基于正交设计的低品质再生骨料自密实清水混凝土配合比设计*

裘 泳，姜 涛，赵景锋，王雪军，杜越峰，徐亦冬

(1.浙江省二建建设集团有限公司，浙江 宁波 315202； 2.浙大宁波理工学院，浙江 宁波 315100； 3.浙江大学工程师学院，浙江 杭州 310015)

0 引言

我国进入21世纪后，随着城镇化建设进程不断加快，建筑行业高速发展，不仅消耗了大量天然砂石等不可再生资源，同时也产生大量废弃混凝土，不仅占用宝贵土地，而且会引起环境和社会问题[1]。对废弃混凝土进行循环再生利用，不仅可解决大量废弃混凝土处理困难及由此造成的生态环境恶化问题，同时也可减少对天然砂石等资源的消耗[2]。清水混凝土是指一次浇筑成型，直接以原始浇筑面或仅以透明保护剂做保护性处理后的表面作为结构表面，通过混凝土本色和自身质感达到美观效果[3]。由于清水混凝土结构一次成型，且在施工过程中不抹灰、不涂料，不仅减少了建筑垃圾，同时也降低了整体造价，是一种经济环保的技术手段。为充分利用废弃混凝土，将再生混凝土技术与清水混凝土技术相结合，利用废弃混凝土破碎加工后得到的再生粗骨料部分或全部替代清水混凝土中天然粗骨料来制备再生骨料自密实清水混凝土，同时实现了废弃混凝土回收利用和减少装饰材料对环境的污染，对混凝土可持续发展具有现实意义。

由于建筑废弃物来源广泛、组成复杂，导致由不同来源建筑废弃物破碎得到的再生骨料性能差异巨大，使再生骨料品质难以得到有效控制[4]。相比天然粗骨料，再生粗骨料由于表层包裹疏松多孔砂浆，使骨料具有较小堆积密度和表观密度及较大吸水率[5-6]。故在相同水胶比下，采用再生骨料制备的再生混凝土性能会大大降低，同时再生骨料品质也对混凝土性能有一定影响[7]。GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》详细规定了再生粗骨料各种性能指标，将混凝土用再生粗骨料按性能要求分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类。本试验采用规范中Ⅲ类低品质再生粗骨料配制再生骨料自密实清水混凝土，且清水混凝土对混凝土表面性能要求较高，故在进行配合比设计时，不能直接按普通混凝土配合比设计方法进行设计，需通过设计正交试验，确定不同因素对混凝土不同性能指标的影响规律，同时找出每个性能指标的显著性影响因素。基于正交试验结果，对低品质再生骨料清水混凝土配合比进行优选并进行验证，确定最优配合比参数。

1 试验研究

1.1 试验原材料

水泥为普通硅酸盐水泥(P·O42.5)， 产自宁波，粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，产自宁波，性能指标如表1所示，细骨料为普通河砂，产自宁波，符合GB/T 14684—2011《建筑用砂》要求，粒径级配良好，表观密度为2 520kg/m3，细度模数为1.8；粗骨料为5～16mm连续级配再生粗骨料，其SEM图如图1所示。采用产自江苏苏博特新材料股份有限公司PCA-Ⅰ聚羧酸高性能减水剂，减水率为30%。水为自来水。

表1 粉煤灰基本性能指标 %

图1 再生粗骨料SEM图

1.2 试验方法

1.2.1再生粗骨料材料性能测试

再生粗骨料材料性能测试按《混凝土用再生粗骨料》规定的取样方式、样品数量及试验方案。对再生粗骨料颗粒级配、表观密度、微粉含量、压碎指标及吸水率[8-9]进行测试。再生粗骨料基本性能指标如表2所示。

表2 再生粗骨料基本性能指标

1.2.2正交试验设计

基于普通自密实清水混凝土配合比设计方法确定配合比参数基本范围，设计正交试验，研究水胶比、砂率及胶凝材料含量对再生骨料自密实清水混凝土不同指标性能影响。基于前期探索试验研究，以再生粗骨料全部替代混凝土中天然粗骨料，同时确定粉煤灰掺量为胶凝材料含量的20%，减水剂为胶凝材料含量的1.5%，将水胶比、砂率和胶凝材料含量作为3个影响因素，研究其对再生骨料自密实清水混凝土工作性能及力学性能的影响规律与显著性，每个因素选取3个水平，如表3所示。

表3 正交因素水平数

根据因素的水平数，本试验采用L9(34)正交试验表，如表4所示。

表4 正交试验

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果

基于正交试验9个试验组，根据CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》和JGJ 169—2009《清水混凝土应用技术规程》测试每组试验混凝土坍落扩展度和7d抗压强度，试验结果如表5所示。

表5 正交试验结果

2.2 不同影响因素对再生骨料自密实清水混凝土工作性能的影响分析

再生骨料自密实清水混凝土配合比设计中，混凝土工作性能主要通过混凝土坍落扩展度来体现，因此，对混凝土坍落扩展度试验结果进行极差分析，如表6所示。

表6 混凝土坍落扩展度极差分析

根据混凝土坍落扩展度试验结果计算出对应各列水平K值和极差R，由表6可知，不同因素对再生骨料自密实清水混凝土坍落扩展度的影响程度依次为：水胶比>砂率>胶凝材料含量。在试验影响因素水平范围内，随着水胶比增加，再生骨料自密实清水混凝土坍落扩展度逐渐增大，在同等水胶比增幅情况下，混凝土坍落扩展度增长幅度明显减小。这是因为初始阶段随着水胶比增加，骨料与胶凝材料黏结性明显降低，很大程度上增强了混凝土流动性；而当水胶比继续增加，混凝土骨料与胶凝材料黏结性降低至接近临界值，使得在同样水胶比增幅情况下，混凝土坍落扩展度增幅明显减小。对于胶凝材料含量的影响，混凝土坍落扩展度随其增加有一定的变化幅度，但相对于水胶比的影响不是很明显，因为在骨料与用水量确定的情况下，胶凝材料含量改变50～100kg/m3，混凝土流动性不会有很大变化。为便于混凝土施工，在考虑混凝土工作性能时选择不泌水且坍落扩展度较大方案，故根据K值计算结果，得出各因素的优水平分别为A3，B3，C2，即水胶比为0.36，砂率为51%，胶凝材料含量为530kg/m3。

2.3 不同影响因素对再生骨料自密实清水混凝土力学性能的影响分析

再生骨料自密实清水混凝土配合比设计中，混凝土力学性能主要通过混凝土7d抗压强度来体现，因此，对混凝土7d抗压强度试验结果进行分析，如表7所示。

表7 混凝土7d抗压强度极差分析

根据混凝土7d抗压强度试验结果计算出对应各列水平K值和极差R，可发现砂率对再生骨料自密实清水混凝土7d抗压强度影响最大，其次是水胶比，胶凝材料含量的影响最小。根据试验结果，可得出砂率在47%增加至49%的过程中，混凝土7d抗压强度相对有较大增长幅度，这是因为砂率的增加使混凝土内部部分孔隙得到较好填充，使混凝土成型后更加密实，从而增强了混凝土抗压强度；但随着砂率逐渐增加，混凝土7d抗压强度反而减小，因为砂率的增加导致粗骨料体积占比减小，使混凝土抗压强度减小。水胶比对再生骨料自密实清水混凝土7d抗压强度的影响与普通混凝土较吻合，随着水胶比增大，混凝土抗压强度逐渐减小。故根据K值计算结果，得出各因素的最优水平分别为A1，B2，C2，即水胶比为0.32，砂率为49%，胶凝材料含量为530kg/m3。

2.4 再生骨料自密实清水混凝土工作性能及力学性能试验结果的方差分析

为避免误差列对试验结果的干扰，还应对混凝土坍落扩展度和7d抗压强度进行方差分析，如表8所示。

由表8可知，各因素水平变化所产生的偏差平方和均小于误差偏差平方和，因此选取显著性水平α=0.1和α=0.05两种情况下的临界值Fα，分别为F0.1(2,2)=9.00，F0.05(2,2)=19.00。根据F比计算结果可知，对于混凝土坍落扩展度，水胶比在显著性水平0.1，0.05上均显著，而砂率和胶凝材料含量的影响不显著，与极差分析结果一致；对于混凝土7d抗压强度，3个因素所对应的F比值均小于临界值Fα，因此，各因素对混凝土7d抗压强度的影响均不显著。

表8 混凝土坍落扩展度和抗压强度方差分析

2.5 再生骨料自密实清水混凝土配合比试验验证

基于上述研究结果，综合分析得出最佳设计组合为：A2，B3，C2，即水胶比0.34，砂率51%，胶凝材料含量为530kg/m3。选取最佳设计组进行再生骨料自密实清水混凝土配制，并对其工作性能及力学性能以C30混凝土技术标准进行试验验证，试验结果如表9所示。

表9 最佳设计组下拌合物工作性能及力学性能指标

由表9可知，各项性能指标测试结果均满足技术要求。试验采用多种不同模板处理工艺，制得的混凝土均达到清水效果，如图2所示。

图2 再生粗骨料自密实清水混凝土成型效果

3 结语

通过正交试验，采用L9(34)正交表分析了3种不同因素对再生骨料自密实清水混凝土工作性能的影响程度，并通过方差分析分析了各因素对各指标影响的显著性，得到如下结论。

1)对各因素进行极差分析，水胶比对再生骨料自密实清水混凝土坍落扩展度影响最大，其次是砂率，胶凝材料含量的影响最小；对7d抗压强度的影响程度从大到小依次为砂率、水胶比、胶凝材料含量。综合各因素对再生骨料自密实清水混凝土工作性能和力学性能的影响，水胶比对坍落扩展度具有显著性影响，其余因素对混凝土工作性能无显著性影响。

2)结合正交设计极差分析和方差分析，优选出1组工作性能最优的配合比，再对此配合比混凝土进行试验验证，得到的试验结果均满足技术要求。