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.pdf
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1、2023年7 月第39卷第4期文章编号:2 0 9 5-19 2 2(2 0 2 3)0 4-0 7 0 7-0 9沈阳建筑大学学报(自然科学版)Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)Jul.2023Vol.39,No.4doi:10.11717/j.issn:2095-1922.2023.04.15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430 0 6 8;2.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院,广东佛山52 8 2 2 5)摘要
2、目的研究低掺量下水性环氧树脂、粉煤灰、再生骨料对再生透水混凝土抗冻性的影响。方法采用正交试验设计,以粉煤灰掺量、水性环氧树脂掺量、再生骨料掺量、冻融循环次数为因素设计不同水平的正交试验,参考慢冻法并采用均值极差法分析质量损失率和强度损失率,研究各因素对于再生透水混凝土抗冻性的影响规律。结果随着冻融循环次数的增加,再生透水混凝土的强度损失率和质量损失率逐渐增大,其中低掺量(0.5%2%)水性环氧树脂可以有效提升再生透水混凝土抗冻性能,降低再生透水混凝土的强度损失率、质量损失率;添加再生骨料(30%50%)可以有效提高再生透水混凝土抗冻性。结论掺量1%的水性环氧树脂及掺量40%的再生骨料对再生透水
3、混凝土抗冻性提升效果最好;在冻融循环过程中,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。关键词再生透水混凝土;水性环氧树脂;正交试验;抗冻性;冻融循环中图分类号TU528文献标志码AFrost Resistance of Polymer Modified RecycledPervious Concrete Based on Orthogonal TestXIA Dongtao,LIU Yanchang,WU Fanghong,LI Xiangyang,LI Biao(1.School of Civil Architecture and E
4、nvironment,Hubei University of Technology,Wuhan,China,430068;2.School of Transportation,Civil Engineering&Architecture,Foshan University,Foshan,China,528225)Abstract:The work aims to study the effect of low content of waterborne epoxy resin,fly ash,andrecycled aggregate on the frost resistance of re
5、cycled pervious concrete.The orthogonal test designwas used to design different levels of orthogonal experiments with fly ash content,water-basedepoxy resin content,recycled aggregate replacement rate,and freeze-thaw cycles as factors.The收稿日期:2 0 2 2-11-19基金项目:国家自然科学基金项目(52 2 0 8 152)作者简介:夏冬桃(197 5一
6、),女,教授,博士,主要从事纤维混凝土等方面研究。708slow freezing method was used and the mean range method,mass loss rate,and strength loss ratewere used to study the influence of various factors on the frost resistance of recycled perviousconcrete.With the increase of freeze-thaw cycles,the strength loss rate and mass lo
7、ss rate ofrecycled pervious concrete increased gradually.The low content(0.5%2%)of waterborneepoxy resin could effectively improve the frost resistance of recycled pervious concrete and reducethe strength and mass loss rate.Adding recycled aggregate(30%50%)can effectively improvethe frost resistance
8、 of recycled pervious concrete.The 1%waterborne epoxy resin content and40%recycled aggregate replacement rate have the best effect on the frost resistance of recycledpervious concrete;at the same time,in the process of freeze-thaw cycle,the strength loss rate ofrecycled pervious concrete will change
9、 to the failure standard first than the mass loss,which canjudge the frost resistance of recycled pervious concrete faster.Key words:recycled aggregate pervious concrete;waterborne epoxy resin;orthogonal test;frostresistance;freeze-thaw cycle沈阳建筑大学学报(自然科学版)第39卷2012年,中国提出了“海绵城市”的概念一一城市能够像海绵一样,在适应环境变化
10、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。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(RecycledAggregate 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
11、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
12、 ,掺人聚合物乳液后,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 ,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
13、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。第4期1试验设计1.1试验原材料及性能水泥:采用华新牌P042.5级水泥,各项指标符合再生骨料透水混凝土应用技术规程(CJ/T2532016)【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2 0%。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
14、,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4444=2 56 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(CJ/T2532016)【18 ,试验选取目标孔隙率为2 0%19,水灰比取0.31 2 0-2 1,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
15、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。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2 0%的水加人搅拌机中预拌60s;再加人水泥、矿物掺合料、水性环氧树夏冬桃等: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concretetests试验再生骨料粉煤灰水性环氧树冻融循编号掺量/%掺量/%脂掺量/%环/次102030405306307308309401040114012401350145015501650脂和50%的水搅拌12 0 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
16、水剂加人搅拌机,搅拌6 0 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人10 0 mm100mm100mm的试模中,分两层人工插捣,每层插捣由外圈到中心2 0 2 5次,插捣结束后抹平表面。1.3.3养护方法覆盖保鲜膜养护2 4h脱模,再放人养护箱中水养护2 8 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(CJ/T2532016)【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709表1再生透水混凝土试验正交表Table 1
17、 The orthogonal table for recycled pervious050.510115200.5501021510152100150.50251100.51500254060406002560402502506040710(G B/T 50 0 8 2 2 0 0 9)2 3 慢冻法执行,冻结最低温度为(-2 0 18),融化最高温度为(18 2 0),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2 8 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2 5次、40
18、 次、6 0 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2 5%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 500812019)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 andcoefficients of permeability for each group of试验抗压强透水系数/试验抗压强透水系数/编
19、号度/MPa(mms-1)编号度/MPa(mms-l)112.81215.62315.60410.34520.17623.42722.83816.022.2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。试件冻融循环2 5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组沈阳建筑大学学报(自然科学版)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 lossrate of each specimens group after
20、 freeze-thaw cycles试件编号28111335101646915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/T253一specimens2016)18 中对无砂水泥透水混凝土的抗冻性要求:冻融循环2 5次后的抗压强度损失率不大于2 0%,质量损失率不大于5%。6.14929.057.80107.96118.56126.47137.161428.593.96157.461632.16第39卷冻融循强度损环/次失率/%252.132511.692515.922517.944030.194030.334027.294019.6
21、56040.636052.946034.736053.603.80冻融循环40 次后,试件边缘及表面出现29.243.9728.855.6720.722.4530.321.801.1229.291.941.45质量损失率/%-0.980.870.08-0.22-0.270.731.040.405.503.000.401.10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2 5%,达到破坏标准。冻融循环6 0 次后,四组试件骨
22、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2 5%,达到破坏标准。第4期夏冬桃等: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711()表面、棱角少许骨料脱落(第8 组)Fig.1 The freeze-thaw damage of specimens at 25 freeze-thaw cycles(b)棱角处少许骨料脱落(第13组)图1冻融循环2 5次时试件冻融损伤图(a)表面、棱角骨料脱落(第3组)F
23、ig.2 The freeze-thaw damage of specimens at 40 freeze-thaw cycles(b)月牙形凹陷(第10 组)图2 冻融循环40 次时试件冻融损伤图(a)外表层脱落(第4组)Fig.3 The freeze-thaw damage of specimens at 60 freeze-thaw cycles2.3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(b)贯通性破坏(第15组)图3冻融循环6 0 次时试件冻融损伤图融
24、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。712Table 4 The range analysis of mass loss rate因素R再生骨料掺量1.06粉煤灰掺量0.230.77水性环氧树脂掺量0.8 70.21冻融循环次数0-0.060.482.50表5强度损失率极差分析表Table 5 The range analysis of strength loss rate因素R再生骨料掺量18.2423.7419.4922.805.50粉煤灰掺量20.75 20.5924.93 17.99水性环氧树脂掺量2 2.1321.5
25、219.1521.47冻融循环次数0注:k;(i=14)表示所有组别在给定因素的i水平下对应的试验结果之和的平均值;R表示极差,极差越大说明该因素对试验结果影响越大。6一水性环氧树脂掺量0%一水性环氧树脂掺量0.5%5一水性环氧树脂掺量1%一水性环氧树脂掺量2%4%32101-10Fig.4 The relationship between water-based epoxy resin admixture and RAPC mass loss rate and strength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2 5次前,掺加0.5%、1
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