基于正交试验的植生型再生混凝土配合比优化研究

金耀华，赵延春，王 兵，范卫玲

(1.扬州市职业大学 土木工程学院，江苏 扬州 225000；2. 扬州华正建筑工程质量检测有限公司，江苏 扬州 225000)

随着环境保护、可持续发展和人与自然和谐共生的理念日益深入人心，国内外学者逐渐研究再生混凝土生态化，通过控制再生混凝土孔隙率、碱环境、抗压强度和透水、透气性，并选择合适的植物种植在再生混凝土中，发展形成植生型再生混凝土.该新型绿色建筑材料可广泛用于护坡、护堤、城市停车场、人行道、休闲绿地、住宅小区以及屋顶绿化等，对改善生态环境具有重要作用.

植生型再生混凝土其配合比设计与普通混凝土有很大区别，在集料级配组成、水泥用量及水胶比等方面都有一些特殊的要求，既要保证有较高的孔隙率保证植物生长空间，又要保证用于护坡、绿化等用途的力学强度，此外考虑植物生长的pH环境与混凝土高碱性存在矛盾，需额外添加矿物外掺料进行降碱[1-7].王桂玲[8]提出了植生型混凝土的技术指标及指标范围，王成名[9]、刘君实[10]、韩健[11]开展了废弃砖瓦骨料制备植生型混凝土的试验研究，廖文宇[12]、高婷[13]等研究了生态混凝土的降碱技术，但以废弃混凝土为骨料的植生再生混凝土研究开展较少，其中对孔隙率、水胶比、矿物外掺量3种因素对植生型再生混凝土的抗压强度、孔隙率、pH值等指标影响的主次次序及规律，缺乏系统的研究.

研究以目标孔隙率、水胶比、硅粉掺量和增稠剂掺量四种因素，开展多因素正交试验，通过测定抗压强度、孔隙率、pH值等指标值，分析其影响规律，确定因素主次之分及最佳配合比，以期为植生型再生混凝土进一步应用推广提供参考.

1 试验概况

1.1 试验材料

(1)水泥：选用江苏省扬州市绿杨水泥厂生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，密度为2.95 g/cm3.

(2)粗骨料：采用再生碎石骨料，所用的骨料由废弃混凝土破碎、筛分、水洗及烘干而成，粒径为5～16 mm单级配，其中粒径为5～10 mm与粒径为10～16 mm的再生粗骨料的质量比为3∶17.经实验测试得出：骨料的表观密度ρ为2 722 kg/m3，紧密堆积密度ρG为1 462 kg/m3，紧密堆积空隙率Vc为46%.

(3)硅灰：平均粒径：0.1～0.3 μm,容重1 670 kg/m3，其中SiO2质量百分含量为97.35%.

(4)拌和用水：扬州市自来水公司自来水.

(5)增稠剂：采用羟丙基甲基纤维素醚，粒径270～380 μm，密度：1.39 g/cm3.

(6)减水剂：采用聚羧酸高效减水剂，减水率为20%，添加量为胶材的1%，对钢筋无锈蚀.

1.2 试验设计

选取目标孔隙率、水胶比、硅灰掺量及增稠剂掺量作为影响因素，其中硅灰、增稠剂以胶材质量的百分比外掺，每个因素选择四个水平，因素水平见表1.试验采用正交表L16(44)，安排16组试验组合.

表1 正交试验因素及水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

1.3 配合比设计计算

因植生型再生混凝土本质上是多孔混凝土，其配合比计算可采用绝对体积法方法[5]，即：胶结材浆体体积+粗骨料体积+目标孔隙体积=1 m3，考虑本试验中涉及到硅灰外掺料,按照掺量换算对应的体积计入胶结材料体体积，具体步骤可按公式(1)～(7)[7]计算得到.

(1)单位体积粗骨料用量的计算，为

WG=α·ρG

(1)

式中：WG为单位立方米粗骨料用量(kg/m3)；ρG为修正系数，本文取0.98.

(2)单位立方米胶结材浆体体积的计算，为

Vp=[1-α·(1-Vc)-Rvoid]·1 000

(2)

式中：VP为胶结材浆体体积(L/m3)；VC为骨料紧密堆积空隙率(%)；Rvoid为设计目标孔隙率(%).

(3)单位立方米胶材用量的计算(考虑外掺料)，为

(3)

Wc=(1-β1)·W

(4)

Ws=β1·W

(5)

式中：W为单位立方米胶材用量(kg/m3)；Wc为单位立方米水泥用量(kg/m3)；Ws为单位立方米外掺料用量(kg/m3)；RW/C为水灰(胶)比；ρc为水泥密度(kg/m3)；ρs为外掺料密度(kg/m3)；β1为外掺料质量百分比参量(%).

(4)单位立方米水用量的计算，为

Ww=W·Rw/c

(6)

式中：Ww为单位立方米水用量(kg/m3).

(5)单位立方米添加剂用量的计算，为

Wt=β2·W

(7)

式中：Wt为单位立方米添加剂用量(kg/m3)；β2为添加剂质量百分比参量(%).

按上述步骤，分别设计计算16组的试验配合比用量，结果见表2.

2 试验结果及其分析

2.1 数据测定结果

测定试件有效孔隙率、立方体抗压强度、pH值三个性能考察指标.有效孔隙率测定，试件采用边长为100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，2个试件为一组，按下式计算得出其有效孔隙率.

(8)

式中：A为试件有效孔隙率，%；M1为浸泡在水中并吸水饱和后水中的重量，kg；M2为试件烘干后放置于(20±2)℃、相对湿度(60±5)%条件下24 h后称量其空气中重量，kg；V为采用游标卡尺测量并计算所得的试件外观体积，cm3；ρw为水的密度，kg/cm3.

抗压强度按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019，测定28 d立方体抗压强度.

测定pH值：将边长100 mm立方体在标准养护条件下养护至28 d，将其破碎，充分研磨，过0.08 mm筛，称取10 g准备好的粉体试样，到入100 ml的蒸馏水，每隔约5 min振动均匀一次，2 h之后用滤纸过滤，使用酸碱仪测定滤液的pH值.按上述试验方法，测得各组试件的考察指标值，见表2.

2.2 数据分析

为综合分析各因素水平下的指标值，将表2中各因素水平下的指标平均值整理，见表3.将表2中各组指标观测值进行极差分析和方差分析，见表4、表5.根据表3绘制出各考察指标的趋势图，见图1～图3.从表3～表5和图1～图3可知：

表2 正交设计、配合比安排及考察指标数值表Tab.2 Numerical table of orthogonal design, mix proportion arrangement and evaluation index

表3 各因子水平组下的考察指标平均值Tab.3 The mean value of the indexes under each factor level group

表4 各考察指标的极差值及因子主次顺序Tab.4 The range and factor order of each index

表5 各考察指标方差分析Tab.5 Theanalysis of variance of each index

图1 实测孔隙率趋势图Fig.1 The measured porosity of trend map

图2 抗压强度趋势图Fig.2 The compressive strength of trend map

图3 pH值趋势图Fig.3 The pH of trend map

(1)实测孔隙率与目标孔隙率存在着特别显著关系.当目标孔隙率25%时，达到最小实测孔隙比22.68%，目标孔隙率40%时，达到最大实测孔隙比36.98%，随着目标孔隙率的增大，实测孔隙率随着显著增大，显著成正相关关系.水胶比对实测孔隙率影响不显著，数值保持在30%左右，变化幅度较小，基本成水平直线分布，随着水胶比的增大，实测孔隙率略有增大.硅灰掺量对实测孔隙率影响微乎其微，数值保持在30%左右，变化幅度较小，基本成水平直线分布.增稠剂添量对实测孔隙率影响不显著，随着增稠剂添量的增大，实测孔隙率略有下降;

(2)28 d抗压强度与目标孔隙率存在特别显著关系.当目标孔隙率25%时，达到最大抗压强度13.80 MPa，目标孔隙率40%时，达到最小抗压强度6.10 MPa，随着目标孔隙率的增大，28 d抗压强度随着显著减小，成负相关关系.水胶比对抗压强度影响不显著，强度保持10 MPa左右，变化幅度小，基本成水平直线分布；硅灰掺量对抗压强度微乎其微，变化幅度小，数值保持10 MPa左右，基本成水平直线分布.增稠剂添量对抗压强度影响不显著，随着增稠剂添量的增加，抗压强度存在下降的趋势;

(3)pH值与目标孔隙率存在特别显著关系，目标孔隙率25%时，pH值达到最大值10.60，目标孔隙率40%时，pH值达到最大值9.61，随着目标孔隙率的增大，pH值随着显著减小，成负相关关系.水胶比对pH值影响不显著，数值保持在10左右，变化幅度小，基本成水平直线分布；随着水胶比的增大，pH值有所减小.硅灰掺量对pH值存在显著关系，变化幅度大，当硅灰掺量为0%时，存在最大值10.59；当硅灰掺量7%，存在最小值9.93，显著成负相关关系，原因是硅粉中含有大量SiO2,能和混凝土Ca(OH)2继续发生反应生成新的水化硅酸钙，减少Ca(OH)2含量，从而降低混凝土碱性.增稠剂添量对pH值影响微乎其微，变化幅度小.

3 最优配合比确定

从上述极差和方差分析可以看出实测孔隙率与目标孔隙率正相关，28 d抗压强度与目标孔隙成负相关，两者存在矛盾之处，对于最优配合比的确定不能完全按极差和方差的分析为最终结果，需考虑植生型再生混凝土的性能要求，采用综合因素考虑方法来确定.参照文献[2]植生混凝土的各指标范围，见表6.

表6 各考察指标范围Tab.6 The range of indicators

从表3、表6中可知：(1)目标孔隙率水平因子A1、A2、A3、A4的实测孔隙率均大于21%；水平因子A1、A2的28 d抗压强度达到10 MPa以上，水平因子A3、A4未达到10 MPa；考察pH值指标数值，水平因子A1、A2、A3、A4的pH值均大于9，但趋势逐渐减少；(2)水胶比水平因子B1、B2、B3、B4的实测孔隙率均大于21%；28 d抗压强度指标中只有B2达到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)硅灰掺量水平因子C1、C2、C3、C4的实测孔隙率均大于21%，水平因子C1、C2的28 d抗压强度达到10 MPa以上，水平因子C1、C2、C3、C4的pH值均大于9，随着硅灰掺量增加pH值逐渐减少，C4的pH值最接近9；(4)增稠剂添量水平因子D1、D2、D3、D4的实测孔隙率均大于21%；28 d抗压强度指标中有D1、D2达到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.

综上所述，经综合因素考虑，可确定最终优化组合为：A2B2C4D2，即选择目标孔隙率30%，水胶比0.32，硅灰掺量7%，增稠剂添量1‰.因所分析出来的最优方案A2B2C4D2并未包括在已经做过的16组试验中，故应按照这个最优方案做一次验证试验.按照前面配合比设计方法设计其配合比，其单位立方米用量为：再生粗骨料1 432.8 kg，水泥227.8 kg，硅灰掺量17.1 kg，水83.3 kg，增稠剂添量0.24 kg.测定其实测孔隙率、28 d抗压强度和pH值，数值见表7.

表7 最优组合A2B2C4D2各指标数值Tab.7 The optimal combination A2B2C4D2 index value

根据表7所示：最优方案A2B2C4D2在实测孔隙率、28 d抗压强度能符合要求，pH值不能符合要求.对于pH值的问题，本文采用测定的方法是研磨法，本质上是测定了混凝土本身的pH值，而对于植生型混凝土，影响植物生产环境的pH值还取决于孔隙中种植基质的pH值，可以通过配制酸性种植基质进一步解决，而最优方案A2B2C4D2的pH值已达到9.95，距离pH值9.0以内目标相差不远，为进一步降碱打下了基础.

4 结论

(1)目标孔隙率是首要控制因素，对实测孔隙率、28 d抗压强度和pH值都有特别显著影响，并和实测孔隙率成正相关关系，与28 d抗压强度成负相关关系，与pH值成负相关关系.目标孔隙率是配制植生型再生混凝土产品的关键参数;

(2)本文试验配制的植生型再生混凝土28 d的抗压强度最高可达15.4 MPa，平均值达到10 MPa以上，能满足以植生为主的护坡混凝土强度指标要求;

(3)硅灰掺量对pH值有显著影响，随着硅灰掺量的增加，能明显降低pH值，本试验中当硅灰掺量达到最大值7%时，pH值为9.93，但仍不能满足植物生长的pH值6～9之间要求，需要进一步增大硅灰掺量，或者采取后期的降碱措施，满足pH值要求;

(4)综合多因素分析，本文试验研究给出的最优组合是A2B2C4D2：目标孔隙率采用30%、水胶比采用0.32、硅粉掺量采用7%、以及增稠剂量采用1‰.