CN113248219B

CN113248219B - 一种改性不饱和聚酯树脂透水混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN113248219B
Application number: CN202110604770.7A
Authority: CN
Inventors: 邱仁辉; 罗晨辉; 刘文地; 潘杰; 吴宇超; 付腾飞; 冯超; 吴淑一; 於德美; 徐建刚
Original assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Current assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2041-05-31
Also published as: CN113248219A

Abstract

本发明公开了一种改性不饱和聚酯树脂透水混凝土及其制备方法。采用二苯甲烷二异氰酸酯和环氧大豆油丙烯酸酯对不饱和聚酯树脂进行改性，将获得的改性不饱和聚酯树脂与铜矿渣、骨料按一定质量份数进行均匀搅拌，注入模具成型，经高温固化、脱模养护，制得改性不饱和聚酯树脂透水混凝土，其具有很高的抗折强度与抗压强度以及良好的透水性、抗冻性、耐磨性能。

Description

一种改性不饱和聚酯树脂透水混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于透水路面材料制备技术领域，具体涉及不饱和聚酯（UPE）树脂的改性及其透水混凝土制备方法。

背景技术

随着我国人口数量增加和城市化进程不断加快，土地被大量的混凝土建筑和不透水路面覆盖。土壤、植被和下垫层的天然可渗透性被改变，导致地表水与地下水之间的连通受阻。我国城市的不透水路面覆盖率占道路总量的7%~15%，特大型城市则高达20%。城市大面积的不透水路面产生许多负面影响，如遇强降雨时，地表径流量急剧增大，城市排水管网排水负担过重无法及时排出雨水，造成路面形成积水，给车辆行驶和行人出行带来不便和安全隐患，甚至会引发严重的内涝灾害。透水性路面既能满足人类活动对路面强度和耐久性的需求，又具有透水、透气的生态优势；既能缓解城市“热岛效应”，又能有效保护地表动植物及微生物的生存空间。

透水混凝土是一种内部具有大量连通孔隙的混凝土，通过粗骨料的间断式级配，可产生大量的孔隙（孔隙率为15%~30%），使空气和水从表面传递到底层，其具有开放骨架结构和高渗透性的独特属性。由于透水混凝土具有良好的排水性能，路面积水可以不经排水管网而直接从路面结构下渗排出，有效缓解了降雨带来的水涝灾害和路面积水、水漂、眩光等问题。透水混凝土具有蜂窝状结构，能够增加路面的抗滑摩擦系数，使透水混凝土与车辆轮胎之间的摩擦力增大，具有良好的抗滑性，有利于提高交通车辆行驶的安全性。然而，目前水泥透水混凝土在制备过程中存在水泥对骨料颗粒包裹能力不足的问题，导致水泥与骨料界面过渡区薄弱，使得透水混凝土的强度低、耐久性差，表面构造的抗滑性和内部孔隙吸声功能无法充分发挥。水泥透水混凝土具有较高的透水性能，但强度较低，部分透水路面投入使用不久就出现开裂、脱粒等现象，不适合作为载重路面材料，目前主要用于人行道、停车场和公园路面等轻载型路面。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种改性UPE树脂透水混凝土及其制备方法，解决水泥透水混凝土强度低、易开裂、脱粒掉渣、耐久性差等问题。制得的改性UPE树脂透水混凝土具有很高的抗压强度、抗折强度以及耐久性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种改性不饱和聚酯（UPE）树脂透水混凝土，原料组成按质量份数计：5~9份凝胶材料和91~95份骨料；所述的凝胶材料由30~50份铜矿渣和50-70份改性UPE树脂组成；所述的骨料由50份粒径为2.36~4.75mm的细骨料和50份粒径为4.75~9.5mm的粗骨料组成。

所述的改性UPE树脂的按质量份数组成为：85份UPE树脂，15份环氧大豆油丙烯酸酯（AESO）和10份二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）。

所述的改性UPE树脂透水混凝土是由凝胶材料和骨料通过混合搅拌、插捣击实、加热固化制备得到；所述的凝胶材料是由改性UPE树脂和铜矿渣按一定质量比、在水泥胶砂搅拌机中搅拌均匀后得到；所述的改性UPE树脂是由UPE树脂、AESO和MDI按质量比混合得到。

一种改性UPE树脂透水混凝土的制备过程为：将UPE树脂、AESO和MDI按质量比在室温下混合搅拌后得到改性UPE树脂；将粗细骨料与铜矿渣混合搅拌；胶凝材料与粗细骨料和铜矿渣按质量比混合搅拌1min后得到树脂混凝土拌合物；试模内涂抹脱模膏后，混凝土拌合物分三层注入试模，按螺旋方向从边缘向中心用插捣棒均匀插捣，用抹刀沿试模内壁插拔数次，每层插捣完后用橡胶锤夯实，最后用抹刀将表面抹平；试件在120℃条件下固化20min，室温放置24h后脱模，样品置于30℃干燥箱中养护2d，即得所述改性UPE树脂透水混凝土。

本发明的有益效果：

本发明以生物基AESO树脂部分替代UPE树脂，并加入MDI对树脂进行改性，将改性UPE树脂与铜矿渣混合作为胶凝材料制备透水混凝土，所得到的改性UPE树脂-铜矿渣胶凝材料与骨料具有良好的结合性，克服了传统UPE树脂透水混凝土强度低、脆性大等难题。同时，依本发明所制备的改性UPE树脂胶凝材料能吸收混凝土断裂能量，有效防止微裂缝的扩展，降低透水混凝土脆性，提高透水混凝土的韧性。此外，铜矿渣是炼铜工业的固体废弃物，价格低廉，来源广泛。在改性UPE树脂中加入铜矿渣，既利用了炼铜工业的固体废弃物，又能有效提高改性UPE树脂透水混凝土的性能，具备较高的经济效益与生态效益。

本发明采用优化的工艺参数组合，即85份UPE树脂、15份AESO、10份MDI和50份铜矿渣为胶凝材料，可制备得到抗压强度、抗折强度以及耐久性能优异的UPE树脂透水混凝土。

附图说明

图1是铜矿渣改性UPE树脂透水混凝土3d抗压强度；横坐标为铜矿渣占改性UPE树脂的质量分数（%）。

图2是铜矿渣改性UPE树脂透水混凝土3d抗折强度；横坐标为铜矿渣占改性UPE树脂的质量分数（%）。

图3是MDI改性UPE树脂透水混凝土3d抗折强度，横坐标为MDI占改性UPE树脂的质量分数（%）

图4是改性UPE树脂透水混凝土的连通孔隙率。

图5是改性UPE树脂透水混凝土的透水系数。图中矩形柱上下方横线表示数据均值的标准差，柱状图上方无相同字母的表示两组数据均值之间差异显著，否则差异不显著。

具体实施方式

为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。

原料：UPE树脂（型号：901；粘度（25℃）：350~550mPa·s；凝胶时间：15~25min；固体含量：54~56%），购自上纬（上海）精细化工有限公司；AESO（型号：F03；粘度(23℃)：8000~20000mPa·s；酸值：≤12mg KOH/g），购自江苏利田科技股份有限公司；MDI（质量分数为98%）、二月桂酸二丁基锡（DBTDL，95%）购自上海麦克林生化科技有限公司；环烷酸钴（Co含量7.8~8.2%，溶剂：40~80%矿物油）、过氧化丁酮（MEKP，52%邻苯二甲酸二甲酯）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；骨料选用福建中浩矿业有限公司的玄武岩，粒径为2.36~4.75mm和4.75~9.5mm；铜矿渣由中国铝业东南铜业有限公司提供。

实施例1

改性UPE树脂透水混凝土的制备方法：改性UPE树脂由15份AESO树脂、85份UPE树脂和10份MDI组成，三者在水泥胶砂搅拌机中搅拌1min；搅拌均匀后加入铜矿渣（占改性UPE树脂质量的30%）和粒径为2.36~4.75mm和4.75~9.5mm的骨料（骨料质量比为1:1，胶凝材料占骨料质量的9%），均匀搅拌后备用。试模涂抹脱模膏，把搅拌均匀的混合料倒入试模中浇筑，浇筑过程分三层进行插捣，第一层浇筑高度为试件模具高度1/3处，第二层为试件模具高度的2/3处，第三层为满高度，并高出试模 20mm；然后用抹刀沿试模内壁插拔数次，在每层插捣完毕后用橡胶锤夯实，最后用抹刀将表面抹平。试件放在120℃条件下固化20min后取出，在室温下放置1d后脱模，而后放入30℃恒温鼓风干燥箱中养护2d后取出测试性能。

实施例2

改性UPE树脂透水混凝土的制备方法：改性UPE树脂由15份AESO树脂、85份UPE树脂和10份MDI组成，三者在水泥胶砂搅拌机中搅拌1min；搅拌均匀后加入铜矿渣（占改性UPE树脂质量的40%）和粒径为2.36~4.75mm和4.75~9.5mm骨料（骨料质量比为1:1，胶凝材料占骨料质量的9%），均匀搅拌后备用。试模涂抹脱模膏，把搅拌均匀的混合料倒入试模中浇筑，浇筑过程中分三层进行插捣，第一层浇筑高度为试件模具高度1/3处，第二层为试件模具高度的2/3处，第三层为满高度，并高出试模 20mm；然后用抹刀沿试模内壁插拔数次，在每层插捣完毕后用橡胶锤夯实，最后用抹刀将表面抹平。试件120℃条件下固化20min后取出，在室温下放置1d后脱模，而后放入30℃恒温鼓风干燥箱中养护2d后取出测试性能。

实施例3

改性UPE树脂透水混凝土的制备方法：改性UPE树脂由15份AESO树脂、85份UPE树脂和10份MDI组成，三者在水泥胶砂搅拌机中搅拌1min；搅拌均匀后加入铜矿渣（占改性UPE树脂质量的50%）和粒径为2.36~4.75mm与4.75~9.5mm的骨料（骨料质量比为1:1，胶凝材料占骨料质量的9%），均匀搅拌后备用。试模涂抹脱模膏，把搅拌均匀的混合料倒入试模中浇筑，浇筑过程中分三层进行插捣，第一层浇筑高度为试件模具高度1/3处，第二层为试件模具高度的2/3处，第三层为满高度，并高出试模 20mm；然后用抹刀沿试模内壁插拔数次，在每层插捣完毕后用橡胶锤夯实，最后用抹刀将表面抹平。试件在120℃条件下固化20min后取出，在室温下放置1d后脱模，放入30℃恒温鼓风干燥箱中养护2d后取出测试性能。

实施例4

改性UPE树脂透水混凝土的制备方法：改性UPE树脂由15份AESO树脂、85份UPE树脂和15份MDI组成，三者在水泥胶砂搅拌机中搅拌1min；搅拌均匀后加入粒径为2.36~4.75mm和4.75~9.5mm的骨料（骨料质量比为1:1，胶凝材料占骨料质量的7%），均匀搅拌后备用。试模涂抹脱模膏，把搅拌均匀的混合料倒入试模中浇筑，浇筑过程中分三层进行插捣，第一层浇筑高度为试件模具高度1/3处，第二层为试件模具高度的2/3处，第三层为满高度，并高出试模 20mm；然后用抹刀沿试模内壁插拔数次，在每层插捣完毕后用橡胶锤夯实，最后用抹刀将表面抹平。试件放在120℃条件下固化20min后取出，在室温下放置1d后脱模，放入30℃恒温鼓风干燥箱中养护2d后取出测试性能。

改性UPE树脂透水混凝土力学性能测试

抗压强度：透水混凝土抗压试件采用100mm × 100mm × 100mm立方体，每组3个试件。依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）标准进行；测试在YAW4206型微机控制电液伺服压力试验机（美斯特工业系统（中国）有限公司）上完成。

透水混凝土3d抗压强度：由图1知，铜矿渣占改性树脂质量30%、40%、50%的透水混凝土抗压强度分别为33.90MPa、35.43MPa、37.72MPa。以未添加铜矿渣的透水混凝土试件为对照组，其抗压强度为30.67MPa。与对照组比较，添加铜矿渣后试件的抗压强度均有所提高，当铜渣掺量占胶凝材料质量的50%时，UPE树脂透水混凝土的抗压强度提升22.99%，效果最为显著。

抗折强度：抗折强度测试试件采用100mm × 100mm × 400mm棱柱体，3个试件为一组。依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）标准进行；测试在ETM504C双空间电液伺服万能试验机（深圳万测试验设备有限公司）上完成。

透水混凝土3d抗折强度：由图2知，铜矿渣占改性树脂质量30%、40%、50%的透水混凝土抗折强度分别为6.89MPa、7.28MPa、7.53MPa。以未加铜矿渣制备的透水混凝土为对照组，其抗折强度为6.77MPa。与对照组比较，当铜矿渣掺量占胶凝材料质量的50%时，改性UPE树脂透水混凝土的抗折强度比对照组提升11.23%，其余组无显著差异。

MDI改性UPE树脂透水混凝土3d抗折强度：该组试件的尺寸为40mm × 40mm ×160mm，试验在CDT1305-2微机控制电子压力试验机（美斯特工业系统（中国）有限公司）上完成。由图3知，MDI占改性树脂质量的5%、10%、15%的抗折强度分别为6.91MPa、7.01MPa、7.72MPa。以未加MDI制备的透水混凝土为对照组，其抗折强度为6.54MPa。与对照组比较，添加MDI占胶凝材料质量的15%时，改性UPE树脂透水混凝土的抗折强度比对照组提高18.04%，其余组无显著性差异。

透水混凝土连通孔隙率：透水混凝土连通孔隙率试件采用直径d=100mm、高度h=50mm的圆柱形试块，3个试件为一组。依据《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T 135-2009）进行；测试在CF-C数显溢流水箱（北京航天科宇测试仪器有限公司）上完成。

改性UPE树脂透水混凝土连通孔隙率：由图4知，铜矿渣占改性UPE树脂质量30%、40%、50%的混凝土的连通孔隙率分别为14.33%、15.00%、11.33%，均可满足《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T 135-2009）中对透水混凝土的连通孔隙率（≥10%）的要求。铜矿渣掺量为胶凝材料质量的50%的试件与掺量为30%的试件相比，其连通孔隙率下降20.94%，其原因可能是随着铜矿渣掺量的增大，试件中的空隙不断减少，从而导致连通孔隙率下降。

透水混凝土透水系数：透水混凝土透水系数试件采用直径D=100mm、高度h=50mm的圆柱体（试件周围用水泥均匀涂抹，使其保持不漏水的密封状态），依据《透水混凝土》（JC/T2558-2020），采用恒定水头法测试透水混凝土的透水量和水头，并计算透水系数，测试仪器为自制的透水仪。

改性UPE树脂透水混凝土透水系数：由图5知，铜矿渣掺量分别为胶凝材料质量的30%、40%、50%，透水混凝土透水系数分别为3.35mm/s、3.15mm/s、2.38mm/s，均可满足《透水水泥混凝土路面技术规程》CJJ/T 135-2009中透水混凝土的透水系数（≥0.5mm/s）的要求。改性UPE树脂透水混凝土的透水系数随着铜矿渣的添加量增加而减小，铜矿渣掺量为胶凝材料质量的50%的试件与掺量为30%的试件相比，其透水系数下降28.96%。铜矿渣掺量增多，试件内部的孔隙减小，单位时间内通过透水混凝土的水量减少，因此导致透水混凝土的透水系数降低。

透水混凝土抗冻性：透水混凝土冻融循环试件采用100mm×100mm×100mm的立方体试件，3个试件为一组。依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）进行测试，测试使用HDM-12C型混凝土冻融试验机（上海魅宇仪器科技有限公司）。

改性UPE树脂透水混凝土冻融循环质量损失率和抗压强度损失率：由表1知，D1是未添加铜矿渣的透水混凝土试件，作为试验的对照组；D2为铜矿渣掺量占胶凝材料质量的50%的试件。两组试件的胶凝材料用量相同，占比均为骨料质量的9%。两组透水混凝土的质量损失平均值皆为0.23%，远小于《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T 135-29）中规定质量损失率（≤5%）的标准。由表2可知，两组试件的抗压强度损失率分别为4.43%和4.11%，也远远低于规范的要求值（强度损失率≤20%）；但添加铜矿渣对UPE树脂透水混凝土的抗冻性能无显著性影响。

透水混凝土耐磨性：透水混凝土耐磨试件采用150mm×150mm×150mm的立方体试件，3个试件为一组。依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）进行测试，测试使用TMS-400型水泥混凝土耐磨试验机（北京同德创业科技有限公司）。

改性UPE树脂透水混凝土磨损量：由表3可知，掺加铜矿渣的实验组（M2）透水混凝土的单位面积磨损量为1.573kg/m²，而未加铜矿渣的对照组（M1）透水混凝土的为3.360kg/m²。与对照组相比，添加铜矿渣的实验组透水混凝土的单位面积磨损量显著降低53.18%。UPE树脂改性后，其强度和模量得到显著提升，与骨料之间的粘结性也有所增强，因此导致磨损量显著降低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种改性UPE树脂透水混凝土，其特征在于：原料组成按质量份数计为：5~9份胶凝材料和91~95份骨料；所述的胶凝材料由30~50份铜矿渣和50~70份改性UPE树脂组成；所述的骨料由50份粒径为2.36~4.75mm的细骨料和50份粒径为4.75~9.5mm的粗骨料组成；

所述的改性UPE树脂的组成按质量份数计为：85份UPE树脂，15份AESO和5~15份MDI。

2.一种制备如权利要求1所述的改性UPE树脂透水混凝土的方法，其特征在于：改性UPE树脂透水混凝土是由胶凝材料和骨料通过混合搅拌、插捣击实、加热固化制备得到；所述的胶凝材料是由改性UPE树脂和铜矿渣搅拌均匀得到；所述的改性UPE树脂是由UPE树脂、AESO和MDI在室温下混合得到。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的改性UPE树脂透水混凝土制备过程为：将UPE树脂、AESO和MDI按质量比在室温下混合得到改性UPE树脂；将粗细骨料与铜矿渣混合搅拌，使铜矿渣在粗细骨料中均匀分布；胶凝材料与搅拌后的粗细骨料和铜矿渣按质量比混合搅拌1min后得到树脂混凝土拌合物；试模内涂抹脱模膏后，混凝土拌合物分三层注入试模，按螺旋方向从边缘向中心用插捣棒均匀插捣，用抹刀沿试模内壁插拔数次，每层插捣完后用橡胶锤夯实，最后用抹刀将表面抹平；试件在120℃条件下固化20min，室温放置24h后脱模，样品置于30℃干燥箱中养护2d，即得改性UPE树脂透水混凝土。