环氧树脂微孔透水材料的制备和性能初步研究.doc

环氧树脂微孔透水材料的制备和性能初步研究
根据已有透水材料的共同特点，以细砂密集堆积体为基质，环氧树脂为胶结料，制备出一种微孔透水性材料。其力学性能能满足普通人行道的铺筑要求：同时，相比于普通大孔隙透水混凝土，在透水结构上有一定程度的优化。
O前言
在现代化城市的建设过程中，大量水泥混凝士、沥青混凝土等不透水路面，虽然改善了交通和道路的状况，但这些不透水路面也引起或加剧了城市生态环境问题的发生和发展。为了缓解这些现象并进一步改善人们的出行条件，国内外有关人士积极地研究开发各种类型的透水性路面材料，并应用于人行道、公共广场、露天停车场等地面铺装。其中，应用最广泛、研究较为深入的主要是大孔隙水泥透水混凝土与沥青透水混凝土。它们的浇筑工艺简单、成本低，但是透水通道——骨料堆积成的大孔隙易被外界灰尘之类的微小颗粒堵塞，需用高压水冲洗或真空泵吸尘，使得维护成本很高。也有许多透水材料孔隙细小，结构致密，耐磨性好，如烧结陶瓷透水砖，但它们的生产工艺复杂，成本很高，仅用在一些高档地段，而且在陶瓷透水砖的制作中需高温烧结，消耗大量能源。因此国内外专家学者正努力研究开发兼具上述两大类优点的新型透水材料。本研究即是在此方向上所作的一个尝试。
1微孔透水材料的制备
1．1试验设计
普通的水泥透水混凝土、沥青透水混凝土、烧结陶瓷透水砖等均具有如下的特点。
(1)具有很大的连通孔隙率，多数材料的孔隙率都在15％～30％。
(2)胶结料本体强度高、用量少，同时，胶结料的用量对材料的透水性能和力学性能影响很大，胶结料用量增大，材料力学强度提高，但透水性降低；相反，胶结料用量减少，材料透水性提高，但强度降低。
(3)骨料采用间断级配，且骨料的粒径对材料透水性能和力学强度有重要影响，随骨料粒径增大，材料力学强度降低，但透水性能提高；骨料粒径减小，材料力学强度提高。
本试验采用细小的骨料和本体强度高的胶结料来制备透水材料，在保证一定强
度及透水性能的前提下，尽量减少胶结料的用量。
1．2试验材料
骨料：北方沙漠的风积砂。淡黄色，矿物成份以石英砂为主，粒径0．2~0．5mm，多为球形，表观密度2650kg／m3，堆积密度1650kg／m3，左右，空隙率达到39％。
胶结料：AB一1型环氧树脂(双组分，由北京冶建特种材料有限公司提供)，其A组分为双酚环氧树脂，白色半透明液体；B组分为聚酰胺固化剂，红棕色透明液体。该环氧的固化需在干燥条件下进行，在40℃左右干燥环境中，1d强度可达到最大值的90％。AB一1型环氧树脂的性能见表1。
1．3试样的制备
参考坏氧树脂混凝土的典型配比，本试验以环氧树脂用量8％为切入点，向下以l％的梯度配制胶砂。根据所制备胶砂的力学强度缩小环氧树脂用量范围，然后检测胶砂的透水性能，最终确定环氧树脂的具体用量。本试验的试样制备工艺大致参考普通水泥胶砂的制备过程。
(1)将环氧树脂按m(A组分)：m(B组分)=2：l，置于行星砂浆搅拌机中混合均匀；
(2)将细砂加入已混合均匀的环氧浆体中(边搅拌边加入)，充分搅匀，装模时插捣密实并振动60s；
(3)室内干燥养护7d。
2微孔透水材料性能测试
2．1力学性能测试及结果分析
由于目前国内尚无具体针对环氧胶砂力学强度的检测方法及路用性能的评价标准，本试验参考GB/T17671--1999《水泥胶砂强度检验方法》，从成型到检测均使用该标准指定的实验用具，环氧树脂用量(A、B双组分质量总和占总骨料质量的百分数，下同)对微孔透水性材料抗压及抗折强度的影响见图1、图2。
由图l图2可见，随着环氧胶结料用量的增加，材料的力学强度提高，具体表现在以下几方面：
(1)当环氧树脂用量极低(≤2％)时，胶结材料过少，不足以完全包裹细砂，不能形成有足够强度的粘结层来固结细砂，材料的抗压强度及抗折强度都很低

(2)当环氧树脂用量提高(≥3％)时，胶结材料在细砂的表面能渐渐形成成片的粘结薄膜，将细砂很好地胶结在一起，且随胶结料用量增加，粘结薄膜的面积增大，从而使材料的抗压强度与抗折强度都随之提高。
(3)同等级抗压强度下，环氧树脂胶砂的抗折强度明显高于水泥胶砂，这是因为环氧树脂本身的抗拉强度要大大优于水泥基材料。
当环氧树脂用量超过3％时，所制备胶砂的抗压强度大于15MPa、抗折强度大于6MPa，可完全满足人行道路面的设计要求。从降低成本及实用的角度考虑，制备微孔透水材料所用环氧树脂胶粘剂的用量选择3％～6％。
2．2透水性能测试及结果分析
多孔材料中的孔有连通孔也有非连通孔，而材料的透水性能由连通孔的多少及大小等因素决定。连通孔越多，透水性能越好。连通孔的多少可由饱和含水率及有效孔隙率来反映。而透水系数的值不但能反映材料孔隙的多少，还能反映孔隙的大小。从经济角度出发，本试验在制备微孔透水材料的过程中尽量减少胶结料的用量，着重测试并分析环氧树脂用量为3％～6％时环氧胶砂的透水性能。
2．2．I有效孔隙率
本试验采用5cm×5cm×5cm的小试样，将其在水中浸泡24h后，擦干表面水，迅速称量其饱水湿重mw，按式(1)、式(2)计算饱和含水率及有效孔隙率，结果见图3、图4。

由图3、图4可知，试验所制备的微孔透水材料饱和含水率及有效孔隙率很高，即连通孔的总量很多。这是因为细砂本身堆积空隙很大，可达39％，而所用胶结料只有细砂总质量的3％～6％，与之相比体积很小，从而保证材料有较大的
有效孔隙率。
2．2．2透水系数
目前用来测量多孔材料透水系数的主要有常水头与变水头2种试验方法，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料。本研究的探索试验发现，所制备的材料采用变水头测试法更为合理，所用装置见图5。
测量时，先将试样的四周密封，使其不漏水，保证水仅从试样的上下表面进行渗透。然后将四周密封的试样放入真空装置中，抽真空至(90±1)kPa，并保持30min。在保持真空的同时，加入足够量的水将试样覆盖，并使水位高出试样l0cm，停止抽真空，浸泡1h后取出，将试样与透水圆筒连接密封好，往透水圆筒中注入一定高度的水，使水通过试样从试样下表面流出，测试试样表面水位下降到一定高度所需的时间。

试样为圆柱体，直径为1O．36cm，高度即装置中的渗流长度为6em，水位变化为18gm。环氧树脂用量分别为3％、4％、5％、6％时胶砂试样的变水头透水系数见图6。
由图6可见，随环氧树脂用量的增加，透水系数降低，即透水性能降低。
当环氧树脂用量为3％4％时，随着胶结料的用量增加，透水性能有所下降，但下降不太明显，因为在此用量范围内，环氧树脂只能够在细砂表面形成粘结薄膜，用于填充孔隙的树脂几乎没有，或是极少。尽管树脂用量的增加，使得粘结薄膜的面积增大，厚度也略增，孔隙所占空问也略被压缩，但总体对于孔隙的影响较小。

当环氧用量为4％一6％时，随胶结料用量的增加，材料的透水性能变化急剧。一方面因为环氧树脂用量充足，除完全包裹细砂外还开始充填细砂问的空隙；另一方面，细砂外包裹了环氧树脂，相互间磨擦力减小，堆积可以更加密实，从而使总孔隙率减少，透水性能开始随环氧用量的提高而较为明显降低。根据JC/T945--2005《透水砖》规定，透水砖的透水系数需大于1．0×l0-2cm／s，可见，当环氧树脂用量为3％~5％时，所制备的透水胶砂可满足实用要求。
3微孔透水材料的透水原理
由材料力学性能及透水性能的变化特征可知，本试验所研制的微孔材料的透水原理与普通大孔隙透水混凝土相近：细砂密实堆积形成多孔的空间骨架结构；树脂作为胶结料仅在细砂表面形成薄薄的胶结层，尽量不去填充骨架间的空隙。其内部预期结构模型如图7所示。这样，硬化后的材料内部就含有大量连通孔隙，在下雨或路面积水时，水能沿着这些贯通的孔隙通道顺利地渗入地下或存于路基中。
由于微孔材料采用的细砂粒径小，绝大多数在0．2～0．5mm，从而形成的孔隙也很小，与普通的大骨料透水混凝土相比，其透水通道更为狭小曲折，但细砂问的孔隙多，即透水通道也多，所以微孔透水材料仍然有非常好的渗透性。相对于目前普通大孔隙透水混凝土路面复杂的清理维护方式，微孔透水材料由于其孔隙小，除了表层孔隙，其内部透水通道被外界灰尘充填的程度会大大降底，理论上只需对材料的表层进行冲洗即可，即路面的清理及维护将大大简化。
4结语
采用极细骨料与有机胶结料，在普通的搅拌工艺下制备质地均匀的微孔透水材料是可行的。
(1)当环氧树脂胶粘剂用量大于3％时，制备的胶砂抗压强度大于15MPa、抗折强度大于6MPa，在力学性能上可以满足人行道路面的实际使用。
(2)当环氧树脂胶粘剂用量为3％~5％时，所制备胶砂的透水系数大于1.0×10-2cm／s，可满足JC／T945--2005标准要求。同时，相对于普通大孔隙混凝土，其透水结构更好，理论上的清理维护成本也相对较低。
(3)从成本及实用角度考虑，可用3％～5％的环氧树脂作胶粘剂制备人行路面透水材料。但在微孔透水路面材料的应用中，仍然存在许多问题：如材料的具体
应用环境与耐久性的研究、材料透水性能和强度随时间变化、材料性能评价标准、材料制备工艺的优化及现场铺装工艺研究、应用中的维护，以及胶结料本身的性能优化等方面还需进一步研究。