正交法分析再生粗骨料混凝土力學性能

(邯鄲市交通運輸局 公路勘察設計院 , 河北 邯鄲 056002)

正交法分析再生粗骨料混凝土力學性能

景茂武

(邯鄲市交通運輸局 公路勘察設計院 , 河北 邯鄲 056002)

通過正交試驗設計，計算再生粗骨料的不同取代率(0、50%、100%)、粉煤灰不同取代率(0、10%、20%)、減水劑含量的不同(0、0.5%、1%)和鋼纖維(銑削型鋼纖維和剪切啞鈴型鋼纖維)含量不同(1%銑削型鋼纖維、0.5%剪切啞鈴型鋼纖維和0.5%銑削型鋼纖維、1%剪切啞鈴型鋼纖維)4個因素(每個因素有3個水平)對再生混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度力學性能的影響，分析并評價再生混凝土的基本力學性能。

再生混凝土； 再生粗骨料； 正交法； 力學性能

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷發(fā)展，城市建設的蓬勃發(fā)展對混凝土材料的需求越來越廣泛，對于粗細骨料的需求量逐步加劇，傳統(tǒng)混凝土原材料中用量最大的砂石曾被人們認為是用之不竭的而隨意開采，目前的情況已經破壞了我國的原生態(tài)環(huán)境，阻礙并制約了我國的可持續(xù)發(fā)展。為了解決這些問題，必須尋求可替代天然砂石的新型材料，傳統(tǒng)混凝土的生產模式也必須尋求突破。在該時代大背景下，將大量的建筑垃圾回收再利用，發(fā)展新的加工工藝，研究再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete)正是在這一國家經濟建設路線轉移的要求下應運而生的[1-5]。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

再生粗骨料來源于廢棄鋼筋混凝土梁，加工后的再生粗骨料參照《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685 — 2001),測得基本性能見表1，水泥采用P.O 42.5，采用Ⅰ級粉煤灰，鋼纖維采用銑削型鋼纖維和剪切啞鈴型分別用①和②標記。并且采用FN-H高效減水劑，拌和水采用自來水，呈弱酸性。

表1 再生粗骨料的物理性能指標粒徑/mm表觀密度/(kg·m-3)堆積密度/(kg·m-3)含泥量/%吸水率/%壓碎指標/%5～2024901240068425142

1.2 試驗方法

采用正交方法進行分析。本試驗共設計有4個因素(變量)，每個因素設計3個水平，采用L9(34) 正交試驗表安排本次試驗。再生混凝土正交設計因素 — 水平表見表2。

表2 再生粗骨料混凝土正交因素—水平表水平因素A再生粗骨料含量/%B粉煤灰含量/%C鋼纖維含量/%D減水劑含量/%1 0(A1) 0(B1)1①(C1) 0(D1)2 50(A2)10(B2)05①+05②(C2)05(D2)3100(A3)20(B3)1②(C3) 1(D3)

本次試驗方法按照《普通混凝土拌和物性能試驗方法》(GB/T 50080 — 2002)，本次試驗設計采用100 mm×100 mm×100 mm試件，測得該批試件強度值均應乘以0.95的尺寸換算系數。

2 試驗結果

再生粗骨料混凝土立方體抗壓試驗及劈裂抗拉試驗結果見表3。

表3 再生粗骨料混凝土立方體抗壓強度及劈拉強度試驗結果(28d)編號水泥/kg用水量/kg砂/kg再生石子/kg天然石子/kg粉煤灰/kg纖維/kg減水劑/kg抗壓強度/MPa劈拉強度/MPaZ136018065101209078①004453．23Z2324180636012095478②164063．15Z32881806200120910839①+39②293752．84Z436018065160456045039①+39②184593．41Z5324180636604560455478①323982．99Z62881806206045604510878②003832．83Z736018065112090078②364503．45Z8324180636120905439①+39②003922．91Z92881806201209010878①143732．83

3 正交法分析試驗結果

3.1 方差分析法對再生粗骨料混凝土立方體抗壓強度進行分析

采用正交分析法中常用的采用方差法對再生粗骨料混凝土立方體抗壓強度進行分析，分析結果見表4。正交分析點圖見圖1。

表4 再生粗骨料混凝土立方體抗壓強度方差分析結果方差來源平方和自由度均方F顯著性再生粗骨料含量A3142157粉煤灰含量B263062131531134??鋼纖維含量C2662133減水劑含量D1862093誤差27072181504誤差Δ2783824 注：F>F001，因素影響特別顯著，記為“??”；F001>F>F005，因素影響顯著，記為“?”；F005>F>F010，因素有一定的影響，記為“(?)”；F010>F，因素影響不顯著。

圖1 立方體抗壓強度正交分析點圖

表4可以看出： 影響混凝土立方體抗壓強度的主次順序是B>A>C>D,即粉煤灰含量>再生粗骨料含量>纖維含量>減水劑含量。就混凝土立方體抗壓強度而言，最佳配合比為A2、B1、C2、D2。

通過圖1立方體抗壓強度正交分析點圖可以看出：

1) 隨著再生粗骨料含量、纖維含量和減水劑含量增加，再生粗骨料混凝土立方體抗壓強度變化趨勢呈現(xiàn)先是增加后下降。

2) 隨著粉煤灰含量增加，混凝土立方體抗壓強度呈一直下降趨勢，開始時下降速度相對較快，后期下降速度變緩。

3) 對混凝土立方體抗壓強度影響最大的是粉煤灰含量，再生粗骨料含量次之，纖維含量和減水劑含量影響最小。

3.2 方差分析法對再生粗骨料混凝土立方體劈裂抗拉強度進行分析

再生粗骨料混凝土劈裂抗拉強度方差分析如表5及圖2所示。

表5 混凝土劈裂抗拉強度方差分析表方差來源平方和自由度均方F顯著性再生粗骨料含量A2粉煤灰含量B1242062 279??鋼纖維含量C00120005225(?)減水劑含量D00320015675?誤差004180002

由表5可以看出： 影響混凝土劈裂抗拉強度的主次順序是B>D>C>A,即粉煤灰含量>減水劑含量>纖維含量>再生粗骨料含量。

圖2 立方體劈裂抗拉強度正交分析點圖

通過圖2劈裂抗拉強度正交分析點圖可以看出：

1) 隨著再生粗骨料含量增加，混凝土劈裂抗拉強度先是呈上升趨勢，然后開始下降，只是變化非常緩慢，該試驗結果說明再生粗骨料含量摻量變化對再生粗骨料混凝土劈裂抗拉強度影響不顯著。

2) 隨著粉煤灰含量增加，混凝土劈裂抗拉強度一直下降，且速度逐漸變慢。這是由于粉煤灰混凝土的早期強度(試驗測的是28 d強度)和普通混凝土相比較低。

3) 隨著鋼纖維與減水劑含量增加，再生粗骨料混凝土劈裂抗拉強度都是呈現(xiàn)先增加，后減小的變化趨勢，且兩者的隨摻量變化的趨勢比較接近。

4) 對混凝土劈裂抗拉強度影響最大的是粉煤灰含量，再生粗骨料含量影響最小。

纖維表面與水泥漿體之間有一個薄弱的過渡區(qū)，此時強度較低，特別是單一纖維表現(xiàn)更為突出。C1、C3對應的都是單一纖維，對應的過渡區(qū)比較單一，而C2對應的是混雜纖維，過渡區(qū)不明顯，強度相對較高。因此纖維對應的劈裂抗拉強度如劈裂抗拉強度正交分析點圖所示。

劈裂抗拉強度正交分析點圖中，摻量變化時，減水劑增加，水灰比則呈下降狀態(tài)，混凝土內部劈裂抗拉破壞形式不同。由于再生粗骨料中存在較多的裂縫裂且易遭到破壞，當水灰比較小的配合比時，水泥漿的強度相對較高，再生粗骨料遭到破壞的強度較低，因此曲線下降。

4 結論

1) 在其它條件相同的情況下，再生粗骨料混凝土的立方體抗壓強度和立方體劈裂抗拉強度隨著再生粗骨料摻量的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢。

2) 在其他條件相同的情況下，再生粗骨料混凝土立方體抗壓強度和立方體劈裂抗拉強度隨粉煤灰摻量增加而降低。

3) 粉煤灰顆粒粒徑小，在混凝土內部具有良好的物理填充性能，并具有良好的化學活性使其力學性能得到有效提高。

4) 鋼纖維的摻入對再生粗骨料混凝土具有很好的增強韌性、提高強度和阻止裂縫擴展的效果。

5) 減水劑可以使水泥顆粒分散均勻，能有效改善再生粗骨料混凝土的工作性能，提高和易性，有效降低用水量，從而提高混凝土硬度和致密性。在再生粗骨料混凝土中適量加入減水劑，可以加快工程進度和節(jié)約水泥，主要起到有效改善混凝土和易性、流動性，但是對再生粗骨料混凝土強度改善效果不明顯。

[1] 丁雪芬.廢棄混凝土在建筑工程上的回收利用[J].混凝土,2003(2):56-57.

[2] 邢振賢,蓋占方.再生混凝土技術研究及應用開發(fā)[J].華北水利水電學院報,2000(4):38-40.

[3] 陳愛玖，潘麗云，王靜，等.粉煤灰對再生混凝土性能的影響研究[J].混凝土，2010(8)：84-87.

[4] 彭獻生，陳豪吉，顏聰.再生混凝土強度性質的探討[A].王培鉻，黃兆龍，姚武.新世紀海岸兩岸高性能混凝土研究與應用學術會議論文集[M].上海：同濟大學出版社，2002.

[5] 邢振賢.再生骨料的基本性能研究[J].華北水利水電學報,1998(6)：29-31.

1008-844X(2017)03-0098-03

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2017-01-03

景茂武(1972-),男，高級工程師，主要研究方向為道路橋梁設計。