基于正交試驗(yàn)的植生型再生混凝土配合比優(yōu)化研究

金耀華，趙延春，王 兵，范衛(wèi)玲

(1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000；2. 揚(yáng)州華正建筑工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

隨著環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展和人與自然和諧共生的理念日益深入人心，國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸研究再生混凝土生態(tài)化，通過(guò)控制再生混凝土孔隙率、堿環(huán)境、抗壓強(qiáng)度和透水、透氣性，并選擇合適的植物種植在再生混凝土中，發(fā)展形成植生型再生混凝土.該新型綠色建筑材料可廣泛用于護(hù)坡、護(hù)堤、城市停車場(chǎng)、人行道、休閑綠地、住宅小區(qū)以及屋頂綠化等，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境具有重要作用.

植生型再生混凝土其配合比設(shè)計(jì)與普通混凝土有很大區(qū)別，在集料級(jí)配組成、水泥用量及水膠比等方面都有一些特殊的要求，既要保證有較高的孔隙率保證植物生長(zhǎng)空間，又要保證用于護(hù)坡、綠化等用途的力學(xué)強(qiáng)度，此外考慮植物生長(zhǎng)的pH環(huán)境與混凝土高堿性存在矛盾，需額外添加礦物外摻料進(jìn)行降堿[1-7].王桂玲[8]提出了植生型混凝土的技術(shù)指標(biāo)及指標(biāo)范圍，王成名[9]、劉君實(shí)[10]、韓健[11]開(kāi)展了廢棄磚瓦骨料制備植生型混凝土的試驗(yàn)研究，廖文宇[12]、高婷[13]等研究了生態(tài)混凝土的降堿技術(shù)，但以廢棄混凝土為骨料的植生再生混凝土研究開(kāi)展較少，其中對(duì)孔隙率、水膠比、礦物外摻量3種因素對(duì)植生型再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、孔隙率、pH值等指標(biāo)影響的主次次序及規(guī)律，缺乏系統(tǒng)的研究.

研究以目標(biāo)孔隙率、水膠比、硅粉摻量和增稠劑摻量四種因素，開(kāi)展多因素正交試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定抗壓強(qiáng)度、孔隙率、pH值等指標(biāo)值，分析其影響規(guī)律，確定因素主次之分及最佳配合比，以期為植生型再生混凝土進(jìn)一步應(yīng)用推廣提供參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

(1)水泥：選用江蘇省揚(yáng)州市綠楊水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，密度為2.95 g/cm3.

(2)粗骨料：采用再生碎石骨料，所用的骨料由廢棄混凝土破碎、篩分、水洗及烘干而成，粒徑為5～16 mm單級(jí)配，其中粒徑為5～10 mm與粒徑為10～16 mm的再生粗骨料的質(zhì)量比為3∶17.經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出：骨料的表觀密度ρ為2 722 kg/m3，緊密堆積密度ρG為1 462 kg/m3，緊密堆積空隙率Vc為46%.

(3)硅灰：平均粒徑：0.1～0.3 μm,容重1 670 kg/m3，其中SiO2質(zhì)量百分含量為97.35%.

(4)拌和用水：揚(yáng)州市自來(lái)水公司自來(lái)水.

(5)增稠劑：采用羥丙基甲基纖維素醚，粒徑270～380 μm，密度：1.39 g/cm3.

(6)減水劑：采用聚羧酸高效減水劑，減水率為20%，添加量為膠材的1%，對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取目標(biāo)孔隙率、水膠比、硅灰摻量及增稠劑摻量作為影響因素，其中硅灰、增稠劑以膠材質(zhì)量的百分比外摻，每個(gè)因素選擇四個(gè)水平，因素水平見(jiàn)表1.試驗(yàn)采用正交表L16(44)，安排16組試驗(yàn)組合.

表1 正交試驗(yàn)因素及水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

1.3 配合比設(shè)計(jì)計(jì)算

因植生型再生混凝土本質(zhì)上是多孔混凝土，其配合比計(jì)算可采用絕對(duì)體積法方法[5]，即：膠結(jié)材漿體體積+粗骨料體積+目標(biāo)孔隙體積=1 m3，考慮本試驗(yàn)中涉及到硅灰外摻料,按照摻量換算對(duì)應(yīng)的體積計(jì)入膠結(jié)材料體體積，具體步驟可按公式(1)～(7)[7]計(jì)算得到.

(1)單位體積粗骨料用量的計(jì)算，為

WG=α·ρG

(1)

式中：WG為單位立方米粗骨料用量(kg/m3)；ρG為修正系數(shù)，本文取0.98.

(2)單位立方米膠結(jié)材漿體體積的計(jì)算，為

Vp=[1-α·(1-Vc)-Rvoid]·1 000

(2)

式中：VP為膠結(jié)材漿體體積(L/m3)；VC為骨料緊密堆積空隙率(%)；Rvoid為設(shè)計(jì)目標(biāo)孔隙率(%).

(3)單位立方米膠材用量的計(jì)算(考慮外摻料)，為

(3)

Wc=(1-β1)·W

(4)

Ws=β1·W

(5)

式中：W為單位立方米膠材用量(kg/m3)；Wc為單位立方米水泥用量(kg/m3)；Ws為單位立方米外摻料用量(kg/m3)；RW/C為水灰(膠)比；ρc為水泥密度(kg/m3)；ρs為外摻料密度(kg/m3)；β1為外摻料質(zhì)量百分比參量(%).

(4)單位立方米水用量的計(jì)算，為

Ww=W·Rw/c

(6)

式中：Ww為單位立方米水用量(kg/m3).

(5)單位立方米添加劑用量的計(jì)算，為

Wt=β2·W

(7)

式中：Wt為單位立方米添加劑用量(kg/m3)；β2為添加劑質(zhì)量百分比參量(%).

按上述步驟，分別設(shè)計(jì)計(jì)算16組的試驗(yàn)配合比用量，結(jié)果見(jiàn)表2.

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 數(shù)據(jù)測(cè)定結(jié)果

測(cè)定試件有效孔隙率、立方體抗壓強(qiáng)度、pH值三個(gè)性能考察指標(biāo).有效孔隙率測(cè)定，試件采用邊長(zhǎng)為100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，2個(gè)試件為一組，按下式計(jì)算得出其有效孔隙率.

(8)

式中：A為試件有效孔隙率，%；M1為浸泡在水中并吸水飽和后水中的重量，kg；M2為試件烘干后放置于(20±2)℃、相對(duì)濕度(60±5)%條件下24 h后稱量其空氣中重量，kg；V為采用游標(biāo)卡尺測(cè)量并計(jì)算所得的試件外觀體積，cm3；ρw為水的密度，kg/cm3.

抗壓強(qiáng)度按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081-2019，測(cè)定28 d立方體抗壓強(qiáng)度.

測(cè)定pH值：將邊長(zhǎng)100 mm立方體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d，將其破碎，充分研磨，過(guò)0.08 mm篩，稱取10 g準(zhǔn)備好的粉體試樣，到入100 ml的蒸餾水，每隔約5 min振動(dòng)均勻一次，2 h之后用濾紙過(guò)濾，使用酸堿儀測(cè)定濾液的pH值.按上述試驗(yàn)方法，測(cè)得各組試件的考察指標(biāo)值，見(jiàn)表2.

2.2 數(shù)據(jù)分析

為綜合分析各因素水平下的指標(biāo)值，將表2中各因素水平下的指標(biāo)平均值整理，見(jiàn)表3.將表2中各組指標(biāo)觀測(cè)值進(jìn)行極差分析和方差分析，見(jiàn)表4、表5.根據(jù)表3繪制出各考察指標(biāo)的趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖1～圖3.從表3～表5和圖1～圖3可知：

表2 正交設(shè)計(jì)、配合比安排及考察指標(biāo)數(shù)值表Tab.2 Numerical table of orthogonal design, mix proportion arrangement and evaluation index

表3 各因子水平組下的考察指標(biāo)平均值Tab.3 The mean value of the indexes under each factor level group

表4 各考察指標(biāo)的極差值及因子主次順序Tab.4 The range and factor order of each index

表5 各考察指標(biāo)方差分析Tab.5 Theanalysis of variance of each index

圖1 實(shí)測(cè)孔隙率趨勢(shì)圖Fig.1 The measured porosity of trend map

圖2 抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)圖Fig.2 The compressive strength of trend map

圖3 pH值趨勢(shì)圖Fig.3 The pH of trend map

(1)實(shí)測(cè)孔隙率與目標(biāo)孔隙率存在著特別顯著關(guān)系.當(dāng)目標(biāo)孔隙率25%時(shí)，達(dá)到最小實(shí)測(cè)孔隙比22.68%，目標(biāo)孔隙率40%時(shí)，達(dá)到最大實(shí)測(cè)孔隙比36.98%，隨著目標(biāo)孔隙率的增大，實(shí)測(cè)孔隙率隨著顯著增大，顯著成正相關(guān)關(guān)系.水膠比對(duì)實(shí)測(cè)孔隙率影響不顯著，數(shù)值保持在30%左右，變化幅度較小，基本成水平直線分布，隨著水膠比的增大，實(shí)測(cè)孔隙率略有增大.硅灰摻量對(duì)實(shí)測(cè)孔隙率影響微乎其微，數(shù)值保持在30%左右，變化幅度較小，基本成水平直線分布.增稠劑添量對(duì)實(shí)測(cè)孔隙率影響不顯著，隨著增稠劑添量的增大，實(shí)測(cè)孔隙率略有下降;

(2)28 d抗壓強(qiáng)度與目標(biāo)孔隙率存在特別顯著關(guān)系.當(dāng)目標(biāo)孔隙率25%時(shí)，達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度13.80 MPa，目標(biāo)孔隙率40%時(shí)，達(dá)到最小抗壓強(qiáng)度6.10 MPa，隨著目標(biāo)孔隙率的增大，28 d抗壓強(qiáng)度隨著顯著減小，成負(fù)相關(guān)關(guān)系.水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不顯著，強(qiáng)度保持10 MPa左右，變化幅度小，基本成水平直線分布；硅灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度微乎其微，變化幅度小，數(shù)值保持10 MPa左右，基本成水平直線分布.增稠劑添量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不顯著，隨著增稠劑添量的增加，抗壓強(qiáng)度存在下降的趨勢(shì);

(3)pH值與目標(biāo)孔隙率存在特別顯著關(guān)系，目標(biāo)孔隙率25%時(shí)，pH值達(dá)到最大值10.60，目標(biāo)孔隙率40%時(shí)，pH值達(dá)到最大值9.61，隨著目標(biāo)孔隙率的增大，pH值隨著顯著減小，成負(fù)相關(guān)關(guān)系.水膠比對(duì)pH值影響不顯著，數(shù)值保持在10左右，變化幅度小，基本成水平直線分布；隨著水膠比的增大，pH值有所減小.硅灰摻量對(duì)pH值存在顯著關(guān)系，變化幅度大，當(dāng)硅灰摻量為0%時(shí)，存在最大值10.59；當(dāng)硅灰摻量7%，存在最小值9.93，顯著成負(fù)相關(guān)關(guān)系，原因是硅粉中含有大量SiO2,能和混凝土Ca(OH)2繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)生成新的水化硅酸鈣，減少Ca(OH)2含量，從而降低混凝土堿性.增稠劑添量對(duì)pH值影響微乎其微，變化幅度小.

3 最優(yōu)配合比確定

從上述極差和方差分析可以看出實(shí)測(cè)孔隙率與目標(biāo)孔隙率正相關(guān)，28 d抗壓強(qiáng)度與目標(biāo)孔隙成負(fù)相關(guān)，兩者存在矛盾之處，對(duì)于最優(yōu)配合比的確定不能完全按極差和方差的分析為最終結(jié)果，需考慮植生型再生混凝土的性能要求，采用綜合因素考慮方法來(lái)確定.參照文獻(xiàn)[2]植生混凝土的各指標(biāo)范圍，見(jiàn)表6.

表6 各考察指標(biāo)范圍Tab.6 The range of indicators

從表3、表6中可知：(1)目標(biāo)孔隙率水平因子A1、A2、A3、A4的實(shí)測(cè)孔隙率均大于21%；水平因子A1、A2的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到10 MPa以上，水平因子A3、A4未達(dá)到10 MPa；考察pH值指標(biāo)數(shù)值，水平因子A1、A2、A3、A4的pH值均大于9，但趨勢(shì)逐漸減少；(2)水膠比水平因子B1、B2、B3、B4的實(shí)測(cè)孔隙率均大于21%；28 d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)中只有B2達(dá)到10 MPa以上；水平因子B1、B2、B3、B4的pH值均大于9，且相差不大；(3)硅灰摻量水平因子C1、C2、C3、C4的實(shí)測(cè)孔隙率均大于21%，水平因子C1、C2的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到10 MPa以上，水平因子C1、C2、C3、C4的pH值均大于9，隨著硅灰摻量增加pH值逐漸減少，C4的pH值最接近9；(4)增稠劑添量水平因子D1、D2、D3、D4的實(shí)測(cè)孔隙率均大于21%；28 d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)中有D1、D2達(dá)到10 MPa以上；水平因子D1、D2、D3、D4的pH值均大于9，D2的pH值最小.

綜上所述，經(jīng)綜合因素考慮，可確定最終優(yōu)化組合為：A2B2C4D2，即選擇目標(biāo)孔隙率30%，水膠比0.32，硅灰摻量7%，增稠劑添量1‰.因所分析出來(lái)的最優(yōu)方案A2B2C4D2并未包括在已經(jīng)做過(guò)的16組試驗(yàn)中，故應(yīng)按照這個(gè)最優(yōu)方案做一次驗(yàn)證試驗(yàn).按照前面配合比設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)其配合比，其單位立方米用量為：再生粗骨料1 432.8 kg，水泥227.8 kg，硅灰摻量17.1 kg，水83.3 kg，增稠劑添量0.24 kg.測(cè)定其實(shí)測(cè)孔隙率、28 d抗壓強(qiáng)度和pH值，數(shù)值見(jiàn)表7.

表7 最優(yōu)組合A2B2C4D2各指標(biāo)數(shù)值Tab.7 The optimal combination A2B2C4D2 index value

根據(jù)表7所示：最優(yōu)方案A2B2C4D2在實(shí)測(cè)孔隙率、28 d抗壓強(qiáng)度能符合要求，pH值不能符合要求.對(duì)于pH值的問(wèn)題，本文采用測(cè)定的方法是研磨法，本質(zhì)上是測(cè)定了混凝土本身的pH值，而對(duì)于植生型混凝土，影響植物生產(chǎn)環(huán)境的pH值還取決于孔隙中種植基質(zhì)的pH值，可以通過(guò)配制酸性種植基質(zhì)進(jìn)一步解決，而最優(yōu)方案A2B2C4D2的pH值已達(dá)到9.95，距離pH值9.0以內(nèi)目標(biāo)相差不遠(yuǎn)，為進(jìn)一步降堿打下了基礎(chǔ).

4 結(jié)論

(1)目標(biāo)孔隙率是首要控制因素，對(duì)實(shí)測(cè)孔隙率、28 d抗壓強(qiáng)度和pH值都有特別顯著影響，并和實(shí)測(cè)孔隙率成正相關(guān)關(guān)系，與28 d抗壓強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，與pH值成負(fù)相關(guān)關(guān)系.目標(biāo)孔隙率是配制植生型再生混凝土產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù);

(2)本文試驗(yàn)配制的植生型再生混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)15.4 MPa，平均值達(dá)到10 MPa以上，能滿足以植生為主的護(hù)坡混凝土強(qiáng)度指標(biāo)要求;

(3)硅灰摻量對(duì)pH值有顯著影響，隨著硅灰摻量的增加，能明顯降低pH值，本試驗(yàn)中當(dāng)硅灰摻量達(dá)到最大值7%時(shí)，pH值為9.93，但仍不能滿足植物生長(zhǎng)的pH值6～9之間要求，需要進(jìn)一步增大硅灰摻量，或者采取后期的降堿措施，滿足pH值要求;

(4)綜合多因素分析，本文試驗(yàn)研究給出的最優(yōu)組合是A2B2C4D2：目標(biāo)孔隙率采用30%、水膠比采用0.32、硅粉摻量采用7%、以及增稠劑量采用1‰.