基于正交试验的再生骨料混凝土抗渗性研究

2016-03-23娄宗科张迎雪西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100

中国农村水利水电 2016年10期

张臻，娄宗科，张迎雪(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

利用再生骨料替代部分天然骨料加入混凝土中制成的再生骨料混凝土，不仅能够节约天然骨料的使用量，而且能够很好地利用废旧混凝土，减轻对环境的污染，有着良好的社会经济效益。

同时随着近年来混凝土制备技术的提高，在结构及材料设计时只重视混凝土力学性能的观点逐渐被改变[1-4]，对耐久性的研究也更加受到人们重视。由于再生骨料自身的损伤和内部微裂纹较天然骨料明显[5-7]，在研究再生骨料混凝土耐久性时对其抗渗性的研究尤为重要。国外较早开展了对再生骨料混凝土的研究：德国自二次世界大战后就已经有了将废砖破碎后掺入混凝土中制造混凝土的经验并提出了一系列再生骨料混凝土国家标准[8-10]。我国冯艳东[11]等人通过水灰比、砂率、水泥用量3因素对其配合比进行优化，研究对抗渗性的影响提出：为了使再生混凝土的抗渗性能得以提高，应尽量使水灰比降低并优化砂率和水泥的用量。刘数华、阎培渝[7]等人也通过微结构的研究提出：掺入硅粉和粉煤灰2种矿物掺合料能够很好改善再生骨料混凝土的耐久性能。

本文选择单位用水量、砂率、再生粗骨料取代率这3个因素，在保证水灰比不变的情况下安排3因素3水平正交试验，并通过试验结果建立了再生骨料混凝土渗透系数(Kr)与单位用水量、再生骨料取代率、砂率的经验公式，为再生骨料混凝土抗渗性提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料

(1)水泥。本次试验采用冀东牌复合硅酸盐水泥P·O 32.5R，水泥的部分化学成分和基本物理力学性能等相应指标均满足国家标准。

(2)集料。试验用细骨料采用杨凌渭河的中砂，表观密度为2.67 g/cm3，含泥质分数为2.21%，砂的细度模数为2.77，属中砂，级配合格；天然粗骨料采用5.0～37.5 mm连续粒径的天然渭河卵石，表观密度为2.65 g/cm3；再生粗骨料为杨凌区省饲料厂拆迁后剩余的建筑废料经人工破碎后得到，其粒径级配为5.0～37.5 mm连续粒级，且试验中的再生骨料全部为饱和面干状态。

(3)试验用水。满足规范的试验室自来水。

1.2 试验设计

本次试验以天然骨料普通混凝土C20配合比为基础，并保持配合比中固定水灰比为0.45不变，再生混凝土粗骨料颗粒按粗骨料质量替代天然粗骨料。选择单位用水量、砂率、再生粗骨料取代率这3个因素进行3因素3水平正交试验，安排9 组试验点用于测定再生骨料混凝土的渗透系数Kr，每组3 个试件，共27 个试件。试验因素水平见表1。

表1 再生骨料混凝土抗渗性试验因素水平Tab.1 The factor level of recycled aggregate concrete permeability resistance test

1.3 试验仪器及试验方法

试验仪器：试验采用人工拌合方法，抗渗性测试设备采用天津建设仪器厂生产的HS-40型混凝土渗透仪。

试验方法：本试验采用《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)规定的混凝土抗渗性试验测试。按照正交试验方法成型试块，配合比用量见表2，标准养护28 d龄期后，将黄油和水泥按照1∶1的比例混合，涂抹在抗渗试块的侧面，并将试块放入铁模中且安装在抗渗机上进行试验。保持0.8 MPa压力持续进行试验8 h，然后关机，取下抗渗试块。在试块上下两个表面顺着其各自直径的方向放上一根钢条，再整体放入压力机中劈开。取劈裂面均匀5个点的渗水高度平均值作为试块的最终渗水高度，然后按式(1)计算出渗透系数Kr，以其作为评定指标。即：

(1)

式中：Kr为渗透系数，cm/s；Dm为平均渗水高度，cm；H为水压力，以水柱高度表示，cm；T为恒压时间，s；α为混凝土的吸水率，一般为0.03。

表2 再生骨料混凝土配合比用量 kg/m3Tab.2 The dosage of recycled aggregate concrete mixture proportion

2 试验结果及分析

2.1 正交试验结果分析

2.1.1极差分析

L9 (34) 正交试验结果及极差分析详见表3。

表3 抗渗性试验极差分析Tab.3 Permeability test analysis table of range analysis

表3中：设置空列为考虑误差的影响；ki表示其水平数的均值，即ki为某个因素第i个水平的所有渗透系数之和的1/3；R=max(k1,k2,k3)-min(k1,k2,k3)，即任一列的ki最大值与最小值之差，R值越大则该因素在试验范围内对渗透系数的影响越大。

由表3可知，各因素的极差R(单位用水量)>R(骨料取代率)>R(砂率)，所以对再生骨料混凝土渗透系数影响最大的是单位用水量，其次是骨料取代率，最后是砂率，且正交分析知单位用水量越大、骨料取代越少、砂率越高时再生骨料混凝土的抗渗性越好，而单位用水量的增加也可以看做是水泥用量的增加，这与文献[1]中水灰比对再生混凝土抗渗性影响较砂率大这一结论也相符合。

将表3中得到的渗透系数与各个因素之间的关系绘成图1～3。从图1中可得出：再生骨料混凝土的渗透系数Kr，随着单位用水量的增加而逐渐降低，在单位用水量为175 kg/m3时达到最小值，且分别较165 kg/m3的单位用水量水平减小了43.4%和47.3%，其原因是在水灰比不变的情况下增加单位用水量，使新鲜水泥浆增多，而再生骨料本身表面不平整、粗糙且内部的细小微裂缝多[5,6]，增多的水泥浆能够更好地填充这些微小缺陷，使再生骨料混凝土的新旧水泥石过渡界面更加致密，同时填充的水泥浆液封堵了渗水通道使得其抗渗性增强。

图1 渗透系数与单位用水量的关系Fig.1 Permeability coefficient and unit water use

图2反应了Kr随骨料取代率增加而增长的规律，且增长的速率基本不变，分别较0%的取代率水平提高了42.9%和76.5%，这与文献[2]中小于60%取代率时抗渗性随骨料取代率增加而提高这一规律相同，同时也符合文献[12]抗渗性随骨料取代率的变化规律。其原因是再生骨料颗粒的棱角多、表面粗糙，取代天然骨料后，在再生骨料和新鲜水泥浆液之间会形成一个空隙和结晶体较多的界面过渡区，使压力水更容易通过和渗透。图3表明本次研究的砂率水平对渗透系数的影响不明显，较0.3%的砂率水平分别降低了0.6%和1.3%。

图2 渗透系数与骨料取代率之间关系Fig.2 The relationship between permeability coefficient and aggregate content

图3 渗透系数与砂率之间关系Fig.3 The relation between permeability coefficient and sand ratio

2.1.2方差分析

通过SPSS方差分析的结果见表4。表4方差来源中没有砂率项，这是因为砂率对抗渗性的影响很小，可以与误差项合并后作为整体误差进行分析。且其结果表明：方差分析的结果与极差分析结果一致，即3个影因素中单位用水量是主要因素，其对再生骨料混凝土抗渗性的影响是显著的；骨料取代率显著性检验表明F=6.31大于F2,4(0.1)=4.32，故取代率对再生混凝土抗渗性的影响也不可忽略。

表4 正交试验F分布显著性检验Tab.4 The orthogonal test of significance F is shown in table

2.2 回归分析

本次试验通过回归分析可以得到具有一定可信程度的三元非线性回归方程，能够确定单位用水量、骨料取代率和砂率这3个因素对渗透系数Kr的定量关系式。不考虑3因素之间的交互作用，可以假设回归模型为：

Kr=b0+b1x21+b2x22+b3x23+b4x1+b5x2+b6x3

(2)

式中：Kr为渗透系数；bi(i=0,1,2,3,4,5,6)为回归系数；x1为单位用水量；x2为再生骨料取代率；x3为砂率。

将表3中的数据代入模型(2)中，通过SPSS进行回归分析可得：

Kr=1.08×10-6+3.61×10-11x21-1.15×10-13x22-

1.33×10-13x23-1.248×10-8x1+

3.57×10-11x2-4.67×10-12x3

(3)

由文献[13]提供的方法，SPSS计算出三元回归方程的残差为1.36×10-18，已更正的平方和为1.43×10-17，所以R2=1-(残差/已更正的平方和)=0.905，即该方程的拟合程度为90.5%，拟合度较好。由于式(3)中x22项、x3和x23项系数较Kr过小，可忽略不计，故回归模型(3)的形势可简化为：

Kr=1.08×10-6+3.61×10-11x21-

1.248×10-8x1+3.57×10-11x2

(4)