海绵城市背景下硅砂透水砖性能研究.pdf

采用氢化双酚 A 型环氧树脂改性硅砂透水砖，探究硅砂粒径（35 目、50 目、70 目）与环氧树脂掺量（2%、4%、6%、8%）对硅砂透水砖的强度、透水性能、保水性能、滤水性能以及防滑性能的影响规律。试验结果表明：当硅砂粒径为 50 目、环氧树脂掺量为4%时，硅砂透水砖的抗压、抗折和防滑性能最好，透水速率为 1.5 mL/（min cm2）、保水率为 0.068 g/cm3，滤水率为 90.2%。关键词：海绵城市；硅砂透水砖；骨料粒径；环氧树脂中图分类号：TU522.1文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）08-0030-05Study on the performance of silica sand permeable brick underthe background of sponge cityCAO Shihai1，2，QU Jingru1，2，YANG Haocheng1，TANG Zhelin1，2，ZHANG Bo1，2，GAO Wentong2，HAN Bing2（1.College of Environmental Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China；2.Institute of Advanced Industrial Technology，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）Abstract：To investigate the effect of silica sand particle size and epoxy resin content on the performance of silica sandpermeable brick based on hydrogenated bisphenol A type epoxy resin.The content of epoxy resin was controlled to be 2%，4%，6%and 8%of the mass of silica sand，and the mesh size of silica sand was 35，50 and 70 mesh，respectively.The strength，waterpermeability，water retention，water filtration and anti-slip properties of the prepared silica sand permeable tiles were tested.The testresults showed that when the particle size of silica sand was 50 mesh and the content of epoxy resin was 4%of the mass of silicasand，the silica sand permeable brick had the best compressive，flexural and anti-slip properties，and the water permeability rate couldreach 1.5mL/（min cm2），water retention rate 0.068g/cm3and water filtration rate 90.2%.Key words：sponge city，silica sand permeable brick，aggregate particle size，epoxy resin0引言海绵城市的本质是改变传统城市建设理念，实现与资源环境的协调发展1，通过“渗水、滞水、蓄水、净水、用水、排水”、相互利用，最大限度地降低城市化建设对水生态水文环境造成的负面影响。以透水砖为主体的透水路面是海绵城市最重要的基础设施部分2。相比传统混凝土材料，硅砂透水砖是一种高透水性、高保水性、多功用性且经济效益良好的路面砖，在国外已广泛应用3-4。砂基透水砖可以很好地解决透水砖内部孔隙易被小颗粒阻塞、多孔隙造成的强度偏低以及透水性强时保水性差的技术难题5-6。赵威等7使用 0.701.00 mm、1.001.70 mm 和 1.703.35mm 的骨料制备透水砖发现，骨料的粒径越粗，烧制的透水砖透水性越好，强度越低。杨童鑫等8研究发现，当环氧树脂掺量为 3.5%6.0%时，硅砂透水砖的抗压、抗折强度随着环氧树脂掺量的增加而提高，透水速率随着环氧树脂掺量的增加而减小。目前对硅砂透水砖的研究大多是以单一因素为主，还需考虑透水砖的透水性能可能会因截留颗粒物而下降；此外，常用有机粘结剂（脂环族环氧树脂、双酚 A 型环氧树脂）耐候性较差，在使用过程中会因外界环境变化而产生老化发黄的现海绵城市背景下硅砂透水砖性能研究曹世海1，2，瞿静茹1，2，杨皓程1，汤哲林1，张波1，2，高文通2，韩冰2（1.南京工程学院 环境工程学院，江苏 南京211167；2.南京工程学院 先进工业技术研究院，江苏 南京211167）中国科技核心期刊30晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂象，降低透水砖的使用寿命9。因此，制备低树脂用量、高强度、低成本、具有防堵塞功能以及长寿命的硅砂透水砖对于促进海绵城市建设具有十分重要的意义。本文选用氢化双酚 A 型环氧树脂，与双酚 A 型环氧树脂相比，氢化双酚 A 型环氧树脂中的苯环全部由饱和六元环替代，因而具有优异的耐候性和韧性，能够在一定程度上延长所制备透水砖的使用寿命，与一般粘结剂相比具有良好的耐热性、长期耐老化性以及不易变色的特点10。试验研究了硅砂粒径与环氧树脂掺量对于透水砖性能的影响，通过测试硅砂透水砖的物理力学性能，分析不同配比制备的硅砂透水砖在抗压、抗折强度、防滑性、透水速率等方面差异，探究制备硅砂透水砖的最佳材料配比，为硅砂透水砖在海绵城市中的应用提供参考。1试验1.1原材料硅砂：内蒙古鄂尔多斯巴丹吉林沙漠砂，粒径分别为 35目、50 目和 70 目；环氧树脂：氢化双酚 A 型环氧树脂，武汉普洛夫生物科技有限公司，环氧值为 0.560.58 mol/100 g；TX-5酚醛胺固化剂：济南济滨化工有限公司；KH560 硅烷偶联剂：杭州杰西卡化工有限公司，均为分析纯。1.2硅砂透水砖制备采取静压成型的方法制备硅砂透水砖样品，试件尺寸为300 mm伊300 mm伊60 mm，制备过程如下：控制环氧树脂、酚醛胺固化剂和 KH560 硅烷偶联剂的质量比为 100颐50颐1，采用分别占硅砂质量 2%、4%、6%、8%的氢化双酚 A 型环氧树脂为高分子粘结剂，放入 VM300SA3 型行星式重力搅拌机中脱泡后，加入硅砂中充分搅拌，将搅拌均匀的砂浆倒入模具中，盖上盖板施加 100 N 压力，12 h 后取出，得到硅砂透水砖。1.3测试方法根据 JG/T 3762012 砂基透水砖 对本研究制备的硅砂透水砖的抗压强度、抗折强度、防滑性、透水速率、保水性、滤水率等性能进行测试。采用 FTIR-850 型傅里叶变换红外光谱仪对固化前后的环氧树脂进行表征，分析环氧树脂固化前后的官能团变化。采用 ZBY-2P 型热重分析仪对透水砖样品进行表征，测量样品质量随温度升高的变化趋势，采用 N2气氛，温度为 251000 益，升温速率为 10 益/min。采用日本电子公司 JMS-6360 LV 型扫描电子显微镜对透水砖样品的微观形貌进行表征。2结果与分析2.1硅砂透水砖的表征氢化双酚 A 型环氧树脂与透水高分子固化产物的 FTIR图谱如图 1 所示。图 1氢化双酚 A 环氧树脂与透水高分子固化产物的 FTIR 图谱由图 1 可见，氢化双酚 A 型环氧树脂在 910 cm-1处出现了环氧基团特征峰，但在固化产物中该处的特征峰已经消失，同时在 3376 cm-1处出现了较宽的羟基特征峰，在 1731 cm-1处出现了 CH 特征峰，说明在环氧树脂固化过程中，氢化双酚A 型环氧树脂中的环氧基团由线性结构变为体型结构。硅砂粒径为 50 目时，不同环氧树脂掺量硅砂透水砖的热重曲线如图 2 所示。图 2不同环氧树脂掺量硅砂透水砖样品的热重曲线由图 2 可见，随着环氧树脂掺量增加，硅砂透水砖样品的主失重阶段的起始温度有所升高。因为随着环氧树脂掺量增加，硅砂砂粒逐渐被环氧树脂润湿包覆，两者界面之间的结合力逐渐增加，提高了破坏结合力所需要的能量，导致主失重阶段的结束温度逐渐升高。当环氧树脂掺量为 6%时，环氧树脂完全润湿硅砂，两者之间的结合力达到最大，此时继续提高环氧树脂掺量只能增加硅砂表面的树脂膜厚度，对提高两者界面之间的结合力作用不明显。所以环氧树脂掺量为6%和 8%时透水砖的尾部失重阶段起始温度变化较小。考虑原料成本，环氧树脂掺量定为 4%。环氧树脂掺量为 4%时，不同硅砂粒径的硅砂透水砖样品微观形貌如图 3 所示。曹世海，等：海绵城市背景下硅砂透水砖性能研究31新型建筑材料圆园23援08由图 3 可见，随着硅砂目数增大，砂粒表面的树脂膜厚度减小，砂粒比表面积随着硅砂目数的增大而增大。在环氧树脂掺量一定时，环氧树脂膜的厚度减小，砂粒之间的粘结作用弱化，从而会影响硅砂透水砖的强度。2.2硅砂透水砖的力学性能分析不同环氧树脂掺量及硅砂粒径时硅砂透水砖的抗压、抗折强度如图 4 所示。图 4不同环氧树脂掺量及硅砂粒径硅砂透水砖的强度由图 4（a）可见，在环氧树脂掺量一定的情况下，随着硅砂粒径的减小，硅砂透水砖的抗压强度逐渐提高。硅砂粒径减小能够降低透水砖的孔隙率，使其分担外力的能力增强，抗压强度提高11，同时，硅砂粒径减小会增加单位体积内的硅砂数量，降低了硅砂砂粒表面的环氧树脂膜厚度，导致砂粒间的粘结能力下降，使其抗压强度提高的幅度逐渐降低。随着环氧树脂掺量的增加，硅砂透水砖的抗压强度逐渐提高。环氧树脂掺量增加，使得砂粒上的树脂膜逐渐完整和均匀，砂粒之间的粘结层变厚，粘结能力提高，提高了透水砖的抗压强度12。由图 4（b）可见，随着硅砂粒径的减小，透水砖的抗折强度逐渐提高。由于硅砂粒径减小，其表面的树脂膜厚度逐渐降低，粘结性能下降，透水砖的抗折强度上升幅度减小。但是硅砂粒径减小，增加提高了硅砂比表面积，增加了砂粒之间的接触点，使得透水砖的抗折强度逐渐提高。随着环氧树脂掺量增加，硅砂砂粒之间形成了高黏度的胶结层，提高了砂粒之间的粘结强度，使得硅砂透水砖的强度提高。2.3硅砂透水砖的防滑性能分析试验使用 BM-芋型摆式摩擦系数测定仪进行防滑性能测试，确保仪器处于水平状态，滑动长度为 126 mm。在整个测试过程中保持用喷壶对透水砖进行浇洒。摆在透水砖表面滑过，指针显示的数值为摆值，数据从第 2 次开始记录。在摆杆回落时用左手接住摆，并用右手提起举升柄使滑溜块升高，让摆向右运动，最终使摆杆和指针重新置水平释放位置，记录测得的摆值即 BPN，最终以 5 次测量的平均值作为测试结果。不同环氧树脂掺量及硅砂粒径时硅砂透水砖的防滑值如图 5 所示。图 5不同环氧树脂掺量及硅砂粒径硅砂透水砖的防滑值由图5 可见，硅砂粒径的减小和环氧树脂掺量增加均会导致 BPN 值减小，使得透水砖表面的水分渗入砖体的难度增加的同时降低透水砖的表面粗糙度，导致透水砖的防滑性能下降13。图 3硅砂透水砖样品的微观形貌曹世海，等：海绵城市背景下硅砂透水砖性能研究32晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂2.4透水性分析不同环氧树脂掺量及硅砂粒径硅砂透水砖的透水速率如图 6 所示。图 6不同环氧树脂掺量及硅砂粒径硅砂透水砖的透水速率由图 6 可见，随环氧树脂掺量由 2%增至 8%，35 目硅砂透水砖的透水速率从 2.1mL/（min cm2）下降到 1.0mL/（min cm2），50 目硅砂透水砖的透水速率从 1.8 mL/（min cm2）下降到0.7mL/（min cm2），70 目硅砂透水砖透水速率从 1.5 mL/（min cm2）下降到 0.4 mL/（min cm2）。在环氧树脂掺量相同的情况下，随着硅砂粒径减小，硅砂透水砖的透水速率逐渐降低。透水砖的透水速率取决于其连通孔隙的数量，即有效孔隙率越大，透水性能越好。硅砂粒径减小，透水砖内部的连通孔隙数量逐渐减少，硅砂透水砖的透水速率降低14。随着环氧树脂掺量的增加，硅砂透水砖的透水速率逐渐下降。环氧树脂掺量增加，对透水砖内部孔隙的填充效应逐渐增强，有效孔隙率减少，导致透水速率逐渐降低8。综合考虑抗压强度、透水速率及经济效益，环氧树脂的掺量定为 2%4%。2.5硅砂透水砖的保水性分析不同环氧树脂掺量及硅砂粒径硅砂透水砖的保水率如图7 所示。图 7不同环氧树脂掺量及硅砂粒径硅砂透水砖的保水率由图 7 可见，随着硅砂粒径的减少和环氧树脂掺量增加，透水砖的保水率均呈现先增大后减小的趋势。硅砂粒径的减小和环氧树脂掺量增加均会降低透水砖的透水性能，使得保水性能增强，但是在硅砂粒径过大、环氧树脂掺量过高的情况下，透水砖有效孔隙率和孔隙尺寸过小，水分渗入砖的难度增加，保水性能反而下降15。考虑保水率以及经济成本，选用 50 目硅砂制备透水砖。2.6硅砂透水砖的滤水率分析用高岭土粉和去离子水配制悬浊液模拟道路径流水样，粉和水的比例为 8g/L。不同目数的高岭土粉配比如表 1 所示。表 1不同目数的高岭土粉配比滤水率测试结果如图 8 所示。图 8不同环氧树脂掺量及硅砂粒径硅砂透水砖的滤水率由图 8 可见，当环氧树脂掺量从 2%增至 8%时，35 目硅砂透水砖的滤水率从 79.1%增至 89.3%，50 目硅砂透水砖的滤水率从 84.9%增至 94.5%，70 目硅砂透水砖的滤水率从89.8%增至 95.9%，硅砂粒径减小和环氧树脂掺量增加提高了硅砂透水砖的滤水率。当悬浊液进入砖的内部时，高岭土杂质被硅砂颗粒拦截，水则从间隙中流出，因而硅砂的粒径会直接影响滤水材料的滤水效果。硅砂粒径较大时，透水砖孔隙率较高，对于水中细小悬浮物的过滤能力较弱。硅砂粒径减小使得透水砖孔隙率降低，滤水性能逐渐增强，透水砖的滤水率逐渐上升。硅砂粒径进一步减小导致透水砖孔隙率过小，对固体悬浮物渗入透水砖产生了阻碍，导滤水率进一步上升。随着环氧树脂掺量增加，透水砖的孔隙率逐渐降低，固体悬浮物通过透水砖的难度上升，透水砖滤水性能增强。3结语（1）红外光谱分析表明，氢化双酚 A 型环氧树脂能够与酚醛胺固化剂发生反应固化，扫描电子显微镜和热重测试结果表明，环氧树脂能够完全润湿硅砂表面，并与硅砂之间产生结合力。（2）环氧树脂掺量增加和硅砂粒径减小将改善硅砂透水砖的滤水率、抗压强度和抗折强度，降低其防滑性能和透水速率，使得保水率呈现先增加后减小的趋势。粒径/目200400140200100140701004070质量占比/%252025255曹世海，等：海绵城市背景下硅砂透水砖性能研究33新型建筑材料圆园23援08（上接第 24 页）变均大于 2000 滋着，其中聚合物/沥青复合类高模量混合料低温应变稍大于聚合物类，分析原因是特种沥青的引入增加了混合料的有效沥青含量，以及直投改性剂与沥青的相容性。多元复合类低温性能最差，分析原因是多元复合类改性剂中引入的流动性组分对混合料低温性能有轻微影响。3结论（1）高模量沥青混凝土的空隙率对动态模量影响较大，空隙率大于 4%动态模量下降明显。为保证混合料高动态模量，建议将高模量混凝土的空隙率控制在 3%左右。为保证压实，需要对混合料的生产及施工温度进行控制。（2）高模量沥青混合料具有优异的应用性能，可实现高动态模量和高疲劳性能的兼顾。不同直投高模量沥青改性剂制备的混合料动态模量随改性剂掺量增加逐渐提高。改性剂最佳掺量为 0.60%0.75%。（3）不同直投高模量沥青改性剂性能有所不同，在改性剂选择中推荐采用与沥青相容性好、较好熔融流动性、易密实的聚合物/沥青复合类和多元复合类高模量改性剂。此外需根据应用场景和对动态模量、高低温以及抗疲劳性能需求的不同，进行改性剂的优选和改进。参考文献：1王朝辉，舒诚，韩冰，等援高模量沥青混凝土研究进展J.长安大学学报（自然科学版），2020，40（1）：1-15.2韩冰，舒诚，陈杰，等援高模量沥青结合料研究进展J.筑路机械与施工机械化，2019，36（7）：27-34.3方四发，熊子佳，孙聪，等援高模量沥青混合料温度粘弹性能研究J.新型建筑材料，2020，47（3）：78-82.4杨光，王旭东援高模量沥青混凝土在半刚性基层长寿命沥青路面中应用的合理性研究J.公路交通科技，2019，36（5）：20-26.5钱喜红，关永胜，臧国帅，等援高模量沥青混合料技术路径与合理评价指标应用研究J.公路，2020，65（1）：231-238.6戚林玲，龚建君，王晓菲，等援基于抗车辙性能提升的复合高模量沥青混合料研究J.工程技术研究，2019，4（2）：9-11.7夏全平，高江平，罗浩原，等援用于高模量沥青砼的复合改性硬质沥青低温性能J.吉林大学学报（工学版），2022，52（3）：541-549.8陆由付，李燕夺，陈谦援外掺剂高模量沥青混合料性能研究J.内蒙古公路与运输，2022（2）：11-14.蒉（3）在满足 JG/T 3762012 的前提下，综合考虑材料成本，当硅砂粒径为 50 目，氢化双酚 A 型环氧树脂掺量为硅砂质量的 4%，固化剂掺量为硅砂质量的2%，硅烷偶联剂KH560掺量为硅砂质量的 0.04%时，制备的硅砂透水砖性能最佳，其透水速率为 1.5 mL/（min cm2），滤水率为 90.2%，保水率为0.068g/cm3，抗压强度为 33.15 MPa，抗折强度为 3.66MPa，防滑值为 75 BPN。参考文献：1袁再健，梁晨，李定强.中国海绵城市研究进展与展望J.生态环境学报，2017，26（5）：896-901.2楼跃丰，陶亚强，何迪华，等.砂基透水砖在海绵城市建设中的应用J.砖瓦，2015（11）：31-33.3Chen X，Zheng X，Liu C，et al.Experimental Analysis and Studyon the Effect of Glue Addition Rate on the Performance ofSponge City Permeable BrickJ.IOP Conference Series：Earth andEnvironmental Science，2021，719（4）：042037.4Shajib M T I，Hansen H C B，Liang T，et al.Metals in surfacespecificurbanrunoffinBeijing J.EnvironmentalPollution，2019，248（5）：584-598.5杨海.透水砖铺装雨水净化效果的系统性研究D.南京：南京林业大学，2020.6胡力.复合砂基透水砖性能与堵塞效能研究D.重庆：重庆交通大学，2020.7赵威，王之宇，周春生，等.建筑固废制备高性能透水砖的研究J.非金属矿，2020，43（6）：101-104.8杨童鑫，张晓华，史文洁，等.不同因素对砂基透水砖性能影响分析J.砖瓦，2022（8）：20-24.9马天.含四氟苯基环氧树脂及其纳米复合材料的高性能化与多功能化研究D.北京：北京化工大学，2022.10杭德亮.树脂基透水砖孔结构及其堵塞机理的研究D.太原：中北大学，2020.11张建强，姜建松，习海平，等.改性环氧树脂砂基透水砖性能研究J.新型建筑材料，2020，47（6）：132-134.12于铭凯，许校男.树脂砂基透水砖力学性能研究C/北京力学会.第二十五届学术年会会议论文集，2019.13刘红燕.砂层顶置环氧树脂复合型透水砖的路用性能研究D.重庆：重庆交通大学，2022.14张雄，王啸夫.若干因素对透水砖性能影响机理的研究进展J.材料导报，2019，33（23）：3949-3954.15于立安，孙健翔，郑悦心，等.一种固废基环保透水砖的制备以及性能研究J.山东化工，2022，51（17）：41-44.蒉曹世海，等：海绵城市背景下硅砂透水砖性能研究34