水性環(huán)氧樹脂改性水泥基材料應用于彩色路面的研究

戚順鑫， 王修山， 陳柯宇， 王銘杰， 徐靖怡

(浙江理工大學建筑工程學院， 杭州 310018)

彩色路面廣泛應用于隧道、城市道路和公園人行道，具有劃分交通區(qū)間、警示、美化等功能[1-2]。目前，彩色瀝青路面和瀝青微表處的應用較多[3]，但是由于彩色瀝青施工能耗高、施工工藝復雜、色彩耐久性差和成本昂貴，從而限制了其推廣使用。水泥作為一種無機膠凝材料，由于其優(yōu)異的性能和性價比，在道路、建筑上發(fā)揮著重要作用。然而，水泥的結(jié)構(gòu)特性也給道路、建筑帶來了一系列問題，既耐腐蝕性差、易受應變或變形的影響等[4]。為了提高砂漿的粘結(jié)性和延展性，研究人員提出了多種方法，如使用鋼筋、纖維或聚合物[5]。倪亞峰等[6]研究了摻入不銹鋼渣尾泥-礦渣對水泥水化性能的影響；陳港等[7]研究了構(gòu)造參數(shù)對鋼管-超高延性纖維增強水泥基材料混凝土疊合柱的軸壓力學性能的影響規(guī)律。以不同樹脂為主的聚合物改性水泥基復合材料已廣泛應用于道路、建筑中。楊楠等[8]研究了碳纖維聚氨酯水泥復合材料的靜態(tài)電阻率與固化齡期之間的關(guān)系，及靜態(tài)電阻率的滲流閾值；Natarajan等[9]研究了海砂對環(huán)氧樹脂改性水泥混凝土性能的影響。水性環(huán)氧樹脂是一種綜合性能優(yōu)異的材料，不僅能分散在水中，具有良好的和易性，而且其分子中具有多種活性基團，使其具有優(yōu)異的物理、化學性能。

基于此，提出將水性環(huán)氧樹脂改性水泥基復合材料運用于彩色路面，研發(fā)一種力學性能優(yōu)異且經(jīng)濟的彩色路面鋪裝材料。以硅酸鹽水泥為基體，水性環(huán)氧樹脂作為改性劑，添加適量粉煤灰、著色劑等輔助材料[10]，制備一種具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水泥基彩色復合材料[11]，該種材料不僅具備水泥的剛性優(yōu)勢，同時也具備水性環(huán)氧樹脂的柔性優(yōu)勢[12]，以彌補傳統(tǒng)彩色路面材料的缺陷。首先通過試塊抗壓、抗折強度試驗研究了水性環(huán)氧樹脂改性水泥基復合材料的最佳配合比，并通過粘結(jié)強度試驗、抗滑性能試驗、色彩耐久性試驗研究了復合材料的路用性能，最后通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)試驗分析了摻入水性環(huán)氧樹脂對水泥砂漿的綜合影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

采用浙江省兆山集團諸暨市水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學成分和性能指標如表1、表2所示。采用深圳市吉田化工有限公司生產(chǎn)的雙組分水性環(huán)氧樹脂，其性能指標如表3所示。采用浙能蘭溪發(fā)電有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，其性能指標如表4所示。采用市面常見的氧化鐵紅作為著色劑，其化學性質(zhì)穩(wěn)定，耐堿，耐高溫，有較好的分散性，并且價格經(jīng)濟，其技術(shù)指標如表5所示。還有機制砂、多種改性聚二甲基硅氧烷消泡劑和去離子水。

表1 硅酸鹽水泥化學成分分析

表2 硅酸鹽水泥的性能指標

表3 水性環(huán)氧樹脂和固化劑的性能指標

表4 粉煤灰的性能指標

表5 著色劑的性能指標

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣制備

結(jié)合《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》(DL/T 5126—2001)[13]中的規(guī)定，將水泥、粉煤灰、消泡劑和砂加入攪拌鍋內(nèi)，采用干拌法將其攪拌均勻，將水性環(huán)氧樹脂和固化劑乳液在燒杯中攪拌均勻后，加入攪拌鍋中，最后用機械慢攪的方法進行攪拌。將拌和好的漿體分2次加入40 mm(寬)×40 mm(高)×160 mm(長)的模具中，每層填入后振動2 min排出試樣中氣泡，每組試驗制備3個平行試樣。

1.2.2 力學性能試驗

依據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—2020)[14]，采用恒加載水泥抗折抗壓試驗機進行抗折強度和抗壓強度試驗。

1.2.3 養(yǎng)護方法

采用《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》(DL/T 5126—2001)[13]中干濕循環(huán)的養(yǎng)護方法進行試塊養(yǎng)護：試塊脫模后，放入(20±3) ℃恒溫水浴中養(yǎng)護7 d，再在室外通風環(huán)境下養(yǎng)護21 d。

1.2.4 粘結(jié)強度試驗

用恒加載水泥抗折抗壓試驗機將養(yǎng)護至28 d的普通砂漿試塊壓斷，然后在(20±3) ℃恒溫水浴中浸泡6 h后，取半塊試塊用干毛巾擦去表面浮水，放入40 mm×40 mm×160 mm模具中，再將新拌制的改性砂漿分2次加入到模具中制成試塊，脫模后，進行干濕養(yǎng)護28 d，測試其抗折強度來代表此種改性砂漿的粘結(jié)強度。

1.2.5 抗滑性能試驗

將不同配合比的改性砂漿分別鋪裝在鋼板、水泥混凝土和瀝青混凝土基面上，厚度不大于3 mm，依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60—2008)[15]，用擺式摩擦系數(shù)測定儀測定抗滑值。

1.2.6 色彩耐久性試驗

本試驗將占水泥用量6%、8%、10%、12%、14%的著色劑加入最優(yōu)配合比下的改性砂漿中，制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試塊，干濕養(yǎng)護28 d，為了使實驗效果更加明顯，將試塊浸泡在pH穩(wěn)定為3的酸性溶液中，模擬酸雨環(huán)境，分別在浸泡1、7、14、21、28 d時間段，將試塊取出用干毛巾擦凈表面浮水，并在相同環(huán)境下，用數(shù)碼相機對其拍照記錄，然后將其放回到原溶液中繼續(xù)浸泡。每一種樣品拍攝兩張照片，每張照片的RGB[RGB即紅(R)、綠(G)、藍(B)3個通道的顏色]值利用Photoshop軟件分別采集5個，然后將10個RGB值取平均，通過RGB數(shù)值的變化來評價酸雨對其色彩耐久性的影響[16-17]。為了避免因亮度、光線等問題引起的誤差，提出紅色鮮艷度的理論，計算公式為

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

(1)

式(1)中：KR為紅線鮮艷度系數(shù)；R、G、B為Photoshop軟件采集的RGB值。

1.2.7 試驗配比

試驗配比如表6所示，改性砂漿的水灰比通過砂漿流動度相等原則進行確定。

表6 試驗配比

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳配合比的確定

將不同配比的試塊分別養(yǎng)護至3、7、14、28 d，進行抗折強度和抗壓強度測試，結(jié)果如圖1所示，其中條形圖中間的數(shù)字表示試樣與相同齡期的對照試樣(P0D0F0)相比的強度發(fā)展情況。

如圖1所示，隨著粉煤灰摻量的增加，砂漿3、7、14 d齡期抗折、抗壓強度均降低；而砂漿28 d齡期的抗折和抗壓強度呈遞增趨勢。改性砂漿初期，由于粉煤灰活性物質(zhì)被其表面吸附的水膜限制，難以發(fā)揮作用，因此早期強度較低。但隨著齡期增加，砂漿中的水分減少，粉煤灰中的活性成分與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生火山灰反應，生成C—S—H等，形成更密實的三維網(wǎng)狀凝膠體系，使砂漿后期強度增高；同時由于粉煤灰致密且光滑，能彌補砂漿中細集料的不足，填補砂漿中的空隙，使砂漿后期強度增加。但是過量的粉煤灰對砂漿后期強度發(fā)展具有不利影響[18]，因此粉煤灰的摻量選擇10%更為合理。

如圖1(a)所示，改性砂漿的抗折強度隨聚合物摻量的增加呈先增后降的趨勢，在摻量為10%時達到峰值，并高于普通砂漿的抗折強度。聚合物膜不僅阻止了砂漿中的水分散失，起到較好的保水作用，還與水泥水化產(chǎn)物相互交聯(lián)在一起，形成纖維薄膜狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[19]，在荷載作用下，釋放內(nèi)應力，從而提高砂漿整體抗折強度；但過量的水性環(huán)氧樹脂破壞了砂漿的均勻性，導致水泥水化程度過低，結(jié)構(gòu)發(fā)展不完善，影響了水泥砂漿的抗折強度。

如圖1(b)所示，加入水性環(huán)氧樹脂后，砂漿3、7、14、28 d齡期的抗壓強度均比空白對照組要低，隨著聚合物摻量的增加，抗壓強度大致呈下降趨勢，但在摻量為10%時，出現(xiàn)小峰值。聚合物膜的彈性模量和抗壓強度要遠小于水泥及其水化產(chǎn)物的彈性模量和抗壓強度，摻入聚合物后，導致砂漿整體剛度降低，在承受壓力時，改性砂漿的抗壓強度比普通砂漿的要低[20]；但當聚合物的摻量為10%時，水性環(huán)氧樹脂與水泥砂漿的混合漿體恰好形成均勻、合適的整體，使其抗壓強度出現(xiàn)小峰值，但仍小于普通砂漿的抗壓強度。

圖1 改性砂漿的抗折和抗壓強度Fig.1 Flexural strength and compressive strength of modified cement mortar

綜上所述，選用P10D1F10組配合比制成的改性砂漿力學性能最優(yōu)。

2.2 改性砂漿的粘結(jié)強度

如圖2所示，隨著聚合物摻量的增加，水性環(huán)氧樹脂改性水泥基砂漿的粘結(jié)強度也隨之增強，其中7 d齡期中，聚合物摻量為6%、8%、10%的改性砂漿，其粘結(jié)強度要低于普通砂漿，其余齡期、摻量改性砂漿的粘結(jié)強度均高于普通砂漿；當聚合物摻量小于10%時，改性砂漿的粘結(jié)強度隨聚合物摻量變化的速率較大，相鄰摻量之間的粘結(jié)強度變化大于10%，而當聚合物摻量大于10%時，變化速率放緩，相鄰摻量之間的粘結(jié)強度變化小于10%。

圖2 粘結(jié)強度Fig.2 Bond strength

粘結(jié)強度是評價彩色改性砂漿與路面原面層之間黏附性的指標[21]。水性環(huán)氧樹脂和固化劑在改性砂漿早期階段多處于游離狀態(tài)，并沒有形成致密的聚合物膜，也未與水泥水化產(chǎn)物形成統(tǒng)一整體，導致其早期粘結(jié)強度低于普通砂漿[11]。隨著齡期增加，水性環(huán)氧樹脂增加水泥砂漿黏附性的優(yōu)異性能得以體現(xiàn)。

根據(jù)《水泥基耐磨灌漿材料應用技術(shù)規(guī)程》(YB/T 4279—2012)[22]，改性砂漿7、14 d剪切粘結(jié)強度均達到標準，且摻量為10%更為合理。

2.3 改性砂漿的抗滑性能

如圖3所示，隨著聚合物摻量的增加，改性砂漿的擺式摩擦系數(shù)BPN呈遞減趨勢；改性砂漿的抗滑性能在瀝青面層上最高，在鋼板面層上最低。

圖3 BPN值Fig.3 Value of BPN

改性砂漿鋪裝在基面材料上，厚度不大于3 mm，由于其超薄的厚度，改性砂漿面層的粗糙程度受基面材料的一定影響，且基面材料瀝青、水泥、鋼板面層的粗糙程度依次降低，因此抗滑性能也隨之依次降低；水泥材料的摩擦系數(shù)大于水性環(huán)氧樹脂材料的摩擦系數(shù)，隨著聚合物摻量的增加，改性砂漿的BPN隨之減小。綜上所述，改性砂漿的BPN基本保持在55～80，抗滑性能良好。

2.4 改性砂漿的色彩耐久性

如圖4(a)所示，試塊的紅色鮮艷度系數(shù)KR前期隨著腐蝕時間的增加呈遞減趨勢，后期基本趨于穩(wěn)定。酸性溶液中的H+會與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生腐蝕反應，形成易溶于水的鹽類物質(zhì)[23]，前期試塊表面存在較多水泥水化產(chǎn)物，因此試塊的KR前期隨著腐蝕時間的增加呈遞減趨勢；聚合物具有較好的耐酸和耐腐蝕性，前期試塊表面被H+腐蝕后，試塊與酸性溶液的接觸面間聚合物膜占比增大，也使得聚合物耐酸和耐腐蝕性的特性更為明顯，使試塊后期的KR基本趨于穩(wěn)定。

如圖4(b)所示，隨著著色劑添加量的增加，試塊的KR先增加，后趨于穩(wěn)定。著色劑的添加量并不是越多越好，而是需要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)濟性分析權(quán)衡性價比來決定，過量的著色劑將會影響砂漿本身的力學強度[17]，因此著色劑的適當添加量應為8%～10%。

圖4 改性砂漿的KR變化Fig.4 Changes of KR of modified cement mortar

綜上所述，改性砂漿在酸性環(huán)境中，其色彩鮮艷度前期逐漸降低，后期趨于穩(wěn)定，耐酸雨腐蝕性能優(yōu)異，如圖5所示，不同摻量著色劑的改性砂漿28 d耐酸試驗后，色彩鮮艷度仍能滿足彩色路面的基本需要。

圖5 不同摻量著色劑改性砂漿28 d耐酸試驗后色彩變化Fig.5 Color changes of modified cement mortar by different content of colorant after 28 d acid resistance test

2.5 微觀結(jié)構(gòu)分析

如圖6所示，普通砂漿結(jié)構(gòu)中存在大量裂縫、Ca(OH)2結(jié)晶和空隙，對砂漿整體力學強度有著不利影響；加入水性環(huán)氧樹脂和固化劑乳液后，砂漿結(jié)構(gòu)中的裂縫和空隙得到改善；而加入粉煤灰，有效降低了Ca(OH)2結(jié)晶的生成。

隨著水泥水化，漿體中的水分不斷減少，吸附在水泥凝膠和未水化水泥顆粒表面的聚合物顆粒凝結(jié)成型，填補了水泥砂漿的空隙，因此，圖6(c)、圖6(d)改性砂漿中的空隙明顯改善。骨料表面、Ca(OH)2結(jié)晶和聚合物顆粒表面之間形成了特殊的橋鍵，水泥砂漿中的內(nèi)應力得到有效釋放，因此，圖6(c)、圖6(d)改性砂漿中的微裂縫得以改善[24]。

粉煤灰中的活性成分同水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應，生成C—S—H等，有效減小了Ca(OH)2結(jié)晶的生成，因此，圖6(e)、圖6(f)改性砂漿中的Ca(OH)2結(jié)晶明顯減少。砂漿中的Ca2+需要通過粉煤灰顆粒與Ca(OH)2晶體之間的水解層與粉煤灰顆粒中的活性成分進行反應，并且反應產(chǎn)物在水解層內(nèi)聚集，當水解層中的火山灰反應產(chǎn)物吸附到一定量時，粉煤灰顆粒和Ca(OH)2晶體之間才能形成更為牢固交聯(lián)作用[25]，改性砂漿的力學強度才會增加。因此，適量粉煤灰摻入到水泥砂漿中，使其前期力學強度會降低，而后期強度增加。

3 結(jié)論

(1)彩色改性砂漿因摻入水性環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的耐酸雨腐蝕性能，在酸性環(huán)境中，色彩鮮艷度先下降，后趨于穩(wěn)定，且鮮艷度滿足實際工程需要。

(2)水性環(huán)氧樹脂的摻入，增加了水泥砂漿的后期抗折強度；但卻降低了其抗壓強度。

(3)適量的粉煤灰填補了水泥砂漿中的空隙，并有效減少Ca(OH)2結(jié)晶的生成，從而增加了水泥砂漿后期的抗折和抗壓強度。

(4)粉煤灰摻量10%，水性環(huán)氧樹脂摻量10%，水性環(huán)氧樹脂改性水泥基彩色鋪裝材料的力學性能最優(yōu)。