响应面法优化再生骨料混凝土配合比参数研究

2022-06-24何亮吴庆霞张溢谢丽霞

新型建筑材料 2022年6期

何亮，吴庆霞，张溢，谢丽霞

（1.保利长大工程有限公司，广东广州 510620；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津，300222）

0 引言

骨料在混凝土中发挥骨架作用，能够减小混凝土的收缩，提高混凝土的体积稳定性，约占混凝土体积的70%，对混凝土的性能影响较大。随着国家对于环境保护的重视以及混凝土技术的发展，普通天然骨料应用受到限制，各种新型骨料正越来越受到关注，如再生骨料[1-4]、废渣骨料[5-6]等，很好地弥补了天然骨料资源短缺问题。特别是建筑垃圾再生骨料，是采用废旧建筑拆除过程中的废旧混凝土或者砌筑物，通过专用破碎装置得到的一种骨料，目前大量的学者正在研究再生骨料在混凝土中的应用，对于环境保护和混凝土技术发展均具有具有十分重要的意义。

响应面法是利用科学的试验设计并开展试验得到一定的数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优参数，解决多变量问题的一种统计方法[7]，目前其在混凝土方面的应用尚较少，特别是采用响应面法研究再生骨料混凝土配比参数方面。为此，本文采用响应面法开展了水泥用量、再生粗骨料取代率和附加用水量等混凝土配合比参数对混凝土坍落度、抗压强度和抗折强度的影响研究，形成一种再生骨料混凝土配合比参数设计方法，推动再生骨料混凝土的工程应用。

1 试验

1.1 原材料

（1）再生粗骨料：来自新塘立交改造项目，5～25 mm连续级配，吸水率4.3%，压碎值12.0%，针片状含量9.2%，孔隙率46.5%。

（2）天然粗骨料：石灰岩骨料，5～25 mm连续级配，吸水率0.9%，压碎值5.8%，孔隙率41.5%。

（3）水泥：P·O42.5水泥，密度3.05 g/cm3，比表面积361 m2/kg，标准稠度用水量27.5%，28 d抗压强度为45.2MPa。

（4）河砂：细度模数2.6，Ⅱ区中砂。

（5）聚羧酸高性能减水剂：含固量25.6%，减水率31.5%。

（6）拌合水：自来水。

1.2 试验设计

采用响应面法中的Box-behnken的设计模式开展再生骨料混凝土配合比参数研究的试验设计。再生骨料混凝土的水泥用量、再生粗骨料取代率和附加用水量（是指考虑到再生骨料吸水率较大，在配合比设计用水量以外附加的用水量）分别设计为自变量因素A、B、C，经过混凝土试配试验，确定自变量因素A、B、C的水平分别为390～420 kg/m3、50%～90%、20～40 kg/m3，低、中、高水平编码值分别用-1、0、1表示，自变量因素编码和水平见表1。将各自变量因素值输入到响应面法软件Design-expert 13中，得到不同因素水平的试验设计方案（见表2），固定混凝土的砂率为38%，减水剂掺量为水泥质量的1%。

表1 试验自变量因素编码及水平

表2 试验混凝土配合比设计

1.3 试验方法

混凝土坍落度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试，抗压和抗折强度参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试。

2 结果与分析

2.1 试验结果

再生骨料混凝土性能测试结果见表3，并将试验值输入到Design-expert13中，进行二次方程式模型分析，得到预测值。

表3 再生骨料混凝土各项性能的试验值与预测值

由表3可以看出，再生混凝土坍落度、抗压与抗折强度的试验值和预测值较为接近。

2.2 再生骨料混凝土的坍落度

图1为再生骨料混凝土坍落度的响应面分析，其中图1（a）为附加用水量在0水平下，水泥用量和再生骨料取代率对坍落度的影响，图1（b）为再生骨料取代率在0水平下，水泥用量和附加用水量对坍落度的影响，图1（c）为水泥用量在0水平下，再生骨料取代率和附加用水量对坍落度的影响。

从图1可以看出，在附加用水量为0水平，即附加用水量为30 kg/m3时，随着再生骨料取代率的增大，混凝土的坍落度先略有增大，后持续减小。主要原因可能是再生粗骨料少量替代天然粗骨料时，对于骨料的整体级配具有一定的改善作用，从而使得骨料孔隙率下降，在同样浆体数量的情况下，低孔隙率骨料配制的混凝土会多出一定量的浆体带动骨料流动，从而使混凝土的坍落度增大；而随着再生骨料取代率进一步增加，由于再生骨料的吸水率较大（该试验采用的再生骨料吸水率为4.3%），拌合物中的拌合用水会被再生骨料所吸附，从而减少了拌合物中的拌合用水，使得浆体体积减小，进而使得混凝土的坍落度减小。

水泥用量对再生骨料混凝土坍落度的影响相对较小，随着水泥用量的增加，混凝土坍落度略有增大，但增幅较小。主要原因是，再生骨料往往表面较为粗糙，且具有一定的微孔，水泥浆体能够包覆再生骨料颗粒，填充表面的微孔，进而带动再生骨料流动，因此提高水泥用量能够在一定程度上增大混凝土坍落度。

在利用再生骨料、轻骨料等吸水率较大的骨料配制混凝土时，往往采取附加用水量的方式，即在配合比拌合用水之外增加额外的用水量，目的在于缓解因为骨料吸水率较大，使得拌合用水迅速降低，造成混凝土拌合物工作性不良和工作性经时损失较大的问题。结合图1（b）、（c）可以看出，随着附加用水量的增加，再生骨料混凝土的坍落度明显增大，再生骨料本身的吸水率较大，能够吸附混凝土拌合物中的拌合用水，从而使得混凝土的坍落度减小，而加入附加用水后，拌合物中的自由水量较大，从而使得混凝土的坍落度增大。

2.3 再生骨料混凝土的抗压强度

图2为再生骨料混凝土抗压强度的响应面分析，其中图2（a）为附加用水量在0水平下，水泥用量和再生骨料取代率对抗压强度的影响，图2（b）为再生骨料取代率在0水平下，水泥用量和附加用水量对抗压强度的影响，图2（c）为水泥用量在0水平下，再生骨料取代率和附加用水量对抗压强度的影响。

结合图2（a）和（c）可以看出，随着再生骨料取代率的增加，再生骨料混凝土的抗压强度先略有提高后明显降低。主要原因是再生骨料的吸水率较大，取代一定量的天然骨料后，能够吸附拌合用水，使得混凝土实际水灰比降低，从而对于混凝土抗压强度具有一定的提高作用；另一方面，再生骨料具有较多的孔隙，压碎值较大，本身薄弱环节较多，加入混凝土中对混凝土的抗压强度有削弱作用，因此在再生骨料取代率较小时，其对于混凝土水灰比的降低作用较为明显，再生骨料混凝土抗压强度呈现略有提高的现象，取代率进一步增大时，则其对于抗压强度削弱作用占主要部分，因此混凝土的抗压强度明显降低。

结合图2（a）和（b）可以看出，随着水泥用量的增加，再生骨料混凝土的抗压强度缓慢提高。再生骨料表面具有较多的孔隙，同时存在大量的薄弱环节，在混凝土受到压力作用时容易从薄弱环节处开裂，从而造成混凝土受压破坏，水泥用量较大时，可以有较多的浆体将再生骨料包覆，同时填充再生骨料表面孔隙，起到增强再生骨料的作用，进而提高了再生骨料混凝土的抗压强度。

结合图2（b）和（c）可以看出，随着附加用水量的增加，再生骨料混凝土的抗压强度呈先提高后逐渐降低的趋势，在附加用水量为30 kg/m3时，再生骨料混凝土的抗压强度达到最高，由于再生骨料的吸水率较大，在混凝土拌合物中容易吸走拌合用水，从而造成混凝土拌合物坍落度较小以及坍落度经时损失较大的问题，为此可以采用附加用水的技术措施，用于补充再生骨料吸走的水。附加用水一方面提高了再生骨料混凝土的水灰比，降低混凝土抗压强度，另一方面，一定量的附加用水可以保证混凝土的工作性能，进而使得混凝土成型更加密实，因此提高了混凝土的抗压强度。在附加用水量较少时，其对混凝土抗压强度以正效益为主；而附加用水量过多时，对混凝土的抗压强度以副作用为主，因此出现了随着附加用水量增加，再生混凝土抗压强度先提高后降低的现象。

2.4 再生骨料混凝土抗折强度

图3为再生骨料混凝土抗折强度的响应面分析，其中图3（a）为附加用水量在0水平下，水泥用量和再生骨料取代率对抗折强度的影响，图3（b）为再生骨料取代率在0水平下，水泥用量和附加用水量对抗折强度的影响，图3（c）为水泥用量在0水平下，再生骨料取代率和附加用水量对抗折强度的影响。

从图3可以看出，再生骨料混凝土的配合比参数，包括再生骨料取代率、附加用水量和水泥用量对再生骨料混凝土抗折强度的影响规律与对抗压强度的影响规律相近，即随着在再生骨料取代率的增大，再生骨料混凝土的抗折强度先略有提高后迅速降低；随着附加用水量的增加，再生骨料混凝土的抗折强度呈先提高后逐渐降低的趋势，增大和降低的幅度相近；随着水泥用量的增加，再生骨料混凝土的抗折强度缓慢提高。出现这种现象的原因与导致再生骨料混凝土抗压强度变化的原因相似，也说明了再生骨料混凝土与普通混凝土一样，其抗折和抗压强度具有一定相关性，呈现一定的比例关系。