正交法分析再生混凝土的拉壓比與折壓比

唐佳軍，裴長春

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

廢棄混凝土的再生利用不僅可以有效節(jié)省自然骨料資源，還可以減輕由廢棄混凝土的運輸處理帶來的環(huán)境污染問題，切合建筑行業(yè)綠色發(fā)展的政策以及中國可持續(xù)發(fā)展的國策[1]。目前，對于加入再生骨料后，再生混凝土(RAC)的強度、韌性、抗裂性等方面降低已達成基本共識[2-4]。近年來，大量學(xué)者的研究證明，在RAC中加入鋼纖維后，可增強其各項性能[5-7]。例如，楊粉等[7]的試驗表明，加入鋼纖維后的RAC立方體抗壓強度較基準(zhǔn)組混凝土提高約1.3%～11.5%，軸壓強度提高約1.0%～13.4%，劈拉強度提高約7.1%～26.0%，抗折強度提高約2.1%～15.1%，靜力受壓彈性模量提高約0.3%～10.4%。鑒于鋼纖維再生混凝土優(yōu)越的力學(xué)性能、良好的經(jīng)濟效果與廣闊的應(yīng)用前景，其已成為時下研究的熱點[8]。

為了提升試驗效率、節(jié)省試驗用度，部分學(xué)者對RAC進行正交試驗研究。金寶宏等[9]利用正交試驗，以再生骨料(RA)替代率、粉煤灰(FA)替代率和鋼纖維(SF)體積率為因素，研究其對混凝土坍落度、抗壓強度和劈拉強度的作用規(guī)律。唐德勝等[10]以RA、SF和橡膠顆粒摻量等為因素設(shè)計正交試驗方案，研究其對RAC劈拉和抗折強度的影響。張學(xué)兵等[11]利用正交試驗方法研究了RA替代率、FA替代率和SF體積率對RAC抗壓、劈拉和抗折強度的影響。可見目前正交試驗方案中的指標(biāo)多為RAC的強度，而缺少以拉壓比和折壓比為指標(biāo)的正交試驗研究。拉壓比(劈拉與抗壓強度之比)是衡量混凝土延性的指標(biāo)之一，其值越大，表明混凝土的延性越好；折壓比(抗折與抗壓強度之比)是衡量混凝土韌性的指標(biāo)之一，其值越大，表明混凝土的韌性越好。

基于此，本文在湘潭大學(xué)張學(xué)兵教授正交試驗研究的基礎(chǔ)上，以RA替代率、FA替代率和SF體積率為因素，研究其對RAC的拉壓比和折壓比2個指標(biāo)的影響規(guī)律，為RAC的理論研究提供參考。

1 試驗概況

設(shè)計L16(43)正交試驗方案，確定3個因素：RA替代率(因素A)、FA替代率(因素B)和SF體積率(因素C)，每個因素對應(yīng)4個水平，試驗因素與水平見表1。試驗所用原材料、配合比設(shè)計、試件制作與試驗方法詳見文獻[11]，RAC的28 d抗壓、劈拉、抗折強度測試結(jié)果見表2。

表1 試驗因素與水平 單位：%

表2 試驗結(jié)果[11]

注：因素A、B、C下方數(shù)字1—4表示水平，括號中數(shù)字表示對應(yīng)因素水平的數(shù)值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 直觀分析

由表2可知，當(dāng)RA替代率為100%，F(xiàn)A替代率為0%，SF體積率為1.8%時，抗壓強度、劈拉強度與抗折強度均取得最大值；當(dāng)RA替代率為30%，F(xiàn)A替代率為20%，SF體積率為1.8%時，拉壓比與折壓比均取得最大值，此時RAC的延性與韌性較好。可見RAC的最佳強度組合與最佳延性、韌性組合不同，僅分析最佳強度組合是不合理的，應(yīng)對最佳延性、韌性組合進行分析。

2.2 極差分析

對試驗結(jié)果進行極差分析，可得到各因素對試驗指標(biāo)的影響從大到小的排隊。表3為正交試驗極差。

表3 正交試驗極差 ×10-2

由表可知，各因素對拉壓比的影響由大到小依次為C>B>A，即SF體積率>FA替代率>RA替代率；各因素對折壓比的影響由大到小依次為C>A>B，即SF體積率>RA替代率>FA替代率。SF體積率對RAC拉壓比與折壓比的影響均最大，且二者的極差值較接近，其余2個因素中，F(xiàn)A替代率對混凝土延性的作用較大，而RA替代率對混凝土韌性的作用較大。

2.3 層次分析

對試驗結(jié)果進行層次分析，可得到各個水平對試驗指標(biāo)的影響權(quán)重值，見表4。

表4 各個水平對拉壓比與折壓比的影響權(quán)重值

由表可知，在RA替代率的4個水平中，A1(0%)對拉壓比的影響權(quán)重值最大，A2(30%)對折壓比的影響權(quán)重值最大；在FA替代率的4個水平中，B3(20%)對拉壓比與折壓比的影響權(quán)重值均最大；在SF體積率的4個水平中，C4(1.8%)對拉壓比與折壓比的影響權(quán)重值均最大。可見，組合為A1B3C4時，RAC的延性較好；組合為A2B3C4時，RAC的韌性較好。

2.4 因素指標(biāo)分析

對試驗結(jié)果進行因素指標(biāo)分析，可得到試驗指標(biāo)隨因素水平的變化規(guī)律。由表2可計算出每一因素各個水平下拉壓比與折壓比的平均值，見圖1、2。

圖1 各因素與拉壓比的關(guān)系

圖2 各因素與折壓比的關(guān)系

由圖1可知，隨著RA替代率的增加，拉壓比逐漸呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)RA替代率從0增加到100%時，拉壓比下降3.7%。這是因為RA在制備的過程中會產(chǎn)生初始損傷，內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，界面會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致RAC的延性降低[12]。由圖2可知，當(dāng)RA替代率從0增加到30%時，折壓比增大4.8%；從30%增加到50%時，折壓比減小9.4%；從50%增加到100%時，折壓比增大3.4%。對于RA替代率增加而折壓比出現(xiàn)短暫增大的現(xiàn)象，是因為本研究所用的粗骨料天然卵石表面比較光滑，而RA的表面比較粗糙，因此RA與混凝土新砂漿之間產(chǎn)生的黏聚力較大[13]。

當(dāng)FA替代率從0增加到20%時，拉壓比、折壓比逐漸增大，拉壓比增加9.8%，折壓比增加4.7%；當(dāng)FA替代率從20%增加到30%時，拉壓比、折壓比逐漸減小，拉壓比減少5.3%，折壓比減少1.9%。這是因為適量的FA水化反應(yīng)會產(chǎn)生大量的凝膠，填充骨料間隙，進一步改善顆粒級配，使再生混凝土的延性與韌性得到增強；而FA替代率較大時，水泥摻量減小，水泥水化產(chǎn)物不足以激發(fā)FA的活性，使RAC的延性與韌性降低[14]。

當(dāng)SF體積率從0增加到1.8%時，拉壓比、折壓比逐漸增大，拉壓比增加45.6%，折壓比增加26.0%。這是因為鋼纖維可以在混凝土受荷過程中吸收大量能量，減小混凝土基體中微細裂縫端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，抑制裂縫的產(chǎn)生與擴展，提高了RAC的延性與韌性[15]。

2.5 方差分析

對試驗結(jié)果進行方差分析，可得到因素對指標(biāo)影響的顯著性程度。RAC拉壓比與折壓比的方差分析結(jié)果見表5、6。

表5 拉壓比的方差分析

表6 折壓比的方差分析

注：①當(dāng)F>F0.05(3,3)時，表示因素為重要顯著因子，記作**；②當(dāng)F0.05(3,3)>F>F0.10(3,3)時，表示因素為一般顯著因子，記作*；③當(dāng)F

由表5可知，SF體積率和FA替代率對拉壓比均有顯著影響，其中SF體積率為主要影響因子，F(xiàn)A替代率次之，RA替代率的影響最小；由表6可知，僅SF體積率對折壓比有顯著影響，RA替代率次之，F(xiàn)A替代率最小，且后兩者的影響接近。可見以上分析與極差分析結(jié)果相符合。

對顯著因子應(yīng)取最好的水平，對不顯著因子的水平可以任意選取。從延性與韌性方面考慮，對因素B選取水平3(20%)，因素C選取水平4(1.8%)，考慮RAC的使用可節(jié)省自然骨料資源且環(huán)保，對因素A選取水平4(100%)，即認為在鋼纖維再生混凝土中可加大RA的替代率，因此最佳組合為A4B3C4。

3 結(jié)論

a) 由直觀分析可知，當(dāng)RA替代率為30%，F(xiàn)A替代率為20%，SF體積率為1.8%時，拉壓比與折壓比均取得最大值，此時RAC的延性與韌性較好。

b) 由極差分析可知，SF體積率對拉壓比的影響最大，其次是FA替代率，最后是RA替代率；SF體積率對折壓比的影響最大，其次是RA替代率，最后是FA替代率。

c) 由層次分析可知，在RA替代率的4個水平中，A1(0%)對拉壓比的影響權(quán)重值最大，A2(30%)對折壓比的影響權(quán)重值最大；在FA替代率的4個水平中，B3(20%)對拉壓比與折壓比的影響權(quán)重值均最大；在SF體積率的4個水平中，C4(1.8%)對拉壓比與折壓比的影響權(quán)重值均最大。

d) 由因素指標(biāo)分析可知，隨著RA替代率的增加，拉壓比下降3.7%，折壓比先增大4.8%再減小9.4%后增大3.4%；隨著FA替代率的增加，拉壓比先增加9.8%后減少5.3%，折壓比先增加4.7%后減少1.9%；隨著SF體積率的增加，拉壓比增加45.6%，折壓比增加26.0%。

e) 由方差分析可知，SF體積率和FA替代率對拉壓比均有顯著影響，僅SF體積率對折壓比有顯著影響，RAC的最佳組合為A4B3C4。