基于正交實(shí)驗(yàn)的混凝土力學(xué)特性及配比優(yōu)化研究

王文璟

(銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院,銅陵 244000)

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建筑垃圾成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問題。減少建筑垃圾是建立和諧社會(huì)、共創(chuàng)美好家園的重要舉措,也是廣大人民群眾共同的心愿。作為資源消耗較大的產(chǎn)業(yè),建筑產(chǎn)業(yè)更加迫切地需要找到一條健康可持續(xù)發(fā)展道路。再生混凝土是用廢棄材料制成的綠色建筑材料,可以實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的回收再利用,在不損害環(huán)境的前提下節(jié)約資源,減少建筑垃圾,有利于實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。在此背景下,針對(duì)再生混凝土特性進(jìn)行研究,具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文重點(diǎn)研究了再生混凝土力學(xué)特性及配比優(yōu)化設(shè)計(jì),為構(gòu)建完善的再生混凝土規(guī)范提供參考。

一、試驗(yàn)原材料及其性能

1.水泥。采用河南輝縣孟電集團(tuán)生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,密度為3.1g/cm3。

2.粉煤灰。采用武漢鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰,密度為2.1g/cm3。

3.細(xì)骨料。選用緊密密度1610kg/m3、堆積密度1420kg/m3、質(zhì)量與表觀體積之比為2760kg/m3的中砂,其中包含0.2%的泥塊,含泥量0.9%,細(xì)度模數(shù)2.7[1]。

4.粗骨料。包含天然骨料、再生骨料。再生骨料采用回收的廢棄C45混凝土。經(jīng)過一定的破碎、篩選處理,按照不同粒徑比例配比,最終獲得符合要求的再生骨料。

5.減水劑。棕褐色液體,減水率15%。

二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)配比

(一)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了降低試驗(yàn)的工作強(qiáng)度,減少工作量,本次研究采用正交試驗(yàn)法,通過適當(dāng)降低試驗(yàn)頻次,將資源集中于典型試驗(yàn),科學(xué)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)主要研究水膠比、再生骨料取代率、煤粉灰取代率這三個(gè)因素。

(二)配合比設(shè)計(jì)

再生混凝土表觀密度和普通混凝土明顯不同,因此不適合使用質(zhì)量法計(jì)算再生混凝土配合比。本次試驗(yàn)研究以普通混凝土配合比設(shè)計(jì)作為參考模板,采用絕對(duì)體積法對(duì)再生混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)流程如下:

1.混凝土配制強(qiáng)度設(shè)計(jì)

其中,fcu,k代表混凝土配制強(qiáng)度;σ代表混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差,依據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)確定;fcu,o代表混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度[2]。

2.水灰比設(shè)計(jì)

參考普通混凝土配合比設(shè)計(jì)原理,運(yùn)用鮑羅米公式計(jì)算得到水灰比。本次試驗(yàn)的水灰比為0.6、0.5、0.4、0.3。

3.單位體積用水量設(shè)計(jì)

依照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,再生粗骨料的粒徑最大值為31.5mm,坍落度必須符合泵送要求,控制在90～120mm。根據(jù)相關(guān)規(guī)范、坍落度要求,確定單位體積再生混凝土用水量為210kg/m3。

4.水泥用量設(shè)計(jì)

結(jié)合水灰比、單位體積用水量可以計(jì)算出水泥用量,其用量不超過550kg/m3。

5.砂率設(shè)計(jì)

參考普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范可以初步確定砂率。坍落度每增加20mm,可以增加1%砂率。

6.砂石用量設(shè)計(jì)

依據(jù)粗細(xì)骨料表觀密度以及明確的用量,運(yùn)用體積法可以計(jì)算出砂石質(zhì)量。

7.減水劑用量設(shè)計(jì)

根據(jù)占水泥的比例確定減水劑用量。

三、再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)研究的力學(xué)性能主要包括坍落度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量四個(gè)。根據(jù)當(dāng)前規(guī)范進(jìn)行正交試驗(yàn),盡量確保人員固定,控制記載速率。

(一)坍落度試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)獲得坍落度試驗(yàn)結(jié)果,各組再生混凝土的坍落度,如表1所示。對(duì)其進(jìn)行正交試驗(yàn)極差分析,根據(jù)分析結(jié)果可以看出,水膠比的改變對(duì)再生混凝土坍落度的影響比再生骨料取代率發(fā)生改變產(chǎn)生的影響更大,而粉煤灰取代率改變對(duì)再生混凝土坍落度影響很小[3]。

表1 再生混凝土的坍落度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)坍落度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)極差分析,結(jié)果如表2所示。

表2 再生混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果極差分析

續(xù)表2

根據(jù)以上極差分析結(jié)果可知,水膠比變化對(duì)再生混凝土坍落度的影響程度更大,粉煤灰取代率變化對(duì)其影響相對(duì)較小。計(jì)算因素各水平對(duì)坍落度的影響權(quán)重并進(jìn)行比較,如圖1所示,W/C為水膠比,RA%為再生骨料取代率,FA%為粉煤灰取代率。

圖1 因素各水平對(duì)坍落度的影響權(quán)重

采用正交設(shè)計(jì)助手軟件對(duì)坍落度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表3所示。

表3 塌落度試驗(yàn)結(jié)果方差分析

從方差分析結(jié)果得出

1.水膠比提高時(shí),坍落度將大幅提高,而再生骨料取代率增大會(huì)顯著降低再生混凝土坍落度;對(duì)混凝土流動(dòng)性有影響的因素主要包括水膠比、溫度、時(shí)間、砂率、材質(zhì)等。本次試驗(yàn)中除溫度和時(shí)間、粉煤灰取代率、水膠比不同,其他因素都保持不變。

2.當(dāng)水膠比、單位體積用水量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí),添加再生骨料會(huì)降低坍落度,因?yàn)樵偕橇媳砻娲植凇⒖紫堵瘦^大,吸水性強(qiáng)。本次試驗(yàn)對(duì)再生骨料做了一定的預(yù)處理,使再生骨料以理想狀態(tài)進(jìn)行拌和,以免因?yàn)槲杂绊懓韬陀盟Ｔ偕橇咸砑恿吭酱?坍落度變小,表示其形狀對(duì)混凝土性能有較大影響[4]。

3.即使煤粉灰的添加量比較大,再生混凝土中坍落度也只是稍微降低,變化不明顯。如果想要提升再生混凝土坍落度,可以調(diào)整水膠比或添加一些外加劑,可采用“雙摻”手段配制泵送混凝土。

(二)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得不同齡期再生混凝土的抗壓強(qiáng)度,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。水膠比的改變對(duì)于各個(gè)齡期的再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響比其他兩種因素的影響更大,其中煤粉灰取代率發(fā)生改變時(shí)造成的影響最小。對(duì)于普通混凝土,粉煤灰取代率的變化對(duì)不同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度都有影響。粉煤灰取代率越大,水泥用量越小,使混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

1.當(dāng)粉煤灰取代率從0上升到40%時(shí),普通混凝土抗壓強(qiáng)度持續(xù)降低,而再生混凝土抗壓強(qiáng)度沒有明顯變化。在滿足混凝土使用要求的基礎(chǔ)上,可保持水膠比、再生骨料取代率不變,提升粉煤灰取代率配制混凝土,以達(dá)到降低成本的目的。

2.水膠比與抗壓強(qiáng)度成反比,再生骨料取代率與抗壓強(qiáng)度也成反比,但降低程度沒有水膠比導(dǎo)致的變化那么明顯。

3.忽略粉煤灰取代率的影響,水膠比越大再生骨料取代率的對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響越小。如果再生混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度很低,則配比相同的再生混凝土抗壓強(qiáng)度可能比天然骨料混凝土強(qiáng)度更高。

(三)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過試驗(yàn)獲得劈裂抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行正交試驗(yàn)極差分析。根據(jù)分析結(jié)果可以看出:

1.水膠比對(duì)28d再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響比再生骨料取代率對(duì)28d再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響更大。粉煤灰取代率的影響最小。對(duì)于90d再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度,水膠比是最主要的影響因素。

2.對(duì)于28d、90d的再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度,粉煤灰?guī)缀鯖]有影響。再生骨料取代率變大,28d再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)降低。而對(duì)于90d天再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度,再生骨料取代率幾乎沒有影響。可見隨著齡期增加,再生骨料混凝土增強(qiáng)了劈裂抗拉強(qiáng)度,再生骨料取代率越高這樣的強(qiáng)化效應(yīng)越強(qiáng),使再生骨料取代率這個(gè)因素的影響權(quán)重減小。

3.隨著水膠比的增加,28d、90d的再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度變小。其中,28d齡期的再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度受到再生骨粒取代率的影響沒有水膠比帶來的影響更小。

(四)抗折試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過試驗(yàn)獲得抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行正交試驗(yàn)極差分析。根據(jù)分析結(jié)果可以看出:

一是水膠比對(duì)于各個(gè)齡期的再生混凝土抗折強(qiáng)度的影響比再生骨料取代率更顯著,粉煤灰取代率的影響最小;

二是再生骨料取代率與抗折強(qiáng)度成反比,和劈裂抗拉強(qiáng)度相似,齡期越長(zhǎng),再生混凝土的強(qiáng)度發(fā)展到后期,再生骨料對(duì)抗折強(qiáng)度起到明顯的增強(qiáng)效應(yīng)。

(五)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過試驗(yàn)獲得彈性模量數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行正交試驗(yàn)極差分析。根據(jù)分析結(jié)果可以看出:

1.不同齡期的再生混凝土彈性模量受到水膠比的影響最大,再生骨料取代率次之,粉煤灰取代率變最小。

2.粉煤灰取代率在0%～40%之間變化時(shí),28d、90d的再生混凝土彈性模量沒有受到影響,因此通過添加大量的粉煤灰用于普通混凝土獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

3.水膠比、再生骨料取代率與彈性模量成反比。

四、結(jié)語

綜上所述,本文主要研究了粉煤灰取代率、水膠比、再生骨料取代率對(duì)再生混凝土天力學(xué)特性的影響,并對(duì)再生混凝土配合比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。