正交法分析再生粗骨料混凝土力学性能

(邯郸市交通运输局 公路勘察设计院 , 河北 邯郸 056002)

正交法分析再生粗骨料混凝土力学性能

景茂武

(邯郸市交通运输局 公路勘察设计院 , 河北 邯郸 056002)

通过正交试验设计，计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%)、减水剂含量的不同(0、0.5%、1%)和钢纤维(铣削型钢纤维和剪切哑铃型钢纤维)含量不同(1%铣削型钢纤维、0.5%剪切哑铃型钢纤维和0.5%铣削型钢纤维、1%剪切哑铃型钢纤维)4个因素(每个因素有3个水平)对再生混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度力学性能的影响，分析并评价再生混凝土的基本力学性能。

再生混凝土； 再生粗骨料； 正交法； 力学性能

0 引言

随着城镇化进程的不断发展，城市建设的蓬勃发展对混凝土材料的需求越来越广泛，对于粗细骨料的需求量逐步加剧，传统混凝土原材料中用量最大的砂石曾被人们认为是用之不竭的而随意开采，目前的情况已经破坏了我国的原生态环境，阻碍并制约了我国的可持续发展。为了解决这些问题，必须寻求可替代天然砂石的新型材料，传统混凝土的生产模式也必须寻求突破。在该时代大背景下，将大量的建筑垃圾回收再利用，发展新的加工工艺，研究再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete)正是在这一国家经济建设路线转移的要求下应运而生的[1-5]。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

再生粗骨料来源于废弃钢筋混凝土梁，加工后的再生粗骨料参照《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685 — 2001),测得基本性能见表1，水泥采用P.O 42.5，采用Ⅰ级粉煤灰，钢纤维采用铣削型钢纤维和剪切哑铃型分别用①和②标记。并且采用FN-H高效减水剂，拌和水采用自来水，呈弱酸性。

表1 再生粗骨料的物理性能指标粒径/mm表观密度/(kg·m-3)堆积密度/(kg·m-3)含泥量/%吸水率/%压碎指标/%5～2024901240068425142

1.2 试验方法

采用正交方法进行分析。本试验共设计有4个因素(变量)，每个因素设计3个水平，采用L9(34) 正交试验表安排本次试验。再生混凝土正交设计因素 — 水平表见表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钢纤维含量/%D减水剂含量/%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)

本次试验方法按照《普通混凝土拌和物性能试验方法》(GB/T 50080 — 2002)，本次试验设计采用100 mm×100 mm×100 mm试件，测得该批试件强度值均应乘以0.95的尺寸换算系数。

2 试验结果

再生粗骨料混凝土立方体抗压试验及劈裂抗拉试验结果见表3。

表3 再生粗骨料混凝土立方体抗压强度及劈拉强度试验结果(28d)编号水泥/kg用水量/kg砂/kg再生石子/kg天然石子/kg粉煤灰/kg纤维/kg减水剂/kg抗压强度/MPa劈拉强度/MPaZ136018065101209078①004453．23Z2324180636012095478②164063．15Z32881806200120910839①+39②293752．84Z436018065160456045039①+39②184593．41Z5324180636604560455478①323982．99Z62881806206045604510878②003832．83Z736018065112090078②364503．45Z8324180636120905439①+39②003922．91Z92881806201209010878①143732．83

3 正交法分析试验结果

3.1 方差分析法对再生粗骨料混凝土立方体抗压强度进行分析

采用正交分析法中常用的采用方差法对再生粗骨料混凝土立方体抗压强度进行分析，分析结果见表4。正交分析点图见图1。

表4 再生粗骨料混凝土立方体抗压强度方差分析结果方差来源平方和自由度均方F显著性再生粗骨料含量A3142157粉煤灰含量B263062131531134∗∗钢纤维含量C2662133减水剂含量D1862093误差27072181504误差Δ2783824 注：F>F001，因素影响特别显著，记为“∗∗”；F001>F>F005，因素影响显著，记为“∗”；F005>F>F010，因素有一定的影响，记为“(∗)”；F010>F，因素影响不显著。

图1 立方体抗压强度正交分析点图

表4可以看出： 影响混凝土立方体抗压强度的主次顺序是B>A>C>D,即粉煤灰含量>再生粗骨料含量>纤维含量>减水剂含量。就混凝土立方体抗压强度而言，最佳配合比为A2、B1、C2、D2。

通过图1立方体抗压强度正交分析点图可以看出：

1) 随着再生粗骨料含量、纤维含量和减水剂含量增加，再生粗骨料混凝土立方体抗压强度变化趋势呈现先是增加后下降。

2) 随着粉煤灰含量增加，混凝土立方体抗压强度呈一直下降趋势，开始时下降速度相对较快，后期下降速度变缓。

3) 对混凝土立方体抗压强度影响最大的是粉煤灰含量，再生粗骨料含量次之，纤维含量和减水剂含量影响最小。

3.2 方差分析法对再生粗骨料混凝土立方体劈裂抗拉强度进行分析

再生粗骨料混凝土劈裂抗拉强度方差分析如表5及图2所示。

表5 混凝土劈裂抗拉强度方差分析表方差来源平方和自由度均方F显著性再生粗骨料含量A2粉煤灰含量B1242062 279∗∗钢纤维含量C00120005225(∗)减水剂含量D00320015675∗误差004180002

由表5可以看出： 影响混凝土劈裂抗拉强度的主次顺序是B>D>C>A,即粉煤灰含量>减水剂含量>纤维含量>再生粗骨料含量。

图2 立方体劈裂抗拉强度正交分析点图

通过图2劈裂抗拉强度正交分析点图可以看出：

1) 随着再生粗骨料含量增加，混凝土劈裂抗拉强度先是呈上升趋势，然后开始下降，只是变化非常缓慢，该试验结果说明再生粗骨料含量掺量变化对再生粗骨料混凝土劈裂抗拉强度影响不显著。

2) 随着粉煤灰含量增加，混凝土劈裂抗拉强度一直下降，且速度逐渐变慢。这是由于粉煤灰混凝土的早期强度(试验测的是28 d强度)和普通混凝土相比较低。

3) 随着钢纤维与减水剂含量增加，再生粗骨料混凝土劈裂抗拉强度都是呈现先增加，后减小的变化趋势，且两者的随掺量变化的趋势比较接近。

4) 对混凝土劈裂抗拉强度影响最大的是粉煤灰含量，再生粗骨料含量影响最小。

纤维表面与水泥浆体之间有一个薄弱的过渡区，此时强度较低，特别是单一纤维表现更为突出。C1、C3对应的都是单一纤维，对应的过渡区比较单一，而C2对应的是混杂纤维，过渡区不明显，强度相对较高。因此纤维对应的劈裂抗拉强度如劈裂抗拉强度正交分析点图所示。

劈裂抗拉强度正交分析点图中，掺量变化时，减水剂增加，水灰比则呈下降状态，混凝土内部劈裂抗拉破坏形式不同。由于再生粗骨料中存在较多的裂缝裂且易遭到破坏，当水灰比较小的配合比时，水泥浆的强度相对较高，再生粗骨料遭到破坏的强度较低，因此曲线下降。

4 结论

1) 在其它条件相同的情况下，再生粗骨料混凝土的立方体抗压强度和立方体劈裂抗拉强度随着再生粗骨料掺量的增加而呈现降低的趋势。

2) 在其他条件相同的情况下，再生粗骨料混凝土立方体抗压强度和立方体劈裂抗拉强度随粉煤灰掺量增加而降低。

3) 粉煤灰颗粒粒径小，在混凝土内部具有良好的物理填充性能，并具有良好的化学活性使其力学性能得到有效提高。

4) 钢纤维的掺入对再生粗骨料混凝土具有很好的增强韧性、提高强度和阻止裂缝扩展的效果。

5) 减水剂可以使水泥颗粒分散均匀，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，从而提高混凝土硬度和致密性。在再生粗骨料混凝土中适量加入减水剂，可以加快工程进度和节约水泥，主要起到有效改善混凝土和易性、流动性，但是对再生粗骨料混凝土强度改善效果不明显。

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

[2] 邢振贤,盖占方.再生混凝土技术研究及应用开发[J].华北水利水电学院报,2000(4):38-40.

[3] 陈爱玖，潘丽云，王静，等.粉煤灰对再生混凝土性能的影响研究[J].混凝土，2010(8)：84-87.

[4] 彭献生，陈豪吉，颜聪.再生混凝土强度性质的探讨[A].王培铬，黄兆龙，姚武.新世纪海岸两岸高性能混凝土研究与应用学术会议论文集[M].上海：同济大学出版社，2002.

[5] 邢振贤.再生骨料的基本性能研究[J].华北水利水电学报,1998(6)：29-31.

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

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2017-01-03

景茂武(1972-),男，高级工程师，主要研究方向为道路桥梁设计。