聚合物改性再生骨料透水磚的性能研究

李鵬

（湖北大學 校園建設與管理處，湖北 武漢 430062）

隨著國內(nèi)城市現(xiàn)代化建設步伐的加快，城市硬化混凝土路面覆蓋率逐年增加，導致路面雨水蓄積和內(nèi)澇，加重了交通擁堵和經(jīng)濟損失[1]。再生骨料是采用廢棄混凝土經(jīng)清洗、破碎、分級而得到的具有一定級配范圍的骨料，是建筑垃圾資源化利用的主要方式[2]。再生骨料與天然骨料相比具有強度較低，吸水率大，表面粗糙等缺點，需對其進行改性增強處理才能加以利用。再生骨料透水性混凝土制品是再生骨料資源轉(zhuǎn)化的新途徑，可起到增加地表水“吸收、滲透、蓄積及蒸發(fā)”循環(huán)和改善城市生態(tài)環(huán)境的作用，為海綿城市建設中水資源的循環(huán)利用提供有效借鑒[3]。本文通過聚合物乳液對再生骨料透水磚進行改性增強，探究聚合物改性的微觀機理，達到透水磚強度與透水性的匹配效果。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：武漢華新P·O42.5水泥，表觀密度3.05 g/cm3，0.045 mm篩篩余為6.5%，初凝時間200 min，終凝時間340 min，3、28 d抗壓強度分別為28.2、49.5 MPa，抗折強度分別為5.3、8.2 MPa，安定性合格。

聚合物乳液：漢中化工生產(chǎn)的H123水性環(huán)氧及鄭州新啟順化工生產(chǎn)的XQS-200苯丙乳液，其主要技術(shù)參數(shù)見表1、表2。

表1 H123水性環(huán)氧的主要技術(shù)參數(shù)

表2 XQS-200苯丙乳液的主要技術(shù)參數(shù)

再生骨料：武漢某再生資源有限公司產(chǎn)3～5 mm再生細骨料，表觀密度2750 kg/m3，緊密堆積密度1660 kg/m3，空隙率39.6%，吸水率4.24%。

輔助材料：江蘇蘇博特PCA-Ⅰ型聚羧酸減水劑，含固量13.4%，減水率23.7%；透水磚專用無機鐵紅，有效含量96.0%。

1.2 配比計算

透水磚的配合比計算依據(jù)填充包裹理論形成的骨料-空隙結(jié)構(gòu)進行。首先測試3～5mm再生骨料的表觀密度γa（kg/m3）和緊密堆積密度γb（kg/m3），從而求得骨料的空隙率Vv（%），再利用水泥和水的體積對部分空隙進行填充。具體計算過程如下：

骨料用量mG按式（1）計算：

式中：γa、γb——再生骨料的表觀密度和緊密堆積密度，kg/m3；

Vv——骨料的空隙率，%；

P——再生骨料透水磚設計目標空隙率，%；

ρc——水泥的密度，kg/m3；

ρw——水的密度，kg/m3；

W/C——試驗設定水灰比，取0.25。

mG、mc、mw——骨料、水泥、水用量，kg/m3。

選用3～5 mm單級配再生骨料進行配合比設計，聚合物摻量占水泥質(zhì)量的0、2%及5%，減水劑摻量固定為水泥質(zhì)量的1.0%，水灰比0.25，基本配比見表3。其中A為空白系列，B為環(huán)氧系列，C為苯丙系列。

表3 聚合物改性再生骨料透水磚配合比

1.3 試件制備

按設計配合比稱取原材料，先將再生骨料和50%的用水量、聚合物乳液混合攪拌2 min，保證集料表面基本潤濕，再加入水泥、減水劑及剩余水混合攪拌3 min。采用專用制磚機靜壓工藝模壓成型，控制壓力50 kN，穩(wěn)壓5 s，透水磚尺寸為50 mm×100 mm×200 mm；采用取芯機制作Φ75 mm×50 mm試件供透水性能測試用。

透水磚的強度、透水/保水性能參照JC/T 945—2005《透水磚》進行測試。

2 試驗結(jié)果

表4給出了不同聚合物種類及摻量、不同設計空隙率的再生骨料透水磚的實測空隙率、透水系數(shù)、保水率、28 d抗壓強度及抗折強度的測試結(jié)果。

表4 聚合物改性再生骨料透水磚的性能指標

2.1 設計空隙率對透水磚28 d抗壓和抗折強度的影響（見圖1）

圖1 設計空隙率對透水磚28 d抗壓、抗折強度的影響

由圖1（a）可見，再生骨料透水磚抗壓強度隨設計空隙率的增加而逐漸降低；在設計空隙率不變的情況下，透水磚的抗壓強度隨聚合物摻量的增加而提高，呈正相關(guān)。水性環(huán)氧樹脂較苯丙乳液對再生骨料粘附效果更好，2%的環(huán)氧樹脂使得15%、20%及25%空隙率的透水磚抗壓強度較空白系列分別提高了6.2%、3.5%、2.8%，說明高空隙率下環(huán)氧樹脂的增強效果會有所減弱；而當環(huán)氧樹脂摻量提高到5%后，抗壓強度較空白系列分別增加了25.9%、10.0%、14.3%，改性效果更加顯著。在20%設計空隙率及2%聚合物摻量下，摻環(huán)氧樹脂和苯丙乳液的28 d抗壓強度較空白系列分別提高了3.5%和1.9%，水性環(huán)氧樹脂表現(xiàn)出良好的增強效果。

由圖1（b）可見，聚合物的摻加對再生骨料透水磚的抗折強度也是有利的，并隨設計空隙率的降低而具有更大的增強效果。

2.2 設計空隙率對透水磚透水/保水、實測空隙率的影響（見圖2）

圖2 設計空隙率對透水磚透水/保水、實測空隙率的影響

再生骨料透水磚內(nèi)部存在封閉孔及連通孔結(jié)構(gòu)，只有連通的孔結(jié)構(gòu)才對透水磚的透水性有利。由圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)，聚合物的添加使得透水磚的透水系數(shù)會稍微降低，并隨摻量的增加降低程度越大；但由圖2（b）可以看出，聚合物的添加使得透水磚的保水性得到增強，這與固化后部分聚合物表現(xiàn)出一定的疏水性有關(guān)，導致透水磚內(nèi)部吸收水分不易滲出；由圖2（c）可以看出，實測空隙率與設計空隙率具有良好的匹配性，聚合物摻量的增加會使透水磚的實測空隙率較空白組略微降低。

2.3 生產(chǎn)驗證

根據(jù)上述2.1、2.2節(jié)分析，選擇B2組配方（20%設計空隙率、摻加2%水性環(huán)氧樹脂）進行再生骨料透水磚生產(chǎn)。在磚廠實際生產(chǎn)中，透水磚面層設置為彩色面層，彩色顏料占水泥質(zhì)量的1.8%，產(chǎn)品實物見圖3。批量生產(chǎn)抽樣實測該透水磚28 d抗壓強度為28.1 MPa，抗折強度為3.3 MPa，透水系數(shù)為0.29 mm/s，保水率為0.9 g/cm2。由于工廠中試時，在材料稱量誤差、設備攪拌均勻性及壓磚機連續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性等方面要優(yōu)于實驗室小試，均勻裹覆環(huán)氧樹脂的透水磚骨料結(jié)合更緊密牢固，與實驗室小試數(shù)據(jù)相比，體現(xiàn)在透水系數(shù)的略微降低和抗壓強度的提高。

圖3 試生產(chǎn)再生骨料彩色透水磚

3 聚合物改性微觀分析

3.1 紅外光譜與熱重分析

對B2組與A2組再生骨料透水磚進行微觀對比分析。去除A2及B2組基本配比中的骨料進行拌制，28 d后研磨成細粉，紅外光譜分析見圖4。

圖4 水泥漿的紅外光譜分析

從圖4可以看出，環(huán)氧樹脂的摻入使得3642 cm-1處吸收峰慢慢減弱，3642 cm-1為尖銳OH-的伸縮振動峰，說明環(huán)氧樹脂讓活性的羥基逐漸降低，從而推斷出環(huán)氧樹脂抑制了水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣的形成。

在N2氛圍下測試環(huán)氧水泥漿的熱失重規(guī)律，測試溫度30～800℃，升溫速率 20℃/min，結(jié)果見圖 5。

圖5 環(huán)氧水泥漿的TG分析

從圖5可以看出，摻加環(huán)氧樹脂較未摻組多了320℃左右的失重峰，說明環(huán)氧固化物會在320℃發(fā)生熱裂解反應，200～400℃失重曲線較平緩，具有良好的熱穩(wěn)定性。3.2 XRD 與SEM 分析（見圖6、圖7）

圖6 環(huán)氧水泥漿的XRD分析

圖7 環(huán)氧水泥漿的SEM照片（2000倍）

從圖6可以看出，環(huán)氧樹脂會抑制水泥水化，從C2S、C3S衍射峰可以得到驗證，并且有分析認為水性環(huán)氧樹脂吸附在水泥顆粒表面形成空間位阻效應，且環(huán)氧基可發(fā)生水解斷裂與Ca2+形成酸堿絡合物[5]，這個結(jié)果在SEM分析結(jié)果中可間接得到驗證。由圖7可以看出，2%環(huán)氧水泥漿結(jié)構(gòu)密實度更高，環(huán)氧樹脂固化物均勻地分布其中，而未摻組可以明顯看出漿體間粘結(jié)疏松，表現(xiàn)出環(huán)氧樹脂優(yōu)異的界面聯(lián)結(jié)效果。

4 結(jié)論

（1）在試驗范圍內(nèi)，聚合物的添加對再生骨料透水磚的抗壓/抗折強度均有增強作用，并且在降低透水系數(shù)下增加了保水性，實現(xiàn)了再生骨料透水磚的力學性能與透水效果的匹配，保證了透水磚的連通空隙率。

（2）進行了摻入2%環(huán)氧樹脂再生骨料透水磚的試生產(chǎn)，改性效果明顯，有利于促進再生骨料透水磚的生產(chǎn)推廣。

（3）對環(huán)氧樹脂改性機理進行了分析，認為環(huán)氧樹脂會抑制水泥水化；但是隨著養(yǎng)護齡期的延長，環(huán)氧樹脂固化物與水泥中的Ca2+發(fā)生絡合反應，在水泥與環(huán)氧的界面形成致密的過渡區(qū)，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的聯(lián)結(jié)效果。

[1] 陳氏鳳，董澤，岑如軍，等.透水磚及其鋪裝系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和進展[J].新型建筑材料，2017（3）：8-10.

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