多因素對再生混凝土力學(xué)性能及抗凍性的影響

盛朝暉，牛培飛，游文斐

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056021)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)只能以對天然骨料的濫采濫挖來滿足人們對骨料的需求。而對因大規(guī)模建筑物的拆除產(chǎn)生的大量的建筑垃圾，無法做到合理放置[1]。如果能將無法合理放置的建筑垃圾回收利用來代替天然骨料，這既能從根本上解決建筑垃圾的處置問題，又減少了對天然骨料的濫采濫挖。因此，在這種情況下，再生混凝土技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。再生混凝土，又稱再生骨料混凝土，是指一種利用再生骨料部分或者全部取代天然骨料配制出來的混凝土。

再生骨料具有孔隙率大、壓碎指標(biāo)值高、吸水率大以及強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，這在一定程度上導(dǎo)致了再生混凝土的性能明顯差于普通混凝土[2-5]。隨著天然骨料替代量的增加，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能均降低[6-10]。為彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，利用鋼纖維的增強(qiáng)增韌作用，國內(nèi)外專家采用摻入鋼纖維來提高再生混凝土的力學(xué)性能[11-15]。楊潤年等[14]研究表明摻入鋼纖維對提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度有明顯效果，但對提高抗壓強(qiáng)度影響不大。Gao等[15]認(rèn)為纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、開裂前的抗折性能與普通混凝土相似，但抗折強(qiáng)度和韌性略有提高。

另外，Zhang等[16]認(rèn)為粉煤灰可以通過填充再生粗骨料微裂縫來提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。Yaowarat等[17]發(fā)現(xiàn)摻入20%粉煤灰可以明顯提高再生混凝土的長期力學(xué)性能，并且通過SEM在粉煤灰顆粒和空隙中觀察到了膠凝產(chǎn)物。王晨霞等[18]研究結(jié)果表明：隨著粉煤灰摻量的增加，再生混凝土抗壓強(qiáng)度先增大后減小，粉煤灰摻量對抗折強(qiáng)度提高較小。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合再生混凝土力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度）的影響因素，選定鋼纖維摻量、再生粗骨料摻量和粉煤灰摻量作為再生混凝土力學(xué)性能的影響因素；結(jié)合極差分析法和方差分析法，研究影響再生混凝土力學(xué)性能各因素顯著性水平及其貢獻(xiàn)率，并建立再生混凝土力學(xué)性能的多元非線性回歸模型，通過查找文獻(xiàn)資料中再生混凝土實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證多元非線性回歸模型的準(zhǔn)確性，且對再生混凝土正交試驗(yàn)的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了再生混凝土的抗凍性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

原材料包括甘肅祁連山水泥集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的42.5級P.Ⅱ型硅酸鹽水泥、蘭州鋁廠自備電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰、江西工程纖維科學(xué)技術(shù)研究所生產(chǎn)的鋼纖維（長度為32 mm、長徑比為50.2）、自來水、蘭州化隴商品混凝土公司提供的河砂（中砂，細(xì)度模數(shù)2.70）和碎石、以及蘭州某工地廢棄混凝土提供的再生粗骨料，其化學(xué)成分和性能指標(biāo)見表 1～表 4。

表 1 水泥化學(xué)成分 %

表 2 粉煤灰化學(xué)成分 %

表 3 河砂和碎石性能指標(biāo)

表 4 再生粗骨料性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

選取再生混凝土力學(xué)性能影響因素為：鋼纖維摻量體積分?jǐn)?shù)Vs(0%，1%和2%)、再生粗骨料摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)Mr(0%，25%和50%)和粉煤灰摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)Mf(0%，15%和30%)。采用L9(33)正交試驗(yàn)來探討多因素對再生混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，表5為正交試驗(yàn)因素和水平。設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級為C40、水膠比0.45、用水量180 kg/m3以及水泥用量400 kg/m3。因此，正交試驗(yàn)法再生混凝土配合比見表6。

表 5 正交試驗(yàn)因素和水平

表 6 再生混凝土配合比

1.2.2 試件制備及試驗(yàn)方法

首先將骨料和膠凝材料進(jìn)行干拌，然后加水同時撒入纖維進(jìn)行濕拌。每組配合比制備6個立方體試塊（150 mm×150 mm×150 mm，其中 3個立方體試塊作為一組用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，3個立方體試塊作為一組用于劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)），以及3個棱柱體試塊（150 mm×150 mm×600 mm，用于抗折強(qiáng)度試驗(yàn)）。再生混凝土試件成型1 d后拆模并移入溫度(20±3) ℃、相對濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后，根據(jù)GB/T 50081—2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用YA-3000型壓力試驗(yàn)機(jī)測試再生混凝土的抗壓強(qiáng)度（fcu），采用YES-300型數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)測試再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度（fts）和抗折強(qiáng)度（fcf）。

2 結(jié)果與分析

結(jié)合極差分析法和方差分析法，研究影響再生混凝土力學(xué)性能各因素顯著性水平及其貢獻(xiàn)率，并建立再生混凝土多元非線性回歸模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了正交實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，此外進(jìn)行了再生混凝土的抗凍性試驗(yàn)研究。

2.1 抗壓強(qiáng)度

2.1.1 極差分析法

正交表和再生混凝土抗壓強(qiáng)度如表7所示。

表 7 正交表和抗壓強(qiáng)度

2.1.2 方差分析法

極差分析法無法將試驗(yàn)中由于試驗(yàn)條件改變引起的數(shù)據(jù)波動同試驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)分開來[21]。因此，為了彌補(bǔ)極差分析法的缺陷，本文采用SPSS進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)方差分析，取每組再生混凝土抗壓強(qiáng)度組作為重復(fù)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。再生混凝土28d抗壓強(qiáng)度方差分析結(jié)果如表8所示。

表 8 抗壓強(qiáng)度方差分析表

由表8可知，取顯著性水平α=0.05，鋼纖維摻量F值為4.32，sig.=2.77×10-2＜0.05；再生粗骨料摻量F值為3.97，sig.=3.54×10-3＜0.05；粉煤灰摻量F值為 12.29，sig.=3.30×10-3＜0.05。說明各因素水平改變對再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度所造成的影響均在誤差范圍內(nèi)，即水平間無顯著性差異。各影響因素F值由大到小：粉煤灰摻量＞鋼纖維摻量＞再生粗骨料摻量。粉煤灰摻量的貢獻(xiàn)率最大，為37.06%；鋼纖維摻量次之，為10.88%；再生粗骨料摻量的貢獻(xiàn)率較小，為9.75%。各影響因素對再生混凝土抗壓強(qiáng)度影響順序與極差分析法一致。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

2.2.1 極差分析法

正交表和再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度如表9所示。

表 9 正交表和劈裂抗拉強(qiáng)度

2.2.2 方差分析法

再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度方差分析結(jié)果如表10所示。

表 10 劈裂抗拉強(qiáng)度方差分析表

由表10可知，取顯著性水平α=0.05，鋼纖維摻量F值為132.88，sig.=2.82×10-12＜0.05；再生粗骨料摻量F值為5.97，sig.=9.25×10-3＜0.05；粉煤灰摻量F值為 18.15，sig.=3.20×10-5＜0.05。說明各因素水平改變對再生混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度所造成的影響均在誤差范圍內(nèi)，即水平間無顯著性差異。各影響因素F值由大到?。轰摾w維摻量＞粉煤灰摻量＞再生粗骨料摻量。鋼纖維摻量的貢獻(xiàn)率最大，為78.96%；粉煤灰摻量次之，為10.31%；再生粗骨料摻量的貢獻(xiàn)率較小，僅為3.04%。各影響因素對再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響順序與極差分析法一致。

2.3 抗折強(qiáng)度

2.3.1 極差分析法

正交表和再生混凝土抗折強(qiáng)度如表11所示。

表 11 正交表和抗折強(qiáng)度

2.3.2 方差分析法

再生混凝土抗折強(qiáng)度方差分析結(jié)果如表12所示。

表 12 抗折強(qiáng)度方差分析表

由表12可知，取顯著性水平α=0.05，鋼纖維摻量F值為65.14，sig.=1.74×10-9＜0.05；再生粗骨料摻量F值為5.60，sig.=1.17×10-2＜0.05；粉煤灰摻量F值為 15.30，sig.=9.32×10-5＜0.05。說明各因素水平改變對再生混凝土28 d抗折強(qiáng)度所造成的影響均在誤差范圍內(nèi)，即水平間無顯著性差異。各影響因素F值由大到?。轰摾w維摻量＞粉煤灰摻量＞再生粗骨料摻量。鋼纖維摻量的貢獻(xiàn)率最大，為66.78%；粉煤灰摻量次之，為14.86%；再生粗骨料摻量的貢獻(xiàn)率較小，僅為4.76%。各影響因素對再生混凝土抗折強(qiáng)度影響順序與極差分析法一致。

2.4 回歸模型

2.4.1 模型建立

本文利用1stopt1.5和Origin 9.0對再生混凝土力學(xué)性能進(jìn)行回歸分析，考慮鋼纖維摻量、再生粗骨料摻量和粉煤灰摻量作為再生混凝土力學(xué)性能的影響因素，建立的多元非線性模型如下：

1）抗壓強(qiáng)度

其中fcu,0為再生混凝土的抗壓強(qiáng)度（Vs=0，Mr=0，Mf=0），本文取 43.0 MPa。

2）劈裂抗拉強(qiáng)度

其中fts,0為再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，本文取2.70 MPa。

3）抗折抗壓

其中fcf,0為再生混凝土的抗折強(qiáng)度，本文取4.65 MPa。

2.4.2 模型驗(yàn)證

本文采用文獻(xiàn)[20]再生混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證文中式（1）～式（3）的準(zhǔn)確性。此時，再生混凝土力學(xué)性能的實(shí)測值、基于式（1）～式（3）計(jì)算值和相對誤差列見表13。從表13中可以看出：再生混凝土力學(xué)性能的實(shí)測值與計(jì)算值的最大誤差在6.5%之內(nèi)，說明建立的回歸模型具有很好的精度，也說明建立的多元非線性回歸模型是合理的。

表 13 再生混凝土力學(xué)性能的實(shí)測值、計(jì)算值和相對誤差

2.5 力學(xué)性能驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證各因素水平對再生混凝土力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度）的影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對4組配合比的再生混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，試驗(yàn)結(jié)果如表14所示。

表 14 再生混凝土配合比及力學(xué)性能

結(jié)合表 7、9、11和14，配合比 10、11和12的力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度）均小于小節(jié)2.1～2.3中得到的最優(yōu)組合比的力學(xué)性能，驗(yàn)證了正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。此外，通過配合比2、11和13對比，可知再生混凝土的力學(xué)性能隨鋼纖維摻量的增加而提高；通過配合比4、11和12對比，可知再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨再生骨料摻量的增加先提高后減小，劈裂抗拉強(qiáng)度隨再生骨料摻量的增加而提高；通過配合比5、10和11對比，可知再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加先減小后提高，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而減小。該結(jié)果與小節(jié)2.1～2.3中得到的結(jié)果是一致的，再次驗(yàn)證了正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

2.6 抗凍性試驗(yàn)

為了研究鋼纖維-再生骨料-粉煤灰體系對再生混凝土抗凍性能的影響，根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)了快速凍融試驗(yàn)，測得每25次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量（ACS-C(AE)電子天平，準(zhǔn)確度1 g）和超聲波波速（ZBL-U520A非金屬超聲檢測儀），從而計(jì)算出質(zhì)量損失和相對動彈性模量。試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，基于小節(jié) 2.1～2.4試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)抗凍性試驗(yàn)試件的配合比見表15。試件的質(zhì)量損失和相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見圖1。

圖 1 再生混凝土質(zhì)量損失和相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

表 15 再生混凝土配合比

從圖1可知隨凍融次數(shù)的增加，試件的質(zhì)量損失逐漸增大。300次凍融循環(huán)后，配合比1、配合比2和配合比3的質(zhì)量損失依次為2.1%，0.6%和0.7%，且0～300次循環(huán)內(nèi)基本保持該趨勢。說明不摻鋼纖維的再生混凝土質(zhì)量損失明顯大于摻入鋼纖維的再生混凝土質(zhì)量損失，因此鋼纖維的摻入可以提高再生混凝土的抗凍性。此外，再生粗骨料摻量為25%的再生混凝土質(zhì)量損失小于再生粗骨料摻量為50%的再生混凝土質(zhì)量損失，說明控制再生粗骨料的摻量也可以提高再生混凝土的抗凍性。

由圖1可得隨凍融次數(shù)的增加，試件的相對動彈性模量不同程度逐漸減小。300次凍融循環(huán)時，配合比1、配合比2和配合比3的相對動彈性模量依次為15.6%（凍融循環(huán)200次時相對動彈性模量為54.1%小于60%，再生混凝土已破壞），95.6%和64.6%，且0～300次循環(huán)內(nèi)基本保持該趨勢。說明不摻鋼纖維的再生混凝土相對動彈性模量明顯小于摻入鋼纖維的再生混凝土相對動彈性模量，因此鋼纖維的摻入可以提高再生混凝土的抗凍性。此外，再生粗骨料摻量為25%的再生混凝土的相對動彈性模量明顯大于再生粗骨料摻量為50%的再生混凝土的相對動彈性模量，說明控制再生粗骨料的摻量也可以提高再生混凝土的抗凍性。該結(jié)論與試件質(zhì)量損失評價參數(shù)的評價結(jié)果一致。綜上所述，鋼纖維的摻入和減少再生粗骨料的摻量均可以提高再生混凝土的抗凍性。

3 結(jié)束語

1）最優(yōu)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)組合均為：鋼纖維摻量為2%，再生骨料摻量為50%，以及粉煤灰摻量為0；最優(yōu)再生混凝土的抗折強(qiáng)度設(shè)計(jì)組合為：鋼纖維摻量為2%，再生骨料摻量為25%，以及粉煤灰摻量為0。

2）各因素對再生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響程度順序?yàn)椋悍勖夯覔搅浚句摾w維摻量＞再生骨料摻量；各因素對再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度影響程度順序均為：鋼纖維摻量＞粉煤灰摻量＞再生骨料摻量。

3）再生混凝土的力學(xué)性能隨鋼纖維摻量的增加而提高，隨粉煤灰摻量增加而降低；再生粗骨料摻量對再生混凝土的力學(xué)性能影響較小。

4）基于最優(yōu)再生混凝土組合可知，鋼纖維的摻入可提高再生粗骨料的摻量。

5）再生混凝土力學(xué)性能回歸模型能有效描述多因素對再生混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，對工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)價值。

6）鋼纖維的摻入和減少再生粗骨料的摻量均可以提高再生混凝土的抗凍性。