基于正交試驗的聚合物改性再生透水混凝土抗凍性能研究

夏冬桃,劉炎昌,吳方紅,李向陽,李 彪

(1.湖北工業大學土木建筑與環境學院,湖北 武漢 430068;2.佛山科學技術學院交通與土木建筑學院,廣東 佛山 528225)

2012年,中國提出了“海綿城市”的概念——城市能夠像海綿一樣,在適應環境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的“彈性”,下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水,需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用[1]。透水鋪裝是使土壤實現海綿功能的重要手段,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優勢,具有優異透水性。利用再生骨料代替天然骨料可以變廢為寶,減少垃圾處置費用,節能減排,減少環境污染[2],RAPC的材料性能充分符合海綿城市的建設理念。在北京奧運會、上海世博會以及各海綿城市的道路上,都有透水混凝土的實際應用,其良好的透水性能及較好的耐磨性等特點凸顯出來。然而,透水混凝土多孔的結構使集料之間多以點接觸或者面接觸,在凍融循環時一點的破壞容易造成局部更多的破壞[3]。再生骨料表面附著的砂漿以及骨料的破碎過程都會導致產生大量微裂紋,其內部空隙的增加也會使骨料的吸水率增大,容易發生凍融破壞[4]。透水混凝土與再生骨料的特性[5-6]導致RAPC較差的抗凍性能,也是影響它在海綿城市建設中大面積推廣的因素之一。

水性環氧樹脂是把環氧樹脂以微?；蛞旱蔚男问椒稚⒃谝运疄檫B續相的分散介質中而配得的穩定樹脂材料,能與水泥砂漿、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強度、韌性、抗沖擊性能,增強防水性能[7]。相關研究表明:添加聚合物水性環氧樹脂的可以有效提升混凝土的抗凍性[8-10],摻入聚合物乳液后,可增加混凝土的耐久性,改善混凝土的抗凍性,同時使得水泥混凝土的路用性能得到了明顯的改善[11],其中水性環氧樹脂摻量在1.0%～2.0%時,對于無砂透水混凝土的抗凍性能有較大的提升[8]。國內外專家學者研究表明[12-17],對膠凝材料的優化可以有效提升再生透水混凝土的性能,摻加一定量的粉煤灰可以有效提高再生混凝土的抗凍性。然而,現在對于復摻水性環氧樹脂與粉煤灰對RAPC抗凍性影響的研究尚不多見?；诖?筆者通過凍融循環試驗研究低摻量下復摻水性環氧樹脂(0.5%～2%)與粉煤灰(5%～15%)對于再生透水混凝土抗凍性的影響及規律;研究表明,低摻量水性環氧樹脂能有效提升再生透水混凝土抗凍性能,水性環氧樹脂摻量為1%時對透水混凝土的抗凍性提升最好;再生骨料摻量40%時抗凍性提升效果最好。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料及性能

水泥:采用華新牌P·O 42.5級水泥,各項指標符合《再生骨料透水混凝土應用技術規程》(CJJ/T 253—2016)[18]要求。骨料:天然骨料選取武漢本地瓜米石,篩分后選用粒徑為5～10 mm的骨料;再生骨料采用某拆遷工地的廢棄混凝土,經破碎、清洗、晾曬、篩分后選用粒徑為5～10 mm骨料。外摻料:Ⅰ級粉煤灰;水性環氧樹脂;聚羧酸高效減水劑,減水率為20 %。

1.2 正交試驗設計

正交試驗是試驗設計優化中常采用的方法,是通過部分試驗來代替全面試驗,再通過對代表性試驗結果,分析了解全面的試驗情況,以此達到優化試驗設計的目的。極差分析是正交試驗中常用的一種分析方法,可以直觀地分析各因素之間的主次關系,并通過對比找到試驗中最優的因素水平搭配。由于本試驗考慮的因素水平較高,全面試驗需設計4×4×4×4=256次試驗,故采用正交試驗設計進行優化,優化后只需進行16次試驗。

參照《再生骨料透水混凝土應用技術規程》(CJJ/T 253—2016)[18],試驗選取目標孔隙率為20%[19],水灰比取0.31[20-21],配合比設計計算也參考該規程。本研究通過正交試驗設計研究再生骨料摻量、粉煤灰摻量、水性環氧樹脂摻量和凍融循環次數對再生透水混凝土抗凍性的影響程度,試驗中每個因素設置四個水平,采用L16(44)正交表,通過均值極差法研究不同因素的影響規律。正交水平因素及各組試驗對應材料摻量見表1。

表1 再生透水混凝土試驗正交表Table 1 The orthogonal table for recycled pervious concrete tests

1.3 試驗方法

1.3.1 制備過程

透水混凝土的攪拌采用水泥裹石法,先將全部骨料和20%的水加入攪拌機中預拌60 s;再加入水泥、礦物摻合料、水性環氧樹脂和50%的水攪拌120 s,形成膠凝材料均勻包裹骨料的外殼;最后將剩下的水和減水劑加入攪拌機,攪拌60 s;整個攪拌過程4 min。

1.3.2 成型工藝

為防止水泥漿體在振動過程中流動到試件底部堵住透水孔隙,采用人工插搗的方式,將攪拌均勻的混凝土裝入100 mm×100 mm×100 mm的試模中,分兩層人工插搗,每層插搗由外圈到中心20～25次,插搗結束后抹平表面。

1.3.3 養護方法

覆蓋保鮮膜養護24 h脫模,再放入養護箱中水養護28 d。

1.3.4 抗凍融性能和抗壓強度試驗

參照《再生骨料透水混凝土應用技術規程》(CJJ/T 253—2016)[18],再生透水混凝土抗凍性能試驗應按現行國家標準《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[23]慢凍法執行,凍結最低溫度為(-20～-18)℃,融化最高溫度為(18～20)℃,單次凍融循環時間不應小于4 h,并且凍融循環中的融化時間不能小于總時間的1/4。再生透水混凝土試件采取水養護,在28 d時將試件從水中取出,用濕布擦除表面水分后對外觀尺寸進行拍照記錄,記錄試件質量稱重。在凍融25次、40次、60次時[2]分別取出對應的試件,進行外觀觀察、質量稱重,在質量損失超過5% 或強度損失超過25% 時,停止試驗?？箟簭姸仍囼灠凑铡痘炷廖锢砹W性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)[22]進行。

2 試驗結果及分析

2.1 基本物理性能

對各組透水混凝土進行凍融前的抗壓強度、透水系數測定,各組平均抗壓強度和平均透水系數如表2所示。

表2 各組試件平均抗壓強度和透水系數Table 2 The average compressive strength and coefficients of permeability for each group of specimens

2.2 外觀損傷分析

各組試件在凍融循環后的平均質量損失率和強度損失率如表3所示。

表3 各組試件凍融循環后的平均質量損失率和強度損失率Table 3 The average mass loss rate and strength loss rate of each specimens group after freeze-thaw cycles

試件凍融循環25次后,觀察到試件外表并無太大變化(見圖1),由于試件微裂縫吸水質量大于骨料剝落質量,第2組、第13組質量損失率出現了負增長。但所有試件質量損失率、強度損失率均滿足《再生骨料透水混凝土應用技術規程》(CJJ/T 253—2016)[18]中對無砂水泥透水混凝土的抗凍性要求:凍融循環25次后的抗壓強度損失率不大于 20%,質量損失率不大于 5%。

圖1 凍融循環25次時試件凍融損傷圖Fig.1 The freeze-thaw damage of specimens at 25 freeze-thaw cycles

凍融循環40次后,試件邊緣及表面出現較多骨料脫落(見圖2),其中第10組試件脫落最嚴重,觀察到試件側面出現一個明顯的月牙形凹陷,稱重后得到試件質量損失率為1.04%,未達到質量損失破壞標準?？箟涸囼灡砻?第3組、第5組、第10組試件的強度損失率均超過25%,達到破壞標準。

圖2 凍融循環40次時試件凍融損傷圖Fig.2 The freeze-thaw damage of specimens at 40 freeze-thaw cycles

凍融循環60次后,四組試件骨料脫落均比較嚴重(見圖3),其中第4組質量損失率5.5%最大,達到破壞標準。第4組試件外層骨料脫落較多,試件表面出現了較多坑洞,邊緣棱角已經磨成圓形,第15組試件中間出現了貫穿性裂縫,混凝土從中間斷開。四組試件強度損失率均超過25%,達到破壞標準。

圖3 凍融循環60次時試件凍融損傷圖Fig.3 The freeze-thaw damage of specimens at 60 freeze-thaw cycles

2.3 質量損失率與強度損失率

質量損失率、強度損失率是評價混凝土抗凍性能的重要指標,再生透水混凝土凍融循環前后的質量變化及凍融循環前后的強度損失,可以清楚地反映再生透水混凝土受凍融后的損傷狀態。

2.3.1 極差分析法

通過極差分析法對質量損失率、強度損失率進行分析,結果如表4、表5所示。

由表4、表5可知,本次試驗強度損失率的影響因素從強到弱依次為:凍融循環次數、粉煤灰摻量、再生骨料摻量、水性環氧樹脂摻量;本次試驗質量損失率的影響因素從強到弱依次為:凍融循環次數、粉煤灰摻量、水性環氧樹脂摻量、再生骨料摻量。

2.3.2 水性環氧樹脂摻量的影響

再生透水混凝土質量損失率隨水性環氧樹脂摻量的變化規律如圖4(a)所示。由圖可知,凍融循環25次前,摻加0.5%、2%水性環氧樹脂試件的質量損失率要比不摻加水性環氧樹脂的試件的質量損失率低;隨著凍融次數的增加,直到凍融循環60次時試件全部破壞,摻加1%水性環氧樹脂試件的質量損失率最低達0.4%。

圖4 水性環氧樹脂摻量與RAPC質量損失率及強度損失率之間的關系Fig.4 The relationship between water-based epoxy resin admixture and RAPC mass loss rate and strength loss rate

再生透水混凝土強度損失率隨水性環氧樹脂摻量的變化規律如圖4(b)所示。由圖可知,凍融循環25次前,摻加0.5%、1%水性環氧樹脂試件的質量損失率要低于不摻加水性環氧樹脂的試件,隨著凍融次數的增加,直到凍融循環60次時試件全部破壞,摻加1%水性環氧樹脂試件的強度損失0.4%最低。

摻入適量的水性環氧樹脂對再生透水混凝土的抗凍性有提升效果,當水性環氧樹脂摻量為1%時對再生透水混凝土的抗凍性提升最好。由于水性環氧樹脂乳液中環氧樹脂顆粒會聚結形成連續的膜結構,使得漿體均勻的包裹在骨料表面,增強了骨料網絡間的粘結力,同時填補了再生骨料以及新舊砂漿間的微裂縫,能夠有效提升再生透水混凝土的抗凍能力。

2.3.3 再生骨料摻量的影響

通過凍融循環25次、40次、60次時試件的質量損失率及強度損失率來研究不同再生骨料摻量對于再生透水混凝土抗凍性的影響變化規律,結果如圖5所示。

圖5 再生骨料摻量與RAPC質量損失率及強度損失率之間的關系Fig.5 The relationship between recycled aggregate content and RAPC mass loss rate and strength loss rate

由圖5(a)可以看出,未添加再生骨料的混凝土在凍融循環40次前,質量損失為負增長,在瀕臨破壞時質量損失上升,而添加再生骨料的混凝土隨著凍融循環次數增加質量損失呈整體上升趨勢,直到混凝土破壞時,添加再生骨料的組別質量損失均低于未添加再生骨料的組別。這是由于再生骨料在破碎時會產生許多微裂縫,分布在內外的微裂縫會提升再生骨料整體吸水率,從而導致透水混凝土一開始的質量損失率為負增長。

再生骨料的表面粗糙,具有更好的黏結面,同時再生骨料吸水性強從而降低了混凝土的實際水灰比,使砂漿變得更加濃稠,加強了骨料間的黏結作用,從而導致再生透水混凝土的抗凍性提升。

由圖5可以看出,在低水平凍融次數(0～25次)下,未添加再生骨料時透水混凝土抗凍性更好;在更高水平凍融次數(25～60次)下,添加再生骨料可以有效提高再生透水混凝土抗凍性,其中再生骨料摻量為40%時對再生透水混凝土抗凍性的提升效果最好。

3 混凝土中聚合物的SEM分析

掃描電子顯微鏡(SEM)是一種利用高能電子束來對物質微觀形貌表征進行觀察的手段。通過SEM對水性環氧樹脂RAPC的微觀結構及增強機理進行分析。圖6(a)、圖6(b)為未添加水性環氧樹脂的RAPC微觀形貌,圖6(c)、圖6(d)為水性環氧樹脂摻量1%(抗凍性提升效果最優)的RAPC微觀形貌。

圖6 不同摻量的水性環氧樹脂RAPC的微觀形貌(未凍融)Fig.6 The microstructure of waterborne epoxy resin RAPC with different content(without freeze-thawed)

由圖6(a)可以看到,未添加水性環氧樹脂的RAPC中有較大的孔洞存在,孔洞中有許多針狀的鈣礬石,鈣礬石附近還生有較多絮狀的C-S-H凝膠,這些物質交聯形成間斷的、孔隙較大的骨架網狀體系,導致RAPC整體結構較為松散。

圖6(c)中加入1%水性環氧樹脂后的RAPC結構得到了很大的改善,在混凝土的表面環氧樹脂與水泥水化產物黏結形成板狀薄膜結構,填補了混凝土結構孔隙,從而增加了混凝土結構致密性,進一步放大倍數后可以看到原本針狀的鈣帆石上覆蓋著膜狀以及團狀物質,這是水性環氧樹脂吸附在水泥水化物的表面。水性環氧樹脂與水泥水化產物的交聯固化改善了水泥基體與骨料間的黏結,同時填補了骨架網狀體系中的空隙使結構更加緊密,因此適量地添加水性環氧樹脂會增強RAPC的抗凍性。

4 結 論

(1)對再生透水混凝土強度損失率的影響因素從強到弱依次為:粉煤灰摻量、再生骨料摻量、水性環氧樹脂摻量;對再生透水混凝土質量損失率的影響因素從強到弱依次為:粉煤灰摻量、水性環氧樹脂摻量、再生骨料摻量。

(2)低摻量(0.5%～2%)的水性環氧樹脂對再生透水混凝土的抗凍性有提升效果,且當水性環氧樹脂摻量為1%時對透水混凝土的抗凍性提升最好;添加再生骨料(30%～50%)可以有效提高再生透水混凝土抗凍性,其中再生骨料摻量40%時抗凍性提升效果最好。

(3)凍融循環25次、40次、60次過程中,再生透水混凝土的強度損失率會比質量損失率先變化到破壞標準,該參數能更快判斷再生透水混凝土的抗凍性能。