水性环氧树脂改性水泥基材料应用于彩色路面的研究

2022-05-19戚顺鑫王修山陈柯宇王铭杰徐靖怡

科学技术与工程 2022年12期

戚顺鑫，王修山，陈柯宇，王铭杰，徐靖怡

(浙江理工大学建筑工程学院，杭州 310018)

彩色路面广泛应用于隧道、城市道路和公园人行道，具有划分交通区间、警示、美化等功能[1-2]。目前，彩色沥青路面和沥青微表处的应用较多[3]，但是由于彩色沥青施工能耗高、施工工艺复杂、色彩耐久性差和成本昂贵，从而限制了其推广使用。水泥作为一种无机胶凝材料，由于其优异的性能和性价比，在道路、建筑上发挥着重要作用。然而，水泥的结构特性也给道路、建筑带来了一系列问题，既耐腐蚀性差、易受应变或变形的影响等[4]。为了提高砂浆的粘结性和延展性，研究人员提出了多种方法，如使用钢筋、纤维或聚合物[5]。倪亚峰等[6]研究了掺入不锈钢渣尾泥-矿渣对水泥水化性能的影响；陈港等[7]研究了构造参数对钢管-超高延性纤维增强水泥基材料混凝土叠合柱的轴压力学性能的影响规律。以不同树脂为主的聚合物改性水泥基复合材料已广泛应用于道路、建筑中。杨楠等[8]研究了碳纤维聚氨酯水泥复合材料的静态电阻率与固化龄期之间的关系，及静态电阻率的渗流阈值；Natarajan等[9]研究了海砂对环氧树脂改性水泥混凝土性能的影响。水性环氧树脂是一种综合性能优异的材料，不仅能分散在水中，具有良好的和易性，而且其分子中具有多种活性基团，使其具有优异的物理、化学性能。

基于此，提出将水性环氧树脂改性水泥基复合材料运用于彩色路面，研发一种力学性能优异且经济的彩色路面铺装材料。以硅酸盐水泥为基体，水性环氧树脂作为改性剂，添加适量粉煤灰、着色剂等辅助材料[10]，制备一种具有空间网状结构的水泥基彩色复合材料[11]，该种材料不仅具备水泥的刚性优势，同时也具备水性环氧树脂的柔性优势[12]，以弥补传统彩色路面材料的缺陷。首先通过试块抗压、抗折强度试验研究了水性环氧树脂改性水泥基复合材料的最佳配合比，并通过粘结强度试验、抗滑性能试验、色彩耐久性试验研究了复合材料的路用性能，最后通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)试验分析了掺入水性环氧树脂对水泥砂浆的综合影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

采用浙江省兆山集团诸暨市水泥有限公司生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥，其化学成分和性能指标如表1、表2所示。采用深圳市吉田化工有限公司生产的双组分水性环氧树脂，其性能指标如表3所示。采用浙能兰溪发电有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰，其性能指标如表4所示。采用市面常见的氧化铁红作为着色剂，其化学性质稳定，耐碱，耐高温，有较好的分散性，并且价格经济，其技术指标如表5所示。还有机制砂、多种改性聚二甲基硅氧烷消泡剂和去离子水。

表1 硅酸盐水泥化学成分分析

表2 硅酸盐水泥的性能指标

表3 水性环氧树脂和固化剂的性能指标

表4 粉煤灰的性能指标

表5 着色剂的性能指标

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备

结合《聚合物改性水泥砂浆试验规程》(DL/T 5126—2001)[13]中的规定，将水泥、粉煤灰、消泡剂和砂加入搅拌锅内，采用干拌法将其搅拌均匀，将水性环氧树脂和固化剂乳液在烧杯中搅拌均匀后，加入搅拌锅中，最后用机械慢搅的方法进行搅拌。将拌和好的浆体分2次加入40 mm(宽)×40 mm(高)×160 mm(长)的模具中，每层填入后振动2 min排出试样中气泡，每组试验制备3个平行试样。

1.2.2 力学性能试验

依据《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671—2020)[14]，采用恒加载水泥抗折抗压试验机进行抗折强度和抗压强度试验。

1.2.3 养护方法

采用《聚合物改性水泥砂浆试验规程》(DL/T 5126—2001)[13]中干湿循环的养护方法进行试块养护：试块脱模后，放入(20±3) ℃恒温水浴中养护7 d，再在室外通风环境下养护21 d。

1.2.4 粘结强度试验

用恒加载水泥抗折抗压试验机将养护至28 d的普通砂浆试块压断，然后在(20±3) ℃恒温水浴中浸泡6 h后，取半块试块用干毛巾擦去表面浮水，放入40 mm×40 mm×160 mm模具中，再将新拌制的改性砂浆分2次加入到模具中制成试块，脱模后，进行干湿养护28 d，测试其抗折强度来代表此种改性砂浆的粘结强度。

1.2.5 抗滑性能试验

将不同配合比的改性砂浆分别铺装在钢板、水泥混凝土和沥青混凝土基面上，厚度不大于3 mm，依据《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60—2008)[15]，用摆式摩擦系数测定仪测定抗滑值。

1.2.6 色彩耐久性试验

本试验将占水泥用量6%、8%、10%、12%、14%的着色剂加入最优配合比下的改性砂浆中，制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm试块，干湿养护28 d，为了使实验效果更加明显，将试块浸泡在pH稳定为3的酸性溶液中，模拟酸雨环境，分别在浸泡1、7、14、21、28 d时间段，将试块取出用干毛巾擦净表面浮水，并在相同环境下，用数码相机对其拍照记录，然后将其放回到原溶液中继续浸泡。每一种样品拍摄两张照片，每张照片的RGB[RGB即红(R)、绿(G)、蓝(B)3个通道的颜色]值利用Photoshop软件分别采集5个，然后将10个RGB值取平均，通过RGB数值的变化来评价酸雨对其色彩耐久性的影响[16-17]。为了避免因亮度、光线等问题引起的误差，提出红色鲜艳度的理论，计算公式为

KR=R(R+G+B)-1

(1)

式(1)中：KR为红线鲜艳度系数；R、G、B为Photoshop软件采集的RGB值。

1.2.7 试验配比

试验配比如表6所示，改性砂浆的水灰比通过砂浆流动度相等原则进行确定。

表6 试验配比

2 结果与讨论

2.1 最佳配合比的确定

将不同配比的试块分别养护至3、7、14、28 d，进行抗折强度和抗压强度测试，结果如图1所示，其中条形图中间的数字表示试样与相同龄期的对照试样(P0D0F0)相比的强度发展情况。

如图1所示，随着粉煤灰掺量的增加，砂浆3、7、14 d龄期抗折、抗压强度均降低；而砂浆28 d龄期的抗折和抗压强度呈递增趋势。改性砂浆初期，由于粉煤灰活性物质被其表面吸附的水膜限制，难以发挥作用，因此早期强度较低。但随着龄期增加，砂浆中的水分减少，粉煤灰中的活性成分与水泥水化产物发生火山灰反应，生成C—S—H等，形成更密实的三维网状凝胶体系，使砂浆后期强度增高；同时由于粉煤灰致密且光滑，能弥补砂浆中细集料的不足，填补砂浆中的空隙，使砂浆后期强度增加。但是过量的粉煤灰对砂浆后期强度发展具有不利影响[18]，因此粉煤灰的掺量选择10%更为合理。

如图1(a)所示，改性砂浆的抗折强度随聚合物掺量的增加呈先增后降的趋势，在掺量为10%时达到峰值，并高于普通砂浆的抗折强度。聚合物膜不仅阻止了砂浆中的水分散失，起到较好的保水作用，还与水泥水化产物相互交联在一起，形成纤维薄膜状网络结构[19]，在荷载作用下，释放内应力，从而提高砂浆整体抗折强度；但过量的水性环氧树脂破坏了砂浆的均匀性，导致水泥水化程度过低，结构发展不完善，影响了水泥砂浆的抗折强度。

如图1(b)所示，加入水性环氧树脂后，砂浆3、7、14、28 d龄期的抗压强度均比空白对照组要低，随着聚合物掺量的增加，抗压强度大致呈下降趋势，但在掺量为10%时，出现小峰值。聚合物膜的弹性模量和抗压强度要远小于水泥及其水化产物的弹性模量和抗压强度，掺入聚合物后，导致砂浆整体刚度降低，在承受压力时，改性砂浆的抗压强度比普通砂浆的要低[20]；但当聚合物的掺量为10%时，水性环氧树脂与水泥砂浆的混合浆体恰好形成均匀、合适的整体，使其抗压强度出现小峰值，但仍小于普通砂浆的抗压强度。

图1 改性砂浆的抗折和抗压强度Fig.1 Flexural strength and compressive strength of modified cement mortar

综上所述，选用P10D1F10组配合比制成的改性砂浆力学性能最优。

2.2 改性砂浆的粘结强度

如图2所示，随着聚合物掺量的增加，水性环氧树脂改性水泥基砂浆的粘结强度也随之增强，其中7 d龄期中，聚合物掺量为6%、8%、10%的改性砂浆，其粘结强度要低于普通砂浆，其余龄期、掺量改性砂浆的粘结强度均高于普通砂浆；当聚合物掺量小于10%时，改性砂浆的粘结强度随聚合物掺量变化的速率较大，相邻掺量之间的粘结强度变化大于10%，而当聚合物掺量大于10%时，变化速率放缓，相邻掺量之间的粘结强度变化小于10%。

图2 粘结强度Fig.2 Bond strength

粘结强度是评价彩色改性砂浆与路面原面层之间黏附性的指标[21]。水性环氧树脂和固化剂在改性砂浆早期阶段多处于游离状态，并没有形成致密的聚合物膜，也未与水泥水化产物形成统一整体，导致其早期粘结强度低于普通砂浆[11]。随着龄期增加，水性环氧树脂增加水泥砂浆黏附性的优异性能得以体现。

根据《水泥基耐磨灌浆材料应用技术规程》(YB/T 4279—2012)[22]，改性砂浆7、14 d剪切粘结强度均达到标准，且掺量为10%更为合理。

2.3 改性砂浆的抗滑性能

如图3所示，随着聚合物掺量的增加，改性砂浆的摆式摩擦系数BPN呈递减趋势；改性砂浆的抗滑性能在沥青面层上最高，在钢板面层上最低。

图3 BPN值Fig.3 Value of BPN

改性砂浆铺装在基面材料上，厚度不大于3 mm，由于其超薄的厚度，改性砂浆面层的粗糙程度受基面材料的一定影响，且基面材料沥青、水泥、钢板面层的粗糙程度依次降低，因此抗滑性能也随之依次降低；水泥材料的摩擦系数大于水性环氧树脂材料的摩擦系数，随着聚合物掺量的增加，改性砂浆的BPN随之减小。综上所述，改性砂浆的BPN基本保持在55～80，抗滑性能良好。

2.4 改性砂浆的色彩耐久性

如图4(a)所示，试块的红色鲜艳度系数KR前期随着腐蚀时间的增加呈递减趋势，后期基本趋于稳定。酸性溶液中的H+会与水泥水化产物发生腐蚀反应，形成易溶于水的盐类物质[23]，前期试块表面存在较多水泥水化产物，因此试块的KR前期随着腐蚀时间的增加呈递减趋势；聚合物具有较好的耐酸和耐腐蚀性，前期试块表面被H+腐蚀后，试块与酸性溶液的接触面间聚合物膜占比增大，也使得聚合物耐酸和耐腐蚀性的特性更为明显，使试块后期的KR基本趋于稳定。

如图4(b)所示，随着着色剂添加量的增加，试块的KR先增加，后趋于稳定。着色剂的添加量并不是越多越好，而是需要根据实验数据与经济性分析权衡性价比来决定，过量的着色剂将会影响砂浆本身的力学强度[17]，因此着色剂的适当添加量应为8%～10%。

图4 改性砂浆的KR变化Fig.4 Changes of KR of modified cement mortar

综上所述，改性砂浆在酸性环境中，其色彩鲜艳度前期逐渐降低，后期趋于稳定，耐酸雨腐蚀性能优异，如图5所示，不同掺量着色剂的改性砂浆28 d耐酸试验后，色彩鲜艳度仍能满足彩色路面的基本需要。

图5 不同掺量着色剂改性砂浆28 d耐酸试验后色彩变化Fig.5 Color changes of modified cement mortar by different content of colorant after 28 d acid resistance test

2.5 微观结构分析

如图6所示，普通砂浆结构中存在大量裂缝、Ca(OH)2结晶和空隙，对砂浆整体力学强度有着不利影响；加入水性环氧树脂和固化剂乳液后，砂浆结构中的裂缝和空隙得到改善；而加入粉煤灰，有效降低了Ca(OH)2结晶的生成。

随着水泥水化，浆体中的水分不断减少，吸附在水泥凝胶和未水化水泥颗粒表面的聚合物颗粒凝结成型，填补了水泥砂浆的空隙，因此，图6(c)、图6(d)改性砂浆中的空隙明显改善。骨料表面、Ca(OH)2结晶和聚合物颗粒表面之间形成了特殊的桥键，水泥砂浆中的内应力得到有效释放，因此，图6(c)、图6(d)改性砂浆中的微裂缝得以改善[24]。

粉煤灰中的活性成分同水泥水化产生的Ca(OH)2发生火山灰反应，生成C—S—H等，有效减小了Ca(OH)2结晶的生成，因此，图6(e)、图6(f)改性砂浆中的Ca(OH)2结晶明显减少。砂浆中的Ca2+需要通过粉煤灰颗粒与Ca(OH)2晶体之间的水解层与粉煤灰颗粒中的活性成分进行反应，并且反应产物在水解层内聚集，当水解层中的火山灰反应产物吸附到一定量时，粉煤灰颗粒和Ca(OH)2晶体之间才能形成更为牢固交联作用[25]，改性砂浆的力学强度才会增加。因此，适量粉煤灰掺入到水泥砂浆中，使其前期力学强度会降低，而后期强度增加。