20±5)℃、湿度>95%的标准养护室中养护至龄期，即得不同环氧树脂掺杂量的改性透水混凝土。
表2 环氧树脂透水混凝土的配比Table 2 Proportion of epoxy resin permeable concrete
1.4 样品的性能测试
1.4.1 力学性能测试
按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)对环氧树脂透水混凝土试样进行力学性能测试，将试样制备成尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体，在温度为(20±3)℃、相对湿度>90%的标准养护室中养护7和28 d后取出，在全自动压力试验机上进行抗压强度测试，加载速率为2 kN/s，结果精确到小数点后两位。抗折强度测试时将试样制备成尺寸为150 mm×150 mm×550 mm的立方体，加载速率为0.5 kN/s，当试样破坏后停止试验，记录抗折强度，结果精确到小数点后两位。
1.4.2 透水性能测试
按照《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T135-2009)对环氧树脂透水混凝土试样进行透水系数测试，试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，将试样放入真空装置，加入足够的水将试样覆盖并使水位高出试样100 mm，浸泡20 min后装入透水系数测定仪，打开供水阀门，使透水圆筒保持150 mm水位，待溢流水槽的溢流口和透水圆筒的溢流口的流水量稳定后，用量筒从出水口接水，记录5 min流出的水量和水位差，透水系数K按照式(1)计算：
(1)
式中：K为透水系数，mm/s；
Q为时间t秒内渗出的水量，mm3；
L为试样的厚度，mm；
A为试样的上表面积，mm2；
H为水位差，mm；
t为时间，s。
1.4.3 抗冻性能测试
按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)对环氧树脂透水混凝土试样进行冻融循环测试，将试样制备成尺寸为150 mm×150 mm×70 mm的立方体，养护24 d后取出放入水温为(20±2)℃的水中浸泡4 d，取出试样擦干后放入冻融循环试验机中开始冻融循环试验，试件最低温度为(-18±2)℃，最高温度为(5±1)℃，冻融循环时间为8 h/次，以10 ℃/h的速率降到-20 ℃后恒温1.5 h，待上升至5 ℃后恒温1 h为一个循环，循环次数分别为20，40和60 次时称重并计算质量损失率，质量损失率P按照式(2)计算：
(2)
式中，P为冻融循环j次后的质量损失率，%； 图1为环氧树脂透水混凝土7和28 d的抗压强度测试图。从图1可以看出，随着环氧树脂掺杂量的增加，改性环氧树脂透水混凝土的抗压强度先增大后轻微减小，未掺杂环氧树脂的透水混凝土7和28 d的抗压强度分别为6.13和7.24 MPa。当环氧树脂的掺杂量为2%(质量分数)时，改性透水混凝土7和28 d的抗压强度均达到了最大值，分别为11.32和13.17 MPa，相比未掺杂环氧树脂的透水混凝土，分别提高了84.67%和81.91%； 图1 环氧树脂透水混凝土7和28 d的抗压强度Fig.1 Compressive strength of epoxy resin permeable concrete at 7 and 28 d 图2为环氧树脂透水混凝土7和28 d的抗折强度测试图。从图2可以看出，环氧树脂透水混凝土的抗折强度与抗压强度的变化趋势相似，随着环氧树脂掺杂量的增加，改性透水混凝土的抗折强度先增大后减小，当环氧树脂的掺杂量为2%(质量分数)时，改性透水混凝土7和28 d的抗折强度达到了最大值，分别为1.023和1.26 MPa； 图2 环氧树脂透水混凝土7和28 d的抗折强度Fig.2 Flexural strength of epoxy resin permeable concrete at 7 and 28 d 图3为环氧树脂透水混凝土的透水系数测试图。从图3可以看出，随着环氧树脂掺杂量的增加，改性透水混凝土的透水系数先减小后轻微增加，所有改性透水混凝土的透水系数均>4 mm/s，具有较好的透水性能。未掺杂环氧树脂的透水混凝土的透水系数最大为5.72 mm/s，当环氧树脂的掺杂量为2%(质量分数)时，透水系数达到了最小值为4.84 mm/s； 图3 环氧树脂透水混凝土的透水系数Fig.3 Permeability coefficient of epoxy resin permeable concrete 表3为环氧树脂透水混凝土冻融循环0～60次的质量数据。从表3可以看出，在冻融循环20次时，所有透水混凝土的质量均出现了增加，这是因为冻融次数较少，透水混凝土的结构尚未遭到破坏，混凝土中骨料的水分没有饱和，在冻融前期，骨料和混凝土的孔隙不断吸水导致质量增加； 表3 环氧树脂透水混凝土冻融循环0～60次的质量变化Table 3 Quality change of epoxy resin permeable concrete after 0-60 freeze-thaw cycles 图4为环氧树脂透水混凝土冻融循环0～60次的质量损失率。从图4可以看出，当冻融循环≤20次时，所有透水混凝土的质量损失率均出现了降低； 图4 环氧树脂透水混凝土冻融循环0～60次的质量损失率Fig.4 Mass loss rate of epoxy resin permeable concrete after 0-60 freeze-thaw cycles 图5为环氧树脂透水混凝土冻融循环60次前后的SEM图。从图5(a)和(c)可以看出，在未冻融处理前，未掺杂环氧树脂的透水混凝土中有明显的孔隙，掺入环氧树脂后改性透水混凝土的孔隙减小，致密性明显增加。从图5(b)可以看出，经过60次冻融循环处理后，未掺杂环氧树脂的透水混凝土出现了明显了微裂纹，这是由于冻融循环处理后孔隙中的水结冰使体积增大，从而导致透水混凝土的结构受到破坏，孔隙变大。从图5(d)可以看出，60次冻融循环下，掺杂2%(质量分数)环氧树脂的改性透水混凝土中微裂纹较少，这是因为环氧树脂的掺杂增加了混凝土中水泥砂浆的黏度和韧性，提高了结构致密性，增大了混凝土的整体强度，在冻融循环处理后能够具有一定的韧性来抵挡破坏，使得抗冻性能提高，这也与力学性能分析的结果相吻合。 图5 环氧树脂透水混凝土冻融循环60次前后的SEM图：(a)未掺杂环氧树脂、未冻融处理； 研究了环氧树脂掺杂量对改性透水混凝土力学性能、透水性能、抗冻性能和微观形貌的影响，得出如下结论： (1)由于环氧树脂具有较高的黏度和一定的韧性，当环氧树脂掺杂到透水混凝土中后，增加了骨料和砂浆之间的粘度，提高了骨料和砂浆之间的结合强度，随着环氧树脂掺杂量的增加，透水混凝土7和28 d的抗压强度和抗折强度均先增大后轻微减小，当环氧树脂的掺杂量为2%(质量分数)时，改性透水混凝土具有最大的抗压强度和抗折强度。 (2)随着环氧树脂掺杂量的增加，改性透水混凝土的透水系数先减小后轻微增加，所有改性透水混凝土均具有较好的透水性能，当环氧树脂的掺杂量为2%(质量分数)时，透水系数达到了最小值为4.84 mm/s。 (3)通过冻融循环测试发现，在60次冻融循环下，随着环氧树脂掺杂量的增加，改性透水混凝土的质量损失率表现出先减小后增大的趋势，当环氧树脂的掺杂量为2%(质量分数)时，改性透水混凝土的质量损失率最小为0.3233%，抗冻性能最好。 (4)SEM分析发现，环氧树脂的掺杂提高了透水混凝土的结构致密性，掺杂2%(质量分数)环氧树脂的改性透水混凝土在冻融循环60次下微裂纹明显少于未掺杂环氧树脂的透水混凝土。综合分析可知，环氧树脂的最佳掺杂量为2%(质量分数)。
mi为第i次冻融循环的质量，kg；
mj为第j次冻融循环的质量，kg；
其中，i2.1 环氧树脂透水混凝土的力学性能测试
当环氧树脂的掺杂量增加到3%(质量分数)时，7和28 d的抗压强度均出现了不同程度的降低。
当环氧树脂的掺杂量增加到3%(质量分数)时，7和28 d的抗折强度均降低。分析其改善机理为：环氧树脂的黏度较大，并有一定的韧性，当适量的环氧树脂掺入混凝土中时，使得骨料和水泥砂浆之间的结合力增加，具有一定的韧性抵挡破坏，因此透水混凝土的抗压强度和抗折强度均得到了改善；
而当环氧树脂的掺杂量过多时，环氧树脂会将水泥砂浆包覆起来，使得水泥浆无法均匀地与骨料表面进行结合，从而导致抗压强度和抗折强度降低。
2.2 环氧树脂透水混凝土的透水性能测试
当环氧树脂的掺杂量增加到3%(质量分数)时，透水系数轻微增加。这是因为环氧树脂的黏度较大，掺入到透水混凝土中后，不仅能够增加骨料与砂浆之间的结合力，提高其致密性，还能够填充透水混凝土的孔隙，使水的流动受到阻碍，从而减小透水系数；
而当环氧树脂的掺杂量过多时，会使骨料与砂浆之间的结合力降低，透水混凝土的孔隙增大，从而增大透水系数。
2.3 环氧树脂透水混凝土的抗冻性能测试
当冻融循环超过20次后，随着冻融循环次数的增加，透水混凝土的质量呈现出逐渐降低的趋势。
当冻融循环>20次时，随着冻融循环次数的增加，透水混凝土的质量损失率逐渐增大。在60次冻融循环下，随着环氧树脂掺杂量的增加，改性透水混凝土的质量损失率表现出先减小后增大的趋势，当环氧树脂的掺杂量为2%(质量分数)时，改性透水混凝土的质量损失率最小为0.3233%，抗冻性能最好；
当环氧树脂的掺杂量增加到3%(质量分数)时，质量损失率增加至0.3244%。分析其原因为：当温度较低时，透水混凝土孔隙中的水结冰，使体积增大，对透水混凝土的结构造成破坏，导致剥落后出现质量损失，当适量的环氧树脂掺入混凝土后，使骨料与水泥砂浆之间的结合力增大，当孔隙中的水结冰体积增大时，透水混凝土具有一定的韧性抵挡破坏，因此改性透水混凝土的抗冻性能得到改善；
而当环氧树脂的掺杂量过大时，水泥会被包覆在环氧树脂中，导致骨料与水泥砂浆之间的结合力变差，透水混凝土整体强度降低，当孔隙中的水结冰体积膨胀后，透水混凝土容易受到破坏，抗冻性能下降。
2.4 环氧树脂透水混凝土的微观形貌测试
(b)未掺杂环氧树脂、冻融循环60次；
(c)掺杂2%(质量分数)环氧树脂、未冻融处理；
(d)掺杂2%(质量分数)环氧树脂、冻融循环60次Fig.5 SEM images of epoxy resin permeable concrete before and after 60 freeze-thaw cycles:(a) Undoped epoxy resin and without freeze-thaw treatment; (b) Undoped epoxy resin and freeze-thaw cycle 60 times; (c) Doped 2wt% epoxy resin and without freeze-thaw treatment; (d) Doped 2wt% epoxy resin and freeze-thaw cycle 60 times