基于正交試驗的再生骨料混凝土抗?jié)B性研究

張 臻，婁宗科，張迎雪(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

利用再生骨料替代部分天然骨料加入混凝土中制成的再生骨料混凝土，不僅能夠節(jié)約天然骨料的使用量，而且能夠很好地利用廢舊混凝土，減輕對環(huán)境的污染，有著良好的社會經(jīng)濟效益。

同時隨著近年來混凝土制備技術(shù)的提高，在結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計時只重視混凝土力學(xué)性能的觀點逐漸被改變[1-4]，對耐久性的研究也更加受到人們重視。由于再生骨料自身的損傷和內(nèi)部微裂紋較天然骨料明顯[5-7]，在研究再生骨料混凝土耐久性時對其抗?jié)B性的研究尤為重要。國外較早開展了對再生骨料混凝土的研究：德國自二次世界大戰(zhàn)后就已經(jīng)有了將廢磚破碎后摻入混凝土中制造混凝土的經(jīng)驗并提出了一系列再生骨料混凝土國家標(biāo)準(zhǔn)[8-10]。我國馮艷東[11]等人通過水灰比、砂率、水泥用量3因素對其配合比進(jìn)行優(yōu)化，研究對抗?jié)B性的影響提出：為了使再生混凝土的抗?jié)B性能得以提高，應(yīng)盡量使水灰比降低并優(yōu)化砂率和水泥的用量。劉數(shù)華、閻培渝[7]等人也通過微結(jié)構(gòu)的研究提出：摻入硅粉和粉煤灰2種礦物摻合料能夠很好改善再生骨料混凝土的耐久性能。

本文選擇單位用水量、砂率、再生粗骨料取代率這3個因素，在保證水灰比不變的情況下安排3因素3水平正交試驗，并通過試驗結(jié)果建立了再生骨料混凝土滲透系數(shù)(Kr)與單位用水量、再生骨料取代率、砂率的經(jīng)驗公式，為再生骨料混凝土抗?jié)B性提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

(1)水泥。本次試驗采用冀東牌復(fù)合硅酸鹽水泥P·O 32.5R，水泥的部分化學(xué)成分和基本物理力學(xué)性能等相應(yīng)指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

(2)集料。試驗用細(xì)骨料采用楊凌渭河的中砂，表觀密度為2.67 g/cm3，含泥質(zhì)分?jǐn)?shù)為2.21%，砂的細(xì)度模數(shù)為2.77，屬中砂，級配合格；天然粗骨料采用5.0～37.5 mm連續(xù)粒徑的天然渭河卵石，表觀密度為2.65 g/cm3；再生粗骨料為楊凌區(qū)省飼料廠拆遷后剩余的建筑廢料經(jīng)人工破碎后得到，其粒徑級配為5.0～37.5 mm連續(xù)粒級，且試驗中的再生骨料全部為飽和面干狀態(tài)。

(3)試驗用水。滿足規(guī)范的試驗室自來水。

1.2 試驗設(shè)計

本次試驗以天然骨料普通混凝土C20配合比為基礎(chǔ)，并保持配合比中固定水灰比為0.45不變，再生混凝土粗骨料顆粒按粗骨料質(zhì)量替代天然粗骨料。選擇單位用水量、砂率、再生粗骨料取代率這3個因素進(jìn)行3因素3水平正交試驗，安排9 組試驗點用于測定再生骨料混凝土的滲透系數(shù)Kr，每組3 個試件，共27 個試件。試驗因素水平見表1。

表1 再生骨料混凝土抗?jié)B性試驗因素水平Tab.1 The factor level of recycled aggregate concrete permeability resistance test

1.3 試驗儀器及試驗方法

試驗儀器：試驗采用人工拌合方法，抗?jié)B性測試設(shè)備采用天津建設(shè)儀器廠生產(chǎn)的HS-40型混凝土滲透儀。

試驗方法：本試驗采用《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352-2006)規(guī)定的混凝土抗?jié)B性試驗測試。按照正交試驗方法成型試塊，配合比用量見表2，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d齡期后，將黃油和水泥按照1∶1的比例混合，涂抹在抗?jié)B試塊的側(cè)面，并將試塊放入鐵模中且安裝在抗?jié)B機上進(jìn)行試驗。保持0.8 MPa壓力持續(xù)進(jìn)行試驗8 h，然后關(guān)機，取下抗?jié)B試塊。在試塊上下兩個表面順著其各自直徑的方向放上一根鋼條，再整體放入壓力機中劈開。取劈裂面均勻5個點的滲水高度平均值作為試塊的最終滲水高度，然后按式(1)計算出滲透系數(shù)Kr，以其作為評定指標(biāo)。即：

(1)

式中：Kr為滲透系數(shù)，cm/s；Dm為平均滲水高度，cm；H為水壓力，以水柱高度表示，cm；T為恒壓時間，s；α為混凝土的吸水率，一般為0.03。

表2 再生骨料混凝土配合比用量 kg/m3Tab.2 The dosage of recycled aggregate concrete mixture proportion

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 正交試驗結(jié)果分析

2.1.1極差分析

L9 (34) 正交試驗結(jié)果及極差分析詳見表3。

表3 抗?jié)B性試驗極差分析Tab.3 Permeability test analysis table of range analysis

表3中：設(shè)置空列為考慮誤差的影響；ki表示其水平數(shù)的均值，即ki為某個因素第i個水平的所有滲透系數(shù)之和的1/3；R=max(k1,k2,k3)-min(k1,k2,k3)，即任一列的ki最大值與最小值之差，R值越大則該因素在試驗范圍內(nèi)對滲透系數(shù)的影響越大。

由表3可知，各因素的極差R(單位用水量)>R(骨料取代率)>R(砂率)，所以對再生骨料混凝土滲透系數(shù)影響最大的是單位用水量，其次是骨料取代率，最后是砂率，且正交分析知單位用水量越大、骨料取代越少、砂率越高時再生骨料混凝土的抗?jié)B性越好，而單位用水量的增加也可以看做是水泥用量的增加，這與文獻(xiàn)[1]中水灰比對再生混凝土抗?jié)B性影響較砂率大這一結(jié)論也相符合。

將表3中得到的滲透系數(shù)與各個因素之間的關(guān)系繪成圖1～3。從圖1中可得出：再生骨料混凝土的滲透系數(shù)Kr，隨著單位用水量的增加而逐漸降低，在單位用水量為175 kg/m3時達(dá)到最小值，且分別較165 kg/m3的單位用水量水平減小了43.4%和47.3%，其原因是在水灰比不變的情況下增加單位用水量，使新鮮水泥漿增多，而再生骨料本身表面不平整、粗糙且內(nèi)部的細(xì)小微裂縫多[5,6]，增多的水泥漿能夠更好地填充這些微小缺陷，使再生骨料混凝土的新舊水泥石過渡界面更加致密，同時填充的水泥漿液封堵了滲水通道使得其抗?jié)B性增強。

圖1 滲透系數(shù)與單位用水量的關(guān)系Fig.1 Permeability coefficient and unit water use

圖2反應(yīng)了Kr隨骨料取代率增加而增長的規(guī)律，且增長的速率基本不變，分別較0%的取代率水平提高了42.9%和76.5%，這與文獻(xiàn)[2]中小于60%取代率時抗?jié)B性隨骨料取代率增加而提高這一規(guī)律相同，同時也符合文獻(xiàn)[12]抗?jié)B性隨骨料取代率的變化規(guī)律。其原因是再生骨料顆粒的棱角多、表面粗糙，取代天然骨料后，在再生骨料和新鮮水泥漿液之間會形成一個空隙和結(jié)晶體較多的界面過渡區(qū)，使壓力水更容易通過和滲透。圖3表明本次研究的砂率水平對滲透系數(shù)的影響不明顯，較0.3%的砂率水平分別降低了0.6%和1.3%。

圖2 滲透系數(shù)與骨料取代率之間關(guān)系Fig.2 The relationship between permeability coefficient and aggregate content

圖3 滲透系數(shù)與砂率之間關(guān)系Fig.3 The relation between permeability coefficient and sand ratio

2.1.2方差分析

通過SPSS方差分析的結(jié)果見表4。表4方差來源中沒有砂率項，這是因為砂率對抗?jié)B性的影響很小，可以與誤差項合并后作為整體誤差進(jìn)行分析。且其結(jié)果表明：方差分析的結(jié)果與極差分析結(jié)果一致，即3個影因素中單位用水量是主要因素，其對再生骨料混凝土抗?jié)B性的影響是顯著的；骨料取代率顯著性檢驗表明F=6.31大于F2,4(0.1)=4.32，故取代率對再生混凝土抗?jié)B性的影響也不可忽略。

表4 正交試驗F分布顯著性檢驗Tab.4 The orthogonal test of significance F is shown in table

2.2 回歸分析

本次試驗通過回歸分析可以得到具有一定可信程度的三元非線性回歸方程，能夠確定單位用水量、骨料取代率和砂率這3個因素對滲透系數(shù)Kr的定量關(guān)系式。不考慮3因素之間的交互作用，可以假設(shè)回歸模型為：

Kr=b0+b1x21+b2x22+b3x23+b4x1+b5x2+b6x3

(2)

式中：Kr為滲透系數(shù)；bi(i=0,1,2,3,4,5,6)為回歸系數(shù)；x1為單位用水量；x2為再生骨料取代率；x3為砂率。

將表3中的數(shù)據(jù)代入模型(2)中，通過SPSS進(jìn)行回歸分析可得：

Kr=1.08×10-6+3.61×10-11x21-1.15×10-13x22-

1.33×10-13x23-1.248×10-8x1+

3.57×10-11x2-4.67×10-12x3

(3)

由文獻(xiàn)[13]提供的方法，SPSS計算出三元回歸方程的殘差為1.36×10-18，已更正的平方和為1.43×10-17，所以R2=1-(殘差/已更正的平方和)=0.905，即該方程的擬合程度為90.5%，擬合度較好。由于式(3)中x22項、x3和x23項系數(shù)較Kr過小，可忽略不計，故回歸模型(3)的形勢可簡化為：

Kr=1.08×10-6+3.61×10-11x21-

1.248×10-8x1+3.57×10-11x2

(4)

3 結(jié) 語

(1)由極差分析可知3個因素對滲透系數(shù)的影響程度為：單位用水量>再生骨料取代率>砂率，且滲透系數(shù)隨著單位用水量的減小、再生骨料取代率的增加、砂率的 減小而增加，即再生骨料混凝土的抗?jié)B性減弱。并且本文中砂率水平的變化對其抗?jié)B性影響不明顯。

(2)通過三元非線性回歸分析建立了再生骨料混凝土滲透系數(shù)(Kr)與單位用水量、再生骨料取代率、砂率的經(jīng)驗公式，且該經(jīng)驗公式的擬合程度達(dá)到90.5%，擬合度較好。

(3)根據(jù)分析可以得到單位用水量、再生骨料取代率及砂率3個因素影響下再生骨料混凝土抗?jié)B性最佳的實驗室配合比(水灰比保持0.45不變)，即為：單位用水量175 kg/m3、骨料取代率30%、砂率0.4。

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