試驗(yàn)研究

再生礦粉粗骨料混凝土正交配合比試驗(yàn)研究*

*基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012211A005)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(201310755021)；新疆工程學(xué)院自然科學(xué)課題(2013xgy091412)。

□□ 張婷1，秦?fù)碥?，李祥2，郭堯2(1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830091；2.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047)

摘要：為探究再生礦粉粗骨料混凝土中礦粉的作用，對(duì)采集的廢棄混凝土進(jìn)行破碎、篩分，得到再生粗骨料，試驗(yàn)研究了礦粉對(duì)再生混凝土性能的影響。依據(jù)GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》，將不同來(lái)源的再生粗骨料分為Ⅰ類和Ⅱ類，分別進(jìn)行了16組正交試驗(yàn)，運(yùn)用極差分析討論了水灰比、再生骨料取代率及礦粉摻量，對(duì)再生粗骨料混凝土工作性能及立方體抗壓強(qiáng)度的影響，并采用功效系數(shù)法進(jìn)行了多指標(biāo)正交分析，得到了適合C30再生混凝土的配合比。

關(guān)鍵詞：礦粉；再生混凝土；配合比設(shè)計(jì)；正交試驗(yàn)

文章編號(hào)：1009-9441(2015)03-0015-05

中圖分類號(hào)：TU 528.01；X 799.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：To explore the role of mineral powder in renewable mineral powder coarse aggregate concrete，the author crushes，screens the waste concrete and gets the renewable coarse aggregate Experimental study on the influence of mineral powder on the properties of regenerated concrete is then conducted.According to GB/T 25177—2010 The Use of Regenerated Coarse Aggregate Concrete，the regenerated coarse aggregate of different sources is divided into class Ⅰ and class Ⅱ.16 groups of orthogonal tests have been carried out respectively，using range analysis to discuss the water-cement ratio，regenerated aggregate replacement rate，mineral powder mixing amount，and its influence on the performance and cube compressive strength of regenerated coarse aggregate concrete，and the efficacy coefficient method is used for the multi-target orthogonal analysis，then the best C30 concrete mixture ratio is obtained.

作者簡(jiǎn)介：張婷(1971-)，女，安徽蚌埠人，副教授，主要從事土木工程材料、混凝土結(jié)構(gòu)等的教學(xué)與科研工作。

收稿日期：2015-05-01

引言

隨著我國(guó)西部大開發(fā)的進(jìn)一步推進(jìn)，建筑物也更趨于向大跨度、高層數(shù)、輕量化發(fā)展，對(duì)混凝土的需求也更加迫切，再生混凝土也逐漸得到了更多人的關(guān)注，特別是對(duì)高性能再生混凝土的需求增加。礦粉是將水淬粒化高爐礦渣進(jìn)行粉磨達(dá)到規(guī)定細(xì)度的一種具有潛在活性的礦物摻合料，是一種新興的建筑材料，具有顆粒超細(xì)、活性較高的特點(diǎn)，可作為混凝土的摻合料取代部分水泥，是生產(chǎn)高性能混凝土的組成材料之一，也是目前商品混凝土公司廣泛采用的一種原材料。本試驗(yàn)將廢棄混凝土進(jìn)行破碎、清洗、篩分等，得到可用于試驗(yàn)的粗骨料，對(duì)再生粗骨料的基本性能進(jìn)行檢測(cè)，再將礦粉作為摻合料加入混凝土中，采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行再生混凝土配合比設(shè)計(jì)，參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及上海市DG/T J08—2018—2007《再生混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，對(duì)Ⅰ類再生混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方案

1.1　原材料

(1)水泥：新疆烏魯木齊市紅雁池電廠有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5R水泥。

(2)天然骨料：粗骨料為卵石，粒徑4.75~37.5 mm，連續(xù)級(jí)配；細(xì)骨料為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，表觀密度為2 640 kg/m3。

(3)再生粗骨料：結(jié)構(gòu)框架、磚混結(jié)構(gòu)舊房拆遷、市政工程、道路工程、橋梁工程、地坪工程等6種不同來(lái)源的廢棄混凝土，經(jīng)破碎后加工成6種再生粗骨料，粒徑為4.75~37.5 mm。根據(jù)GB/T 14865—2011《建設(shè)用卵石、碎石》和GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》，分別對(duì)不同來(lái)源再生骨料的基本性能進(jìn)行了試驗(yàn)，依照國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新疆地區(qū)的再生粗骨料進(jìn)行類別劃分，初步將其劃分為兩類，粗骨料的性能見表1。

表1　不同來(lái)源原生混凝土制備的再生粗骨料性能

(4)活性礦物摻合料：磨細(xì)礦渣粉，其45 μm篩余量為40%。

(5)水：烏魯木齊地區(qū)自來(lái)水。

1.2　試驗(yàn)方案

對(duì)再生骨料進(jìn)行正交試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了4組天然骨料對(duì)比組，立方體抗壓試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行混凝土拌合物拌制，測(cè)其坍落度，24 h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下至7 d、28 d后測(cè)其抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)過程參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，加載速度為0.6 MPa/s。試驗(yàn)設(shè)備為TYE-30008B型壓力試驗(yàn)機(jī)，最大量程為3 000 kN。天然骨料對(duì)比組的配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　天然骨料對(duì)比組的配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

2Ⅰ類再生混凝土配合比正交試驗(yàn)研究

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Orthogonal Experimental Design)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，因此正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。利用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行再生混凝土配合比的試驗(yàn)研究，可以在保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上大大減少試驗(yàn)次數(shù)。

本試驗(yàn)對(duì)粗骨料再生粗骨料混凝土進(jìn)行了基于正交試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)?；鶞?zhǔn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C30混凝土，參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)的考核指標(biāo)包括再生混凝土工作性能(坍落度)和立方體抗壓強(qiáng)度(7 d與28 d)，選取水灰比、再生骨料取代率、摻合料取代率為主要因素，每個(gè)因素考慮4個(gè)水平(見表3)。

表3　因素水平表

考慮到再生混凝土骨料的吸水率較大，試驗(yàn)前首先確定拌合物附加用水量(Mwa)，其計(jì)算公式如(1)式，試驗(yàn)配合比如表4所示。

Mwa=Mg·(Wwg-Wwh)

(1)

礦粉的主要化學(xué)組分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等，用礦粉替代部分水泥可以減少水泥用量，改善混凝土工作性，降低水化熱，增進(jìn)后期強(qiáng)度，改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B和抗腐蝕能力。由于混凝土中摻入磨細(xì)礦粉后能延緩膠凝材料的水化速度，使混凝土的凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，這一性質(zhì)對(duì)高溫季節(jié)混凝土的輸送和施工有利。表4為正交試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)。

表4　正交試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)表 1)

3正交試驗(yàn)結(jié)果分析

選用L16(45)正交表分別安排16組試驗(yàn)，兼顧再生混凝土工作性能及抗壓性能兩個(gè)考核指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5　L 16(4 5)正交試驗(yàn)結(jié)果

以再生骨料取代率為橫軸，以立方體抗壓強(qiáng)度為縱軸，分別繪制兩類再生骨料混凝土正交試驗(yàn)結(jié)果曲線圖，如圖1和圖2所示。

圖1　摻礦粉再生混凝土7 d抗壓強(qiáng)度

3.1　試驗(yàn)分析

由圖1曲線分析可以得出，再生混凝土7 d抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在再生骨料取代率50%~70%處。這是由于混凝土在7 d時(shí)還處于強(qiáng)度增長(zhǎng)時(shí)期，其內(nèi)部還在發(fā)生水化反應(yīng)，水灰比影響不明顯，并且由于再生骨料外表面不光滑，有棱角存在，在摻量為50%~70%時(shí)，再生骨料與天然骨料的“填塞”緊密性較好。從圖表的整體來(lái)看，Ⅰ類再生骨料混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度曲線較為緊湊，說(shuō)明Ⅰ類料保持了骨料的特性，骨料的性質(zhì)較為穩(wěn)定。另一方面，一定的再生混凝土取代天然骨料，由于再生骨料周圍包裹的砂漿可以吸收水分導(dǎo)致再生混凝土水灰比減小，從而提高了立方體抗壓強(qiáng)度。但是，過多的再生骨料的摻入雖然總體的吸水量增加，但再生骨料由于其自身存在微小裂縫的缺陷，且外包砂漿含量的增加會(huì)降低骨料的強(qiáng)度，新舊砂漿界面的包裹力較砂漿與骨料間包裹力降低，因此在立方體抗壓試驗(yàn)時(shí)更容易形成貫穿裂縫，從而導(dǎo)致混凝土破壞。

圖2　摻礦粉再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度

由圖2曲線分析可以得出，再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度中水灰比為0.45、0.48的兩組呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，水灰比為0.50、0.55的兩組呈現(xiàn)總體下降的趨勢(shì)。這是由于水灰比為0.45、0.48的兩組水灰比較小，再生骨料周圍的砂漿可以吸收水分，從而提高了立方體抗壓強(qiáng)度；而水灰比為0.50、0.55的兩組由于水灰比增加，隨著再生骨料取代率的增長(zhǎng)，再生骨料其自身也存在微小的缺陷、裂縫，使得更多的水分進(jìn)入其中，降低了骨料的強(qiáng)度，導(dǎo)致立方體抗壓強(qiáng)度降低。

3.2　正交試驗(yàn)極差分析

表6為Ⅰ類料正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，表中數(shù)據(jù)為各因素在同一水平下的試驗(yàn)結(jié)果平均值。

由表6極差分析可知，Ⅰ類再生粗骨料工作性能影響因素的主次順序?yàn)椋核冶?再生素骨料>摻合料取代率；7 d抗壓強(qiáng)度影響因素的主次順序?yàn)椋簱胶狭先〈?再生素骨料>水灰比；28 d抗壓強(qiáng)度影響因素的主次順序?yàn)椋核冶?摻合料取代率>再生素骨料。這是因?yàn)榈V粉的水化程度高于水泥的水化程度，礦粉的摻入會(huì)增強(qiáng)再生混凝土的早期強(qiáng)度，因此在28 d齡期時(shí)，礦粉的取代率對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較大。從以上結(jié)論可以看出，對(duì)于不同的考核指標(biāo)，各因素的影響程度和效果并不一致。因此，在配制不同性能的混凝土?xí)r，應(yīng)考慮不同的考核指標(biāo)，以達(dá)到最優(yōu)配合比。

表6　極差分析表

3.3　多指標(biāo)正交分析——功效系數(shù)法

假設(shè)正交分析考核n個(gè)指標(biāo)(每個(gè)指標(biāo)的功效系數(shù)設(shè)為di，(0≤di≤1)，總的功效系數(shù)d為：

d=(d1d2d3…di)1/2

(2)

di的確定方法如下：用di=1表示第i個(gè)指標(biāo)的效果最好，相應(yīng)地對(duì)同列各指標(biāo)的取值作歸一化處理，并計(jì)算總功效系數(shù)(見表7)，則最大總功效系數(shù)對(duì)應(yīng)的混凝土配合比最優(yōu)。

表7　功效系數(shù)分析表 1)

通過比較總的功效系數(shù)可以得出，本試驗(yàn)中各因素的最佳取值為：Ⅰ類料為水灰比0.55，再生骨料取代率為50%，粉煤灰取代率為20%。這個(gè)結(jié)論說(shuō)明：Ⅰ類料在配制混凝土?xí)r再生骨料取代率較高。礦粉由于不吸水，和易性差，易泌水，降低水化熱，起補(bǔ)充骨料的作用，同時(shí)礦粉可以提高混凝土的后期抗壓強(qiáng)度，改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B和抗腐蝕能力。因此，在配制Ⅰ類料再生混凝土?xí)r，適當(dāng)增加礦粉的摻入率可以彌補(bǔ)骨料缺陷對(duì)抗壓強(qiáng)度帶來(lái)的影響。

3.4　試驗(yàn)結(jié)果

(1)由極差分析可知，Ⅰ類再生骨料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度及坍落度影響因素的主次順序均為：水灰比>摻合料取代率>再生粗骨料；7 d抗壓強(qiáng)度影響因素的主次順序?yàn)?摻合料取代率>再生粗骨料>水灰比。

(2)由功效系數(shù)可以看出，Ⅰ類再生骨料混凝土功效系數(shù)d=0.828，其值最大，相應(yīng)的試驗(yàn)組合為A4B2C4，即水灰比0.55，再生骨料取代率為50%，摻合料取代率為20%。

(3)通過對(duì)比分析圖1與圖2數(shù)據(jù)可以看出，礦粉的加入會(huì)對(duì)混凝土后期強(qiáng)度起到積極的增進(jìn)作用。

(4)通過對(duì)Ⅰ類再生骨料混凝土進(jìn)行配合比試驗(yàn)，得出用Ⅰ類骨料配制混凝土?xí)r骨料的缺陷對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響相差不大，并且由于礦粉不吸水，和易性差，易泌水，降低了水化熱，同時(shí)改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了抗?jié)B和抗腐蝕能力，起到補(bǔ)充骨料的作用，因而礦粉可以提高混凝土的后期抗壓強(qiáng)度。在實(shí)際工程應(yīng)用中，礦粉作為摻合料用于Ⅰ類再生骨料混凝土應(yīng)進(jìn)行推廣。

4結(jié)論與展望

采用廢棄粗骨料混凝土及其他材料配制C30再生混凝土并進(jìn)行配合比正交試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

4.1礦粉的加入對(duì)后期混凝土抗壓強(qiáng)度的增加起到積極作用。

4.2原生混凝土的不同性質(zhì)對(duì)再生混凝土的配合比影響不大。

4.3粗骨料混凝土最佳配合比組合為A4B2C4，即水灰比為0.55，再生骨料取代率為50%，摻合料取代率為20%。

4.4與天然對(duì)比組相比，再生骨料混凝土在破壞時(shí)由于自身骨料缺陷造成薄弱界面增多，強(qiáng)度有下降趨勢(shì)，隨著再生骨料的取代率增加，再生混凝土強(qiáng)度呈先上升再下降的趨勢(shì)。不同水灰比時(shí)強(qiáng)度下降幅度不同，但利用新疆地區(qū)原材料能配制出適合本地區(qū)的再生混凝土。

由于時(shí)間精力所限，本試驗(yàn)只對(duì)新疆地區(qū)Ⅰ類再生混凝土礦粉組進(jìn)行了試驗(yàn)研究，今后會(huì)對(duì)新疆地區(qū)Ⅱ類再生混凝土礦粉組進(jìn)行進(jìn)一步的探究，以完成對(duì)新疆地區(qū)Ⅰ類、Ⅱ類再生混凝土礦粉組試驗(yàn)的全面研究。

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Orthogonal Proportion Experimental Study of Regenerated Mineral Powder Coarse Aggregate Concrete

ZHANG Ting1，QIN Yong-jun2，LI Xiang2，GUO Yao2

(1.Xinjiang Institute of Engineering，Urumchi，Xinjiang，830091，China；2.Xinjiang University，Urumchi，Xinjiang，830047，China)

Key words：mineral powder；recycled aggregate concrete；mix design；orthogonal experiment

(編輯盛晉生)