基于正交试验的聚合物改性再生透水混凝土抗冻性能研究

夏冬桃,刘炎昌,吴方红,李向阳,李 彪

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院,湖北 武汉 430068;2.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院,广东 佛山 528225)

2012年,中国提出了“海绵城市”的概念——城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[1]。透水铺装是使土壤实现海绵功能的重要手段,再生骨料透水混凝土(Recycled Aggregate Pervious Concrete,RAPC)充分利用了再生混凝土和透水混凝土的功能优势,具有优异透水性。利用再生骨料代替天然骨料可以变废为宝,减少垃圾处置费用,节能减排,减少环境污染[2],RAPC的材料性能充分符合海绵城市的建设理念。在北京奥运会、上海世博会以及各海绵城市的道路上,都有透水混凝土的实际应用,其良好的透水性能及较好的耐磨性等特点凸显出来。然而,透水混凝土多孔的结构使集料之间多以点接触或者面接触,在冻融循环时一点的破坏容易造成局部更多的破坏[3]。再生骨料表面附着的砂浆以及骨料的破碎过程都会导致产生大量微裂纹,其内部空隙的增加也会使骨料的吸水率增大,容易发生冻融破坏[4]。透水混凝土与再生骨料的特性[5-6]导致RAPC较差的抗冻性能,也是影响它在海绵城市建设中大面积推广的因素之一。

水性环氧树脂是把环氧树脂以微粒或液滴的形式分散在以水为连续相的分散介质中而配得的稳定树脂材料,能与水泥砂浆、混凝土等常用的水泥基材料混合使用,并能提高上述材料的早期强度、韧性、抗冲击性能,增强防水性能[7]。相关研究表明:添加聚合物水性环氧树脂的可以有效提升混凝土的抗冻性[8-10],掺入聚合物乳液后,可增加混凝土的耐久性,改善混凝土的抗冻性,同时使得水泥混凝土的路用性能得到了明显的改善[11],其中水性环氧树脂掺量在1.0%～2.0%时,对于无砂透水混凝土的抗冻性能有较大的提升[8]。国内外专家学者研究表明[12-17],对胶凝材料的优化可以有效提升再生透水混凝土的性能,掺加一定量的粉煤灰可以有效提高再生混凝土的抗冻性。然而,现在对于复掺水性环氧树脂与粉煤灰对RAPC抗冻性影响的研究尚不多见。基于此,笔者通过冻融循环试验研究低掺量下复掺水性环氧树脂(0.5%～2%)与粉煤灰(5%～15%)对于再生透水混凝土抗冻性的影响及规律;研究表明,低掺量水性环氧树脂能有效提升再生透水混凝土抗冻性能,水性环氧树脂掺量为1%时对透水混凝土的抗冻性提升最好;再生骨料掺量40%时抗冻性提升效果最好。

1 试验设计

1.1 试验原材料及性能

水泥:采用华新牌P·O 42.5级水泥,各项指标符合《再生骨料透水混凝土应用技术规程》(CJJ/T 253—2016)[18]要求。骨料:天然骨料选取武汉本地瓜米石,筛分后选用粒径为5～10 mm的骨料;再生骨料采用某拆迁工地的废弃混凝土,经破碎、清洗、晾晒、筛分后选用粒径为5～10 mm骨料。外掺料:Ⅰ级粉煤灰;水性环氧树脂;聚羧酸高效减水剂,减水率为20 %。

1.2 正交试验设计

正交试验是试验设计优化中常采用的方法,是通过部分试验来代替全面试验,再通过对代表性试验结果,分析了解全面的试验情况,以此达到优化试验设计的目的。极差分析是正交试验中常用的一种分析方法,可以直观地分析各因素之间的主次关系,并通过对比找到试验中最优的因素水平搭配。由于本试验考虑的因素水平较高,全面试验需设计4×4×4×4=256次试验,故采用正交试验设计进行优化,优化后只需进行16次试验。

参照《再生骨料透水混凝土应用技术规程》(CJJ/T 253—2016)[18],试验选取目标孔隙率为20%[19],水灰比取0.31[20-21],配合比设计计算也参考该规程。本研究通过正交试验设计研究再生骨料掺量、粉煤灰掺量、水性环氧树脂掺量和冻融循环次数对再生透水混凝土抗冻性的影响程度,试验中每个因素设置四个水平,采用L16(44)正交表,通过均值极差法研究不同因素的影响规律。正交水平因素及各组试验对应材料掺量见表1。

表1 再生透水混凝土试验正交表Table 1 The orthogonal table for recycled pervious concrete tests

1.3 试验方法

1.3.1 制备过程

透水混凝土的搅拌采用水泥裹石法,先将全部骨料和20%的水加入搅拌机中预拌60 s;再加入水泥、矿物掺合料、水性环氧树脂和50%的水搅拌120 s,形成胶凝材料均匀包裹骨料的外壳;最后将剩下的水和减水剂加入搅拌机,搅拌60 s;整个搅拌过程4 min。

1.3.2 成型工艺

为防止水泥浆体在振动过程中流动到试件底部堵住透水孔隙,采用人工插捣的方式,将搅拌均匀的混凝土装入100 mm×100 mm×100 mm的试模中,分两层人工插捣,每层插捣由外圈到中心20～25次,插捣结束后抹平表面。

1.3.3 养护方法

覆盖保鲜膜养护24 h脱模,再放入养护箱中水养护28 d。

1.3.4 抗冻融性能和抗压强度试验

参照《再生骨料透水混凝土应用技术规程》(CJJ/T 253—2016)[18],再生透水混凝土抗冻性能试验应按现行国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)[23]慢冻法执行,冻结最低温度为(-20～-18)℃,融化最高温度为(18～20)℃,单次冻融循环时间不应小于4 h,并且冻融循环中的融化时间不能小于总时间的1/4。再生透水混凝土试件采取水养护,在28 d时将试件从水中取出,用湿布擦除表面水分后对外观尺寸进行拍照记录,记录试件质量称重。在冻融25次、40次、60次时[2]分别取出对应的试件,进行外观观察、质量称重,在质量损失超过5% 或强度损失超过25% 时,停止试验。抗压强度试验按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[22]进行。

2 试验结果及分析

2.1 基本物理性能

对各组透水混凝土进行冻融前的抗压强度、透水系数测定,各组平均抗压强度和平均透水系数如表2所示。

表2 各组试件平均抗压强度和透水系数Table 2 The average compressive strength and coefficients of permeability for each group of specimens

2.2 外观损伤分析

各组试件在冻融循环后的平均质量损失率和强度损失率如表3所示。

表3 各组试件冻融循环后的平均质量损失率和强度损失率Table 3 The average mass loss rate and strength loss rate of each specimens group after freeze-thaw cycles

试件冻融循环25次后,观察到试件外表并无太大变化(见图1),由于试件微裂缝吸水质量大于骨料剥落质量,第2组、第13组质量损失率出现了负增长。但所有试件质量损失率、强度损失率均满足《再生骨料透水混凝土应用技术规程》(CJJ/T 253—2016)[18]中对无砂水泥透水混凝土的抗冻性要求:冻融循环25次后的抗压强度损失率不大于 20%,质量损失率不大于 5%。

图1 冻融循环25次时试件冻融损伤图Fig.1 The freeze-thaw damage of specimens at 25 freeze-thaw cycles

冻融循环40次后,试件边缘及表面出现较多骨料脱落(见图2),其中第10组试件脱落最严重,观察到试件侧面出现一个明显的月牙形凹陷,称重后得到试件质量损失率为1.04%,未达到质量损失破坏标准。抗压试验表明,第3组、第5组、第10组试件的强度损失率均超过25%,达到破坏标准。

图2 冻融循环40次时试件冻融损伤图Fig.2 The freeze-thaw damage of specimens at 40 freeze-thaw cycles

冻融循环60次后,四组试件骨料脱落均比较严重(见图3),其中第4组质量损失率5.5%最大,达到破坏标准。第4组试件外层骨料脱落较多,试件表面出现了较多坑洞,边缘棱角已经磨成圆形,第15组试件中间出现了贯穿性裂缝,混凝土从中间断开。四组试件强度损失率均超过25%,达到破坏标准。

图3 冻融循环60次时试件冻融损伤图Fig.3 The freeze-thaw damage of specimens at 60 freeze-thaw cycles

2.3 质量损失率与强度损失率

质量损失率、强度损失率是评价混凝土抗冻性能的重要指标,再生透水混凝土冻融循环前后的质量变化及冻融循环前后的强度损失,可以清楚地反映再生透水混凝土受冻融后的损伤状态。

2.3.1 极差分析法

通过极差分析法对质量损失率、强度损失率进行分析,结果如表4、表5所示。

由表4、表5可知,本次试验强度损失率的影响因素从强到弱依次为:冻融循环次数、粉煤灰掺量、再生骨料掺量、水性环氧树脂掺量;本次试验质量损失率的影响因素从强到弱依次为:冻融循环次数、粉煤灰掺量、水性环氧树脂掺量、再生骨料掺量。

2.3.2 水性环氧树脂掺量的影响

再生透水混凝土质量损失率随水性环氧树脂掺量的变化规律如图4(a)所示。由图可知,冻融循环25次前,掺加0.5%、2%水性环氧树脂试件的质量损失率要比不掺加水性环氧树脂的试件的质量损失率低;随着冻融次数的增加,直到冻融循环60次时试件全部破坏,掺加1%水性环氧树脂试件的质量损失率最低达0.4%。

图4 水性环氧树脂掺量与RAPC质量损失率及强度损失率之间的关系Fig.4 The relationship between water-based epoxy resin admixture and RAPC mass loss rate and strength loss rate

再生透水混凝土强度损失率随水性环氧树脂掺量的变化规律如图4(b)所示。由图可知,冻融循环25次前,掺加0.5%、1%水性环氧树脂试件的质量损失率要低于不掺加水性环氧树脂的试件,随着冻融次数的增加,直到冻融循环60次时试件全部破坏,掺加1%水性环氧树脂试件的强度损失0.4%最低。

掺入适量的水性环氧树脂对再生透水混凝土的抗冻性有提升效果,当水性环氧树脂掺量为1%时对再生透水混凝土的抗冻性提升最好。由于水性环氧树脂乳液中环氧树脂颗粒会聚结形成连续的膜结构,使得浆体均匀的包裹在骨料表面,增强了骨料网络间的粘结力,同时填补了再生骨料以及新旧砂浆间的微裂缝,能够有效提升再生透水混凝土的抗冻能力。

2.3.3 再生骨料掺量的影响

通过冻融循环25次、40次、60次时试件的质量损失率及强度损失率来研究不同再生骨料掺量对于再生透水混凝土抗冻性的影响变化规律,结果如图5所示。

图5 再生骨料掺量与RAPC质量损失率及强度损失率之间的关系Fig.5 The relationship between recycled aggregate content and RAPC mass loss rate and strength loss rate

由图5(a)可以看出,未添加再生骨料的混凝土在冻融循环40次前,质量损失为负增长,在濒临破坏时质量损失上升,而添加再生骨料的混凝土随着冻融循环次数增加质量损失呈整体上升趋势,直到混凝土破坏时,添加再生骨料的组别质量损失均低于未添加再生骨料的组别。这是由于再生骨料在破碎时会产生许多微裂缝,分布在内外的微裂缝会提升再生骨料整体吸水率,从而导致透水混凝土一开始的质量损失率为负增长。

再生骨料的表面粗糙,具有更好的黏结面,同时再生骨料吸水性强从而降低了混凝土的实际水灰比,使砂浆变得更加浓稠,加强了骨料间的黏结作用,从而导致再生透水混凝土的抗冻性提升。

由图5可以看出,在低水平冻融次数(0～25次)下,未添加再生骨料时透水混凝土抗冻性更好;在更高水平冻融次数(25～60次)下,添加再生骨料可以有效提高再生透水混凝土抗冻性,其中再生骨料掺量为40%时对再生透水混凝土抗冻性的提升效果最好。

3 混凝土中聚合物的SEM分析

扫描电子显微镜(SEM)是一种利用高能电子束来对物质微观形貌表征进行观察的手段。通过SEM对水性环氧树脂RAPC的微观结构及增强机理进行分析。图6(a)、图6(b)为未添加水性环氧树脂的RAPC微观形貌,图6(c)、图6(d)为水性环氧树脂掺量1%(抗冻性提升效果最优)的RAPC微观形貌。

图6 不同掺量的水性环氧树脂RAPC的微观形貌(未冻融)Fig.6 The microstructure of waterborne epoxy resin RAPC with different content(without freeze-thawed)

由图6(a)可以看到,未添加水性环氧树脂的RAPC中有较大的孔洞存在,孔洞中有许多针状的钙矾石,钙矾石附近还生有较多絮状的C-S-H凝胶,这些物质交联形成间断的、孔隙较大的骨架网状体系,导致RAPC整体结构较为松散。

图6(c)中加入1%水性环氧树脂后的RAPC结构得到了很大的改善,在混凝土的表面环氧树脂与水泥水化产物黏结形成板状薄膜结构,填补了混凝土结构孔隙,从而增加了混凝土结构致密性,进一步放大倍数后可以看到原本针状的钙帆石上覆盖着膜状以及团状物质,这是水性环氧树脂吸附在水泥水化物的表面。水性环氧树脂与水泥水化产物的交联固化改善了水泥基体与骨料间的黏结,同时填补了骨架网状体系中的空隙使结构更加紧密,因此适量地添加水性环氧树脂会增强RAPC的抗冻性。

4 结 论

(1)对再生透水混凝土强度损失率的影响因素从强到弱依次为:粉煤灰掺量、再生骨料掺量、水性环氧树脂掺量;对再生透水混凝土质量损失率的影响因素从强到弱依次为:粉煤灰掺量、水性环氧树脂掺量、再生骨料掺量。

(2)低掺量(0.5%～2%)的水性环氧树脂对再生透水混凝土的抗冻性有提升效果,且当水性环氧树脂掺量为1%时对透水混凝土的抗冻性提升最好;添加再生骨料(30%～50%)可以有效提高再生透水混凝土抗冻性,其中再生骨料掺量40%时抗冻性提升效果最好。

(3)冻融循环25次、40次、60次过程中,再生透水混凝土的强度损失率会比质量损失率先变化到破坏标准,该参数能更快判断再生透水混凝土的抗冻性能。