基于正交试验胶粒混凝土抗渗性的研究

范灵芝

摘要：胶粒混凝土的抗渗性能受多种因素的影响。本文通过正交试验探讨水灰比、胶粒掺量、胶粒粒径三种试验因素对胶粒混凝土抗渗性的影响规律。通过对试验数据进行分析得到影响胶粒混凝土抗渗性能的因素依次是：胶粒掺量，胶粒粒径，水灰比；相对渗透性系数随胶粒掺量的增大呈现先增大后减小的趋势，相对渗透性系数随胶粒粒径的增大而逐渐增大；通过试验表明在混凝土中加入胶粒确实能提高胶粒混凝土的抗渗性能，采用多元回归的分析方法，建立了胶粒混凝土相对渗透性系数与水胶比、胶粒掺量、胶粒粒径的经验公式。

关键词：胶粒混凝土；相对渗透性系数；正交试验；回归分析

引言

随着橡胶制品，尤其是轮胎产量的不断扩大，废橡胶处理已成为世界性难题[1]。胶粒混凝土是以混凝土为基材，掺入胶粉（包括粒径较大的胶粒）制成的土木工程复合材料，而胶粉主要通过物理作用改善混凝土的内部结构，不改变混凝土中各种材料的化学性能[2]。

混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗液体、气体在压力作用下的渗透能力。混凝土的渗透性对耐久性影响最大，被认为是衡量混凝土耐久性的最重要的综合指标，渗透性是多孔性材料的基本性质之一，它反映了混凝土内部孔隙的大小、数量以及连通性等情况[3]。渗透性越低，则水及有害介质越不易侵入到混凝土内部去，对混凝土产生的破坏作用越小，即混凝土的耐久性越好。国内外学者都以混凝土的渗透性为起点来研究耐久性。

将废旧轮胎清洗干净，加工成粒径小于5mm的颗粒，按一定的比例替代等体积的砂子配制成胶粒混凝土。本文將对胶粒混凝土的相对渗透性系数进行试验，并初步探讨其影响机理。

1 试验

1.1试验参数的确定

为了探索影响胶粒混凝土抗渗性的主要因素，采用正交方案设计实验。影响普通混凝土抗渗性的因素有骨料材质、水灰比、养护条件等等，根据工程经验，胶粒混凝土的水灰比、胶粒掺量、胶粒粒径将对其抗渗性产生较大影响[3]，选为本次正交实验需要考察的三个因素，三个因素都取三个水平，胶粒的掺入选用等体积代砂法。

1.2试验设计

本次试验采用三因素三水平的正交设计安排试验，选取水灰比、胶粒掺量、胶粒粒径3个因素。根据三因素三水平正交组合设计安排9组试验点用于测定胶粒混凝土的相对渗透性系数，每组3个试件，总共27个试件。试验因素水平见表1。

1.3原材料

水泥：选用冀东水泥厂生产的盾石42.5R型硅酸盐水泥，试验结果可知水泥的各种性能均满足国家标准规定的指标。

粗骨料：粗骨料为渭河卵石，粒径为5～31.5mm，堆积密度为1550kg/m3，表观密度为2650kg/m3。试验结果表明：该石子为连续级配。

细骨料：细骨料为渭河河砂，表观密度为2.7g/cm3，堆积密度为1556kg/m3，含泥质量分数为0.78%。砂的细度模数为2.43，属中砂，及配合格。

胶粒：西安市胶粒生产有限公司生产。粒径在0.6～4.75mm之间，表观密度约为1050kg/m3。

水：满足规范的试验室自来水。

1.4试验方法

试验按照《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）中有关测定混凝土相对渗透性试验的规定进行。

从表2可以看出：

① 掺入胶粒以后，混凝土的容重降低，且随着胶粒掺量的增大而减小，但相同掺量下，各组容重的下降略有差异，主要原因可能是胶粉掺入混凝土后产生的气泡数量不等。

② 掺入胶粒以后，混凝土的含气量比基准混凝土的含气量大。混凝土的含气量随胶粒掺量的增加而显著增加，而且胶粒颗粒的粒径越小，混凝土含气量增加的幅度越大。

③ 胶粒混凝土的坍落度受胶粒粒径，胶粒掺量和混凝土内部引入气泡量等因素的影响，随胶粒掺量的增加总体上呈现下降的趋势，但8.854×10-7在一定的掺量范围内存在反复变化。

2 试验结果及分析

L9（34）正交试验结果及极差分析详见表3

2.1直观分析

考虑误差的影响，设立一组空白列。最右一列为相对渗透性系数，表中Ki为某个因素第个水平的所有相对渗透性系数之和，为影响因素的水平数。表示其水平数的均值。为任一列的最大值与最小值之差，R值越大，则该因素在试验范围内对相对渗透性系数的影响越大。例如第一列R=5.525×10-6-3.484×10-6=2.041×10-6，依次类推，即得其他值。由表3可知，RB>RC>RA，即胶粒掺量对胶粒混凝土相对渗透性系数的影响最大，胶粒粒径次之，水灰比最小，且掺入胶粒以后，混凝土的抗渗性能有所增加，约增加了73%。

从图1可以看出，因素胶粒掺量在趋势图中曲线波动最大，胶粒掺量方面，虽然掺量为15%的混凝土Kr比掺量为0%的高，但胶粒掺量达到30%时，混凝土的抗渗性有了较大提高，高于胶粒掺量为0%的普通混凝土，它是影响胶粒混凝土抗渗性的主要因素。胶粒混凝土的抗渗性随胶粒粒径的增大降低，其中以（0.6～1.18）为最佳，说明在混凝土中较细粒径的胶粒能改善抗渗性。水灰比方面，Kr随水灰比的增加变化不大。

2.2方差分析

方差分析见表4

方差分析表明：胶粒掺量为胶粒混凝土的显著因素，粒径对试验结果有一定的影响，水灰比对试验结果的影响不显著。

综合方差分析与极差分析的结果，可知：在其他因素近似不变的情况下，胶粒掺量为影响胶粒混凝土相对渗透性系数的主要因素，这是由于胶粒主要通过物理作用改善混凝土的内部结构，不改变混凝土中各种材料的化学性能，当然胶粒本身的物理性质也不会发生变化，胶粒对混凝土的影响主要归因于胶粒与水泥浆体的相容性差，两者之间不能形成有效的粘合。

当掺量超过15%后，混凝土的抗渗主要取决于胶粒的抗渗性能，因此其相对渗透性系数显著减小。胶粒粒径对胶粒混凝土相对渗透性系数有一定的影响，水灰比在0.4～0.6水平之间变化时，对胶粒混凝土相对渗透性系数的影响不显著。

2.3回归分析

对于本次实验的数据拟合采用多项式拟合。对于离散的实验数据，用一个近似的函数来反映离散数据点的变化趋势，这个变化趋势的趋势线不是经过所有的数据点，这样的方法叫做数据拟合[6]。应用EXCEL的数据分析功能，对实验数据进行多项式拟合，得到下式：

实测为9组，变量数目4，自由度为5，当置信度为95%时，查《试验设计与分析》 附表11得到相应的系数为0.937；由于 R=0.992> 0.937，因此，所得到的多项式回归方程是有意义的，并且拟合的标准误差是2.19×10-7。

3 结论

（1）胶粒混凝土的坍落度受胶粒粒径，胶粒掺量和混凝土内部引入气泡量等因素的影响，随胶粒掺量的增加总体上呈现下降的趋势，但在一定的掺量范围内存在反复变化。

（2）掺入胶粒以后，混凝土的含气量比基准混凝土的含气量大。混凝土的含气量随胶粒掺量的增加而显著增加，而且胶粒颗粒的粒径越小，混凝土含气量增加的幅度越大。

（3）通过极差、方差分析表明：掺入胶粒以后，混凝土的相对渗透性系数有所降低，抗渗性能有所增加。胶粒掺量是影响胶粒混凝土的最主要因素，也是最显著因素。

（4）水灰比为0.5，胶粒掺量为30%，胶粒粒径选用0.6～1.18mm，此时抗渗性较好，相对渗透性系数较好为3.707×10-7cm/h。

（5）利用试验数据对进行多项式拟合，得出经验公式，相关系数为R=0.992。

参考文献：

[1]杨春峰，杨敏. 废旧橡胶混凝土的耐久性研究 进展[J]. 沈阳大学学报：自然科学版，2012，（1）：60-63. DOI：10.3969/j.issn.1002-3550.2012.04.020.

[2]冯凌云. 橡胶混凝土材料性能的试验研究[D]. 华北水利水电学院，2012.

[3]潘东平，刘锋，李丽娟等. 橡胶混凝土的应用和研究概况[J]. 橡胶工业，2007，54（3）：182-185. DOI：10.3969/j.issn.1000-890X.2007.03.014.