稅 歡 李 龍 易虹宇 鄭 茂 顏川奇

(1.中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 成都 610081； 2.中建西南咨詢(xún)顧問(wèn)有限公司 成都 610042；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031； 4.道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031；5.四川省交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 成都 610000)

透水混凝土是一種不含細(xì)骨料，由粗骨料和其表面包覆的薄層水泥漿相互黏結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有透氣、透水和重量輕的特點(diǎn)[1]。但透水混凝土路面在實(shí)際使用過(guò)程中，隨著其使用年限的增加，表層路面的堵塞率增大，透水系數(shù)下降，同時(shí)受堵塞影響其對(duì)于徑流中污染物的控制削減作用也會(huì)下降[2]。蔣佳等[3]研究發(fā)現(xiàn)砂土等無(wú)機(jī)堵塞物是造成空隙堵塞的主要物質(zhì)；蔣劍彪[4]研究也發(fā)現(xiàn)黏土砂堵塞材料對(duì)透水混凝土滲透性能影響最大。如何提高透水路面的抗堵塞能力是行業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，在透水混凝土路面堵塞后，可以依靠一定的后期維護(hù)措施，對(duì)透水混凝土清除堵塞物，張娟等[5]采用先高壓水沖洗后負(fù)壓抽吸的設(shè)備對(duì)排水路面進(jìn)行空隙維護(hù)試驗(yàn)，對(duì)堵塞有恢復(fù)效果，但僅依靠后期維護(hù)措施，也存在一定的問(wèn)題：透水堵塞后進(jìn)行恢復(fù)，無(wú)法達(dá)到恢復(fù)前100%的透水效果，同時(shí)需定期進(jìn)行清洗處理，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，維護(hù)費(fèi)用大。如何提高透水路面的抗堵塞能力是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

現(xiàn)有研究表明黏土砂是影響堵塞的主要因素，其機(jī)理是黏土砂易積聚在透水混凝土孔隙內(nèi)部，不易清洗，且嚴(yán)重影響排水效果；鑒于此，為了增強(qiáng)抗堵塞性能，提出在工程材料中添加憎水劑，增強(qiáng)其荷葉效應(yīng)，水滴從材料表面滾落的同時(shí)并將沙子、灰塵類(lèi)小顆粒帶走，使材料表面保持干凈，進(jìn)而增強(qiáng)其抗堵塞性能。在混凝土材料內(nèi)添加憎水劑，可以在混凝土的孔隙表面形成了憎水層，但不封閉孔隙，阻止了液態(tài)水的滲入并保持了混凝土的透氣性，內(nèi)摻憎水外加劑的混凝土孔隙全部被憎水劑覆蓋表現(xiàn)憎水性，形成了整體憎水混凝土[6]。

由于透水混凝土這種工程材料存在較大的空隙率，其蜂窩狀結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致其試塊各表面均不存在較為平整的平面，無(wú)法對(duì)其表面的潤(rùn)濕邊角進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量；而砂漿和透水混凝土具有很多相似的工程特性，兩者均可以認(rèn)為是單(斷)級(jí)配的特殊水泥混合工程材料，但砂漿試塊表面可以達(dá)到較平整的效果，可以對(duì)其潤(rùn)濕邊角進(jìn)行測(cè)量計(jì)算；所以文中將借助試驗(yàn)砂漿試塊材料探究如何提高材料本身的憎水性，討論工程材料的潤(rùn)濕邊角與表面排水性的相應(yīng)關(guān)系，評(píng)價(jià)不同摻量的內(nèi)摻和外涂憎水劑試驗(yàn)條件，綜合分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，砂采用天然河沙，粉煤灰來(lái)自成都博磊資源循環(huán)開(kāi)發(fā)有限公司，3種原材料的物理性能見(jiàn)表1～3。試驗(yàn)用水為成都市普通生活用水。

表1 水泥的物理性能

表2 河沙的物理性能

表3 粉煤灰的物理性能 %

為改善砂漿的和易性，克服砂漿收縮大和強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，本研究在配制砂漿試塊中摻入增塑劑；本文所使用增塑劑產(chǎn)自眉山市彭山區(qū)明羽鼎盛建材有限公司，外觀(guān)為淺褐色粉劑，其物理性能見(jiàn)表4。

表4 增塑劑的物理性能

為論證如何增強(qiáng)材料的表面排水性能，本研究在配制砂漿試塊中還摻入憎水劑，選擇了內(nèi)摻和外涂2種類(lèi)型，且每種類(lèi)型各選了2種市面上工程常用的代表性產(chǎn)品，具體如下。

1) 內(nèi)摻型憎水劑：①美國(guó)道康寧公司生產(chǎn)的SHP60硅烷基憎水劑，外觀(guān)為乳白色粉末固體，硅烷活性含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，密度為600 g/L，pH值(10%于水中)呈中性或弱堿性，建議摻量為干粉用量的0.2%～0.5%，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)摻量為干粉用量的0.35%；②易來(lái)泰公司生產(chǎn)的Seal-80硅烷基憎水劑，外觀(guān)為白色粉末固體，密度為200～400 g/L，pH值(10%于水中)呈中性或弱堿性，建議摻量為干態(tài)用量的0.2%～1%，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)摻量為干態(tài)用量的0.5%。

2) 外涂型憎水劑：①德國(guó)悍能公司生產(chǎn)的hahne悍能外涂型憎水劑，為白色半透明液體，耐高溫，抗冷凍，建議滾刷涂刷，使用可將hahne悍能與水按1∶10比例配合，建議使用量為200 mL/m2，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)使用量為建議使用量；②中國(guó)漳州市萬(wàn)可涂公司產(chǎn)生的WKT-3外涂型憎水劑，為乳白色濃縮液體，使用可將WKT-3萬(wàn)可涂與水按1∶10比例配合，建議水溶液使用量為200 mL/m2，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)使用量為建議使用量。

1.2 配合比

設(shè)計(jì)了5組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析：第1組為基準(zhǔn)組，基準(zhǔn)組不摻加內(nèi)摻型憎水劑及外涂型憎水劑，為空白對(duì)照組；第2、3組為內(nèi)摻型憎水劑，第2組摻加SHP60憎水劑，第3組摻加Seal-80憎水劑；第4、5組為外摻型憎水劑，第4組外涂hahne憎水劑，第5組外涂WKT-3憎水劑。各組配合比具體情況見(jiàn)表5。

表5 各實(shí)驗(yàn)組的砂漿配合比

1.3 試驗(yàn)方法

砂漿試塊在實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)進(jìn)行制備，室內(nèi)溫度為20 ℃，相對(duì)濕度保持為60%以上，使用清洗干凈的鍋和鏟等工具進(jìn)行攪拌成型。試塊脫模后在濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)2 d，然后在20 ℃水中養(yǎng)護(hù)5 d，再在20 ℃、相對(duì)濕度90%的干養(yǎng)護(hù)箱中恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)21 d。待到養(yǎng)護(hù)期后，取出砂漿試塊，擦干表面，立即進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。

采用量高法[7-8]對(duì)水滴潤(rùn)濕邊角試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，量高法為紡織學(xué)科測(cè)量拒水織物表面接觸角的一種重要液滴接觸角測(cè)量方法，采用量高法更準(zhǔn)確、更快捷,且量高法比量角法誤差小。其測(cè)量原理為：當(dāng)1滴液體的體積小于6 μL時(shí)，可以忽略地球引力對(duì)其形狀的影響，液滴將呈標(biāo)準(zhǔn)圓的一部分。量高法示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 量高法計(jì)算水滴潤(rùn)濕邊角原理

由圖1可見(jiàn)，通過(guò)測(cè)量液滴在砂漿表面上的高度h以及與砂漿接觸面的直徑D,即可計(jì)算出水滴潤(rùn)濕邊角。其計(jì)算公式推導(dǎo)過(guò)程如下，在直角三角形ACG中：

α+β=90°

(1)

θ=90°+(β-α)=(α+β)+(β-α)=2β

(2)

(3)

(4)

式中：h為液滴在砂漿表面的高度；D為液滴與砂漿接觸面的接觸長(zhǎng)度。

按式(4)計(jì)算水滴潤(rùn)濕邊角θ，不論θ>90°還是θ<90°，式(4) 都適用。計(jì)算各組砂漿的潤(rùn)濕邊角結(jié)果，每組3個(gè)試塊，對(duì)結(jié)果取平均值。

本試驗(yàn)使用微量數(shù)字移液槍將水的小液滴滴在各組砂漿試塊表面，設(shè)計(jì)每次滴液量為5 μL，然后使用USB電子數(shù)碼工業(yè)顯微鏡進(jìn)行拍攝圖片。試驗(yàn)拍照所使用的USB電子數(shù)碼工業(yè)顯微鏡見(jiàn)圖2，其可以放大的最大倍數(shù)為1 600倍；滴水滴所使用的微量數(shù)字移液槍見(jiàn)圖3，其量程為0.5～10 μL。

圖2 USB電子數(shù)碼工業(yè)顯微鏡

圖3 微量數(shù)字移液槍

參照J(rèn)GJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)》)[9]進(jìn)行砂漿試塊的吸水率測(cè)試，將制備好的砂漿試塊放入80 ℃的烘箱干燥48 h后取出，冷卻到室溫后，稱(chēng)出各組砂漿試塊的重量G0。再把試塊放入低溫恒溫水浴箱內(nèi)，設(shè)定水溫為20 ℃，分別測(cè)量浸泡10，20，30 min、1，3，6，24，48 h后取出，用濕布擦去試塊表面水后，立即稱(chēng)出各組試塊重量G1，精確到0.1 g，每組3個(gè)試塊，取平均值。

砂漿的密度參照采用《標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行砂漿試塊的密度試驗(yàn)測(cè)試，每組3個(gè)試塊，取平均值。

砂漿的抗壓強(qiáng)度參照采用《標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行砂漿試塊的抗壓試驗(yàn)測(cè)試，每組3個(gè)試塊，取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 水滴潤(rùn)濕邊角試驗(yàn)

各組砂漿的水滴潤(rùn)濕邊角試驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)圖4，潤(rùn)濕邊角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 各組的水滴潤(rùn)濕邊角試驗(yàn)

圖5 各組復(fù)合砂漿的潤(rùn)濕邊角

由圖4和圖5可知，基準(zhǔn)組的潤(rùn)濕邊角小于90°，說(shuō)明基準(zhǔn)砂漿組有親水性；摻憎水劑的各組潤(rùn)濕邊角大于90°，說(shuō)明具有憎水性，且憎水性存在差異；圖5顯示潤(rùn)濕邊角Seal-80組>SHP60組>hahne組>WKT-3組>基準(zhǔn)組，內(nèi)摻型憎水劑的效果優(yōu)于外摻型，表面憎水性效果最好的是內(nèi)摻型的Seal-80組。

2.2 吸水率試驗(yàn)

各組砂漿的吸水率見(jiàn)圖6。

圖6 各組復(fù)合砂漿的吸水率

由圖6可知，不同吸水時(shí)間下的吸水率表現(xiàn)為Seal-80組

由上述各組砂漿的潤(rùn)濕邊角、吸水率試驗(yàn)結(jié)果可知，潤(rùn)濕邊角越大，吸水率越小，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中潤(rùn)濕邊角越大，憎水性越好，表面排水性越好。當(dāng)表面排水性好的工程材料用于道路工程時(shí)，可以有效地增強(qiáng)其荷葉效應(yīng)，水滴從材料表面滾落的同時(shí)將沙子、灰塵類(lèi)小顆粒堵塞物一并帶走，使工程材料表面保持干凈，進(jìn)而可以增強(qiáng)透水型道路的抗堵塞性能。

2.3 密度試驗(yàn)

各組砂漿的密度結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 各組砂漿的密度

由圖7可見(jiàn)，內(nèi)摻型憎水劑和外涂型憎水劑均可增加砂漿的密度；內(nèi)摻型憎水劑對(duì)砂漿的密度提升較大，而外涂型憎水劑對(duì)砂漿的密度提升較小。因?yàn)橥馔啃驮魉畡﹥H會(huì)影響砂漿試塊表層的很淺層，影響范圍很小，不會(huì)影響作用于砂漿試塊內(nèi)部結(jié)果，故對(duì)其密度影響很小。

而內(nèi)摻型憎水劑SHP60和Seal-80均為硅烷基憎水劑，硅烷基憎水劑的內(nèi)摻對(duì)砂漿內(nèi)部的氣泡具有一定的消泡作用，從而減少砂漿內(nèi)部的氣泡，增大砂漿的密度，使內(nèi)摻型憎水劑復(fù)合砂漿的密度較基準(zhǔn)組有所增加。

2.4 強(qiáng)度試驗(yàn)

各組砂漿的抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 各組砂漿的抗壓強(qiáng)度

由圖8可見(jiàn)，外涂型憎水劑僅改變其表面排水性，對(duì)抗壓強(qiáng)度較準(zhǔn)基組砂漿增加幅度很??；因?yàn)橥馔啃驮魉畡﹥H會(huì)影響砂漿試塊表層的很淺層，影響范圍很小，不會(huì)影響作用于砂漿試塊內(nèi)部結(jié)果，故對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響很小。SHP60憎水劑可以大幅增加砂漿的抗壓強(qiáng)度，增加系數(shù)約為9.96%，而摻Seal-80的砂漿抗壓強(qiáng)度增加了7.47%；證明內(nèi)摻型憎水劑可提高砂漿抗壓強(qiáng)度；這是因?yàn)閾饺胗袡C(jī)硅的試樣，由于密度的變大，孔隙率變低，使得水泥顆粒與水的接觸面積增加，增強(qiáng)水化效應(yīng)，以及氣孔內(nèi)表面的缺陷減少，在一定摻量范圍內(nèi)，有機(jī)硅添加劑可以增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1) 憎水劑的添加能夠有效提高工程材料的表面排水性能。摻憎水劑后，砂漿試塊的吸水率減小，表面排水性得到增強(qiáng)，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即潤(rùn)濕邊角越大，憎水性越好，表面排水性越好。4種憎水劑的表面排水性效果排序?yàn)镾eal-80組>SHP60組>hahne組>WKT-3組。

2) 外涂型憎水劑hahne組和WKT-3組僅能提升復(fù)合砂漿的表面排水性，對(duì)砂漿的抗壓強(qiáng)度提升較小。

3) 內(nèi)摻型憎水劑Seal-80組和SHP60組均有較優(yōu)的表面排水性能，同時(shí)兼顧提高砂漿抗壓強(qiáng)度；推薦Seal-80為最佳憎水劑添加劑，特別在1 h時(shí)間內(nèi)，各組試件吸水率差異明顯，Seal-80組表現(xiàn)最優(yōu)，同時(shí)可以提升約7.5%的砂漿抗壓強(qiáng)度，為透水混凝土在道路工程方面的實(shí)際工程應(yīng)用提供了試驗(yàn)參考。