防堵塞型透水混凝土的制备与性能

摘 要：为改善路面透水性能，聚合物透水混凝土已逐渐广泛用于海绵城市的建设中。该试验采用特细砂和环氧树脂制备透水材料，通过控制变量法，分别探讨了砂的粒径和聚合物掺量对透水混凝土的抗压强度以及透水系数的影响。同时还进行了堵塞的模拟实验，基于图像分析透水混凝土的孔径大小，通过观察混凝土的微观孔结构分析其性能变化规律。试验结果表明：在粒径相同的情况下，随着环氧树脂掺量的增加，透水混凝土的抗压强度逐渐提高，而透水系数逐渐下降;当骨料粒径为0.15-0.3mm的比例增大时，透水混凝土抗压强度呈现先增加后下降的趋势，而透水系数呈现不断增大的趋势。当骨料粒径为0.15-0.3mm，环氧树脂掺量为骨料质量的5%时，透水混凝土的平均孔隙率为14%，平均等效直径为214um。当粒径为0.15-0.3mm和0.3-0.6mm的骨料复掺比例为1：1时综合性能较好，抗压强度达41.7MPa，透水系数为1.7mm/s，制品经四次堵塞循环后，透水衰减系数小于20%，防堵塞性能良好。

关键词： 聚合物透水混凝土;骨料粒径;聚合物掺量;防堵塞;孔结构

中图分类号：TU473.1    文献标识码：A      文章编号：

Abstract： In order to improve the permeable performance of pavement， polymer pervious concrete has been widely used in the construction of sponge city. Special fine sand and epoxy resin were used to prepare permeable materials. The influence of particle size and polymer dosage on the compressive strength and permeable coefficient of permeable concrete were discussed by controlling variable method. At the same time， the simulation experiment of blockage was carried out. Based on the image analysis of the aperture of the permeable concrete， and the properties of the concrete was analyzed by observing the microstructure of the concrete. The experimental results show that with the same particle size， with the increase of epoxy resin content， the compressive strength of the permeable concrete gradually increases， while the water permeability coefficient decreases gradually， When the particle size of aggregate is 0.15-0.3 mm， the compressive strength of permeable concrete appears to increase initialy and then decrease， while the permeable coefficient appears to increase continuously. When the aggregate particle size is 0.15-0 .3 mm and the epoxy resin is 5 % of the aggregate mass， the average porosity of the permeable concrete is 14 %， and the average equivalent diameter is 214um. The aggregate blending ratios with particle sizes of 0.15-0.3 and 0.3-0.6 were 1：1， with a compressive strength of 41.7MPa and a permeation coefficient of 1.7mm/s， showing best performance. After the product blocks four cycles， the permeability attenuation coefficient is less than 20%， and the anti-blockage performance is great.

Keywords： polymers pervious concrete; aggregate size; polymer dosage; anti blocking; porosity structure

現代化城市的建设过程中带来了一系列城市生态问题，例如热岛效应，城市内涝等。为改善生态环境，对透水性地面的需求越来越高，专家学者们提出了海绵城市建设的理念[1]，而透水混凝土作为海绵城市道路建设的一部分，对海绵城市道路建设的渗流、蓄水、净水等具有重要意义。

聚合物透水混凝土是以高分子树脂为胶结料，靠树脂聚合固化形成多孔混凝土[2]。目前国内外对聚合物透水混凝土的研究并不深入[3]，聚合物透水混凝土主要应用于景观道路、公园广场等。重庆交通大学的有关专家研究了聚合物骨架空隙混凝土透水路面铺装[4]，试验数据显示该透水混凝土的透水系数为0.4mm/s、28d抗压强度为21.4MPa，但使用不久后路面出现表面剥离、膨胀等现象。与水泥透水混凝土相比，聚合物透水混凝土具有较好的透水性能，但硬化后较脆、耐冲击性能差，且容易老化，力学性能不足，其在透水铺装领域中的应用受到限制。聚合物透水混凝土在制备过程中，需要控制质量与优化制作工艺。

透水混凝土是一种生态型环保混凝土，其透水性能依赖于孔隙率。普通的水泥透水混凝土、沥青透水混凝土等具有较大连通孔隙，空隙率为15%～30%，具有良好透水性能，目前应用最广泛、研究较为深入。但因其大孔隙透水通道易被外界灰尘之类的微小颗粒堵塞，而导致其透水性能下降，甚至丧失透水性能[5]。不同骨料粒径制备的透水混凝土的孔隙结构特征差异较大，因此混凝土防堵塞的效果也各有差异。Deo等[6]人研发了一种渗透装置，通过多次加入等量砂粒来模拟堵塞循环实验，直至透水系数基本不变时结束试验。研究认为孔隙尺寸是颗粒尺寸的7倍左右时，透水混凝土的堵塞最为严重。而有些透水材料孔隙细小，结构致密，耐磨性好，使用周期较长，如烧结陶瓷透水砖，但它们的生产工艺复杂，成本高，仅用于一些高档地段，而且在陶瓷透水砖的制作中需高温烧结消耗大量能源。

透水混凝土的防堵塞效果越好，则透水性能的持续性越长久，且越容易恢复透水效果。国内外相关领域的专家学者对此进行了研究。Kurihara[7]等对孔隙率为20%左右的多孔沥青透水混凝土和水泥基透水混凝土的堵塞性能进行了研究，比较了堵塞剂种类及其用量对混凝土透水性能影响;Balades[8]等对湿式清扫、纯吸式清扫、吸吸式清扫、冲洗抽吸结合等4种缓解空隙堵塞的方式进行了试验，混凝土中空隙的透水能力和透水持续性进行了研究，分析了透水衰减系数同透水时间的关系。因堵塞决定了透水材料的使用年限，即透水材料的透水性能随着孔隙堵塞过程而逐渐降低，使其演变成为非透水路面，从而导致其透水功能难以发挥，造成城市内涝灾害和经济损失，透水路面的堵塞过程需进一步研究[9]。

实验以特细砂为骨料，聚合物环氧树脂为胶结材料制备透水材料，该种材料同时满足力学性能与透水性能的新型透水材料，该材料孔隙细小，结构致密，能够有效防止大部分堵塞物进入透水材料的连通孔隙，在透水层表面将堵塞物“收集”，并通过清扫使其恢复良好的透水性能，从而达到防堵塞效果。研究了骨料粒径及聚合物掺量对透水混凝土力学性能和透水性能的影响，通过切片获取二维平面图像，分析其孔隙结构特征，并进行了防堵塞性能模拟测试。

1试验原材料及试件制备

1.1原材料

1.1.1骨料 实验用的骨料為重庆特细砂，选取0.15-0.3mm，0.3-0.6mm两种粒径。

1.1.2聚合物 环氧树脂E-44（6101）型，环氧当量为210～240g/eq，产自湖南省岳阳市云溪区。

1.1.3固化剂 丹宝牌低分子650固化剂，聚酰胺树脂，浅棕色黏稠液体，密度（40℃）0.97～0.99g/cm3，胺值200～240mgKOH/g。

1.1.4堵塞剂 粒径小于0.075mm的尘土[10]。

1.2试件制备

实验配合比如表1所示，环氧树脂：固化剂的质量比均为2：1，所有试件由JJ-5行星式水泥胶砂搅拌机搅拌而成，实验先将环氧树脂与固化剂搅拌60s，再加入特细砂搅拌180s，其次将拌合物分两层装入模具中，采用人工插捣成型方式成型、抹平表面，最后将试件带模烘箱60℃养护45 min后拆模， 并继续将试件放入60℃烘箱中干热养护3d。抗压强度测试试件规格为：40mm×40mm×40mm，透水性能测试试件规格为：100mm×100mm×20mm。具体试验步骤如图1所示。

2试件性能测试

2.1抗压强度

到目前为止，国内尚未制定针对环氧树脂胶砂力学强度测试的相关标准，该试验参考 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》，用抗压强度试验机进行测试，试件的受压面积为40mm×40mm。

2.2透水系数

目前，中国对透水性混凝土透水系数的测试主要有两种方法：一种是日本混凝土工学协会推荐的大孔混凝土透水性试验方法，即常水头测试方法。另一种方法是采用变化水头的方法，即从一定的水头高度开始，以渗流速度V表示透水混凝土的透水系数[11]。前者主要用来测量渗透性较大的材料如大孔隙透水混凝土、砂或砂性土等;后者用来测试渗透性较小的如黏土类土工材[12]。试验探索发现采用变水头方法更为合理，即固定水位高度法[13]，所用装置见图2

测试前先将试样的四周进行融蜡密封操作，之后采用橡皮泥进行密封连接，继而在透水仪中倒入一定量的水，待水的高度到达第一条刻度线时开始计时，水位降至第二条刻度线时停止计时。记录下时间间隔Δt ，s，两刻度线的水位高度差为ΔH，mm。同一配比取3个试块进行试验，每个试块至少3次重复测试，取有效值并计算其平均值。

2.3堵塞模拟

试验过程中，若一次撒布过多质量的堵塞剂，容易发生积聚堵塞现象。试验模拟堵塞实验步骤为：（1）测定试块的初始渗透系数C0，mm/s;（2）称取10g堵塞剂均匀洒在透水混凝土试件表面，加入一定量水冲刷过滤，待堵塞剂完全静置于试件表面时，将滞留在试件表面的堵塞剂刮下来，用毛刷将表面清洗干净，并重新测定其透水系数C2， mm/s，上述步骤为一个循环。重复若干循环，直至透水系数在0.5-1.0mm/s，使制品透水性能满足国家标准要求的条件下研究其防堵塞性能。实验探索发现进行4个循坏适宜。

2.4孔隙图像分析

采用切片法获取透水混凝土不同截面处的二维平面图像，并结合普通光学数码相机进行剖面图像拍摄[14]。用 photoshop图像处理软件沿试件边界线裁剪出试件截面区域图像，去掉背景图像，进行图片的二值化处理，以达到分析目的。

3试验结果与讨论

由图3和图4可以看出，在粒径相同的情况下，随着环氧树脂掺量的增加，透水混凝土的抗压强度逐渐提高，而透水系数逐渐下降。在B组试验中，环氧掺量为5%和8%时的抗压强度和透水性能指标均达到规定要求。本试验优先考虑透水混凝土面层的力学性能。因此，在集料粒径为0.3-0.6mm，环氧树脂掺量为8%时，即B3组，表现出最佳的综合性能，其抗压强度为33.5MPa，透水系数达1.2mm/s。与5%环氧树脂掺量的B2组相比，其抗压强度增长了47.6%。

环氧树脂透水混凝土是在由砂緊密堆积形成的多孔空间骨架中填入环氧树脂而胶结形成。当聚合物掺量较少时，骨料间渗入的胶黏剂较少，聚合物不足以充分包裹骨料，仅在细砂表面形成一层很薄的胶结层，导致骨料间胶粘性变差，因而抗压强度较低。随着聚合物掺量增加，骨料间粘接面积增大，同时不断填充了骨架间的部分空隙，使骨料表面的粘结力增强，混凝土更密实，抗压强度随之增大。

透水混凝土内部空隙的大小、数量和连通孔隙的数量对其透水性能有很大的影响。细砂本身的堆积空隙率比较大，当环氧掺量较小时，用于填充空隙的环氧很少，对整体空隙影响很小，混凝土仍保留有较多的空隙，对流体的阻力小，因此透水系数较大。环氧树脂用量增大后，则环氧树脂不仅足以包裹细砂，而且开始填充空隙，使得细砂的堆积更加紧密，从而降低总的空隙率，同时环氧树脂还会阻断连通孔隙，增大水流通过的阻力，导致透水系数下降。此外，当环氧树脂掺量较大时，可能会在重力的作用下沉降到混凝土底部，大幅降低透水性，还会增加生产成本。

3.2骨料级配对聚合物透水混凝土性能的影响

从图5可知，当细集料级配比例增大时，环氧树脂透水混凝土抗压强度呈现先增加后下降的趋势，而透水系数呈现增大趋势。在复掺条件下，当两种粒径复掺的比例为1：1时综合效果最佳，其抗压强度为41.72MPa，透水系数为1.7mm/s。透水系数相对于D9组的最高透水系数3.2mm/s下降了46.9%，而抗压强度相对于D8组的最低抗压强度23.1MPa提高了89.2%。

当0.15-0.3mm粒径的细砂所占比例最高时，骨料总的比表面积过大，而环氧树脂的掺量固定在5%，不足以完全均匀包裹细砂表面，造成骨料间没有良好的粘结。随着0.15-0.3mm粒径细砂占比降低，骨料总的比表面积随之减小，在一定的环氧用量下，聚合物对骨料的包裹更充分，环氧树脂与骨料之间的胶结强度增大，抗压强度呈上升趋势，但当其占比不断减小后，骨料总的比表面积持续降低，表面包裹的胶黏剂过多，产生“流浆”现象，导致抗压强度降低。透水性能随着0.3-0.6mm粒径的细砂用量的增大，骨料紧密堆积程度下降，聚合物透水混凝土的多孔空间骨架的空隙率增大，透水系数提高。

3.3透水制品的防堵塞性能评估

从图6和图7可看出，不同尺寸粒径集料的透水材料透水衰减差异较大，透水系数随着循环次数的增加而明显下降。通过观察A组和B组经四次堵塞后的透水损失可发现，环氧树脂掺量为3%时的透水系数损失最大，A组试件透水系数衰减损失约10%，而B组损失高达16%左右。分析原因是聚合物掺量较小，聚合物对骨料的包裹不足，混凝土内部形成的孔隙增多，使得堵塞剂更容易进入孔隙内部，造成透水系数损失较大[15]。从A组和B组试件的透水系数及透水系数衰减可知， 0.15-0.3mm粒径的A组透水系数整体大约损失9%，而0.3-0.6mm粒径的B组透水系数平均下降了15%左右，即骨料粒径较小的透水材料，透水损失较小，主要由于堵塞剂大多停留在试件的表面而没有进入到试件内部造成孔隙堵塞，而骨料粒径较大时，堵塞剂进入混凝土内部，占据部分孔隙，阻断了透水通道，导致透水系数降低较大。骨料粒径组成差异对透水材料的防堵塞性能有着不同程度的影响，因此在骨料级配设计时，可以增大小粒径骨料的比例，形成小尺寸连通孔隙阻挡堵塞物的进入，从而改善透水混凝土的防堵塞性能。

3.4基于图像分析孔隙尺寸

对透水混凝土的平面孔隙特征及分布特征进行分析研究。采用切片法获取透水混凝土不同截面处的二维平面图像，并结合普通光学数码相机进行剖面图像拍摄。利用photoshop图像处理软件沿试件边界线裁剪出试件截面区域图像，去掉背景图像，即图像二值化处理，从而能凸显出目标的轮廓。图8为各级配混凝土试块的截面图片。

试件剖面图像获取时，可能会因为各种原因造成图像质量降低的问题，所以往往需要对图像进行增强处理以改善图像效果。迭代法是基于逼近的思想进行的阈值分割，其基本计算步骤是首先计算图像最大灰度值和最小灰度值，分别记为Zmax和Zmin，并令初始阈值T0=（Zmax+Zmin）/2;将阈值T0设为分割阈值，并将图像划分为目标和背景两部分，计算两者平均灰度值Za和Zb，按迭代公式 Tk+1=（Za+Zb）/2 计算出新阈值;迭代过程中当 Tk=Tk+1 时，即为所需阈值。根据图像的不同可以选择合适的阈值分割方法。图9为二值化前后图像对比图。

通过连续截面孔隙特征描述可以初步了解透水混凝土孔隙尺寸及分布，平面孔隙的特征参数是进行孔隙形态描述的基础。（直接参数及通过图像处理软件可直接提取的孔隙参数），图10为各级配混凝土单个孔隙尺寸图。

从图8可以看出，从D1-D8总孔隙率呈增大趋势。因其总孔隙率增大，透水通道增多，水流阻力减小，透水性能良好，透水系数呈逐渐增大的趋势[16]。图10可看出，从D1-D5孔尺寸逐渐减小，而从D5-D8孔尺寸逐渐增大。一般来说，抗压强度随着孔径的增大而减小，因而从D1-D8抗压强度应呈现先增大后减小的趋势。

由于透水混凝土孔隙结构特征的复杂性和孔隙分布的不规则性，通过平面孔隙直接参数无法进行平面孔隙特征的全面描述，因此，本文选用孔隙等效直径、平面孔隙率、平均等效直径指标进行孔隙特征描述。将A组截面图像为例进行平面孔隙特征的提取，并进行孔隙特征分析。将图像分割后的透水混凝土孔隙二值化图像导入 image proplus 图像分析软件进行孔隙数量统计，并提取孔隙面积、周长、长轴、短轴、成圆率、形心坐标、与 Y 轴夹角等直接参数，然后经计算获得孔隙的等效直径、平面孔隙率评价指标。表3为透水混凝土二维平面孔隙统计汇总表。

由表3可知，从A1-A3组，随着环氧树脂掺量的逐渐增大，其孔隙数量不断减少，平面孔隙率以及平均等效直径也随之逐渐减小，这是聚合物对孔隙的逐渐填充作用的表现。孔隙的特征对混凝土的性能有很大影响，通过比较A1和A3切面处平面孔隙表征值和性能指标结果值，孔隙数量相对减少25.8%，平面孔隙率减小34.9%，平均等效直径减小8.3%，其抗压强度提高了62.8%，透水系数降低了33.3%。因此，透水混凝土孔隙数量越少，孔隙率越小，孔隙等效平均直径越小，则透水混凝土的抗压强度越高，透水系数越小。

4 结论

1）單粒级0.3-0.6mm骨料条件下，环氧树脂掺量为8%的综合性能较佳。抗压强度为33.5MPa，透水系数为1.22mm/s。

2）双粒级条件下，骨料的掺配存在最佳比例，实验中，环氧树脂掺量为5%，0.15-0.3mm和0.3-0.6mm两种粒径的骨料掺量比例为1：1时，综合性能最好。抗压强度为41.7MPa，透水系数为1.71mm/s。

3）基于图像分析孔隙尺寸，制品的平均孔隙率为10.8%-16.6%，平均等效直径为209-228um，透水系数为0.45mm/s-0.65mm/s，可阻止堵塞剂进入孔结构，能够保证连通孔隙的有效值，赋予其良好的透水性能和防堵塞性能。

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（编辑：邓云）