基于正交設計的低品質再生骨料自密實清水混凝土配合比設計*

裘 泳，姜 濤，趙景鋒，王雪軍，杜越峰，徐亦冬

(1.浙江省二建建設集團有限公司，浙江 寧波 315202； 2.浙大寧波理工學院，浙江 寧波 315100； 3.浙江大學工程師學院，浙江 杭州 310015)

0 引言

我國進入21世紀后，隨著城鎮化建設進程不斷加快，建筑行業高速發展，不僅消耗了大量天然砂石等不可再生資源，同時也產生大量廢棄混凝土，不僅占用寶貴土地，而且會引起環境和社會問題[1]。對廢棄混凝土進行循環再生利用，不僅可解決大量廢棄混凝土處理困難及由此造成的生態環境惡化問題，同時也可減少對天然砂石等資源的消耗[2]。清水混凝土是指一次澆筑成型，直接以原始澆筑面或僅以透明保護劑做保護性處理后的表面作為結構表面，通過混凝土本色和自身質感達到美觀效果[3]。由于清水混凝土結構一次成型，且在施工過程中不抹灰、不涂料，不僅減少了建筑垃圾，同時也降低了整體造價，是一種經濟環保的技術手段。為充分利用廢棄混凝土，將再生混凝土技術與清水混凝土技術相結合，利用廢棄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來制備再生骨料自密實清水混凝土，同時實現了廢棄混凝土回收利用和減少裝飾材料對環境的污染，對混凝土可持續發展具有現實意義。

由于建筑廢棄物來源廣泛、組成復雜，導致由不同來源建筑廢棄物破碎得到的再生骨料性能差異巨大，使再生骨料品質難以得到有效控制[4]。相比天然粗骨料，再生粗骨料由于表層包裹疏松多孔砂漿，使骨料具有較小堆積密度和表觀密度及較大吸水率[5-6]。故在相同水膠比下，采用再生骨料制備的再生混凝土性能會大大降低，同時再生骨料品質也對混凝土性能有一定影響[7]。GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》詳細規定了再生粗骨料各種性能指標，將混凝土用再生粗骨料按性能要求分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類。本試驗采用規范中Ⅲ類低品質再生粗骨料配制再生骨料自密實清水混凝土，且清水混凝土對混凝土表面性能要求較高，故在進行配合比設計時，不能直接按普通混凝土配合比設計方法進行設計，需通過設計正交試驗，確定不同因素對混凝土不同性能指標的影響規律，同時找出每個性能指標的顯著性影響因素。基于正交試驗結果，對低品質再生骨料清水混凝土配合比進行優選并進行驗證，確定最優配合比參數。

1 試驗研究

1.1 試驗原材料

水泥為普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)， 產自寧波，粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，產自寧波，性能指標如表1所示，細骨料為普通河砂，產自寧波，符合GB/T 14684—2011《建筑用砂》要求，粒徑級配良好，表觀密度為2 520kg/m3，細度模數為1.8；粗骨料為5～16mm連續級配再生粗骨料，其SEM圖如圖1所示。采用產自江蘇蘇博特新材料股份有限公司PCA-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%。水為自來水。

表1 粉煤灰基本性能指標 %

圖1 再生粗骨料SEM圖

1.2 試驗方法

1.2.1再生粗骨料材料性能測試

再生粗骨料材料性能測試按《混凝土用再生粗骨料》規定的取樣方式、樣品數量及試驗方案。對再生粗骨料顆粒級配、表觀密度、微粉含量、壓碎指標及吸水率[8-9]進行測試。再生粗骨料基本性能指標如表2所示。

表2 再生粗骨料基本性能指標

1.2.2正交試驗設計

基于普通自密實清水混凝土配合比設計方法確定配合比參數基本范圍，設計正交試驗，研究水膠比、砂率及膠凝材料含量對再生骨料自密實清水混凝土不同指標性能影響。基于前期探索試驗研究，以再生粗骨料全部替代混凝土中天然粗骨料，同時確定粉煤灰摻量為膠凝材料含量的20%，減水劑為膠凝材料含量的1.5%，將水膠比、砂率和膠凝材料含量作為3個影響因素，研究其對再生骨料自密實清水混凝土工作性能及力學性能的影響規律與顯著性，每個因素選取3個水平，如表3所示。

表3 正交因素水平數

根據因素的水平數，本試驗采用L9(34)正交試驗表，如表4所示。

表4 正交試驗

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗結果

基于正交試驗9個試驗組，根據CCES 02—2004《自密實混凝土設計與施工指南》和JGJ 169—2009《清水混凝土應用技術規程》測試每組試驗混凝土坍落擴展度和7d抗壓強度，試驗結果如表5所示。

表5 正交試驗結果

2.2 不同影響因素對再生骨料自密實清水混凝土工作性能的影響分析

再生骨料自密實清水混凝土配合比設計中，混凝土工作性能主要通過混凝土坍落擴展度來體現，因此，對混凝土坍落擴展度試驗結果進行極差分析，如表6所示。

表6 混凝土坍落擴展度極差分析

根據混凝土坍落擴展度試驗結果計算出對應各列水平K值和極差R，由表6可知，不同因素對再生骨料自密實清水混凝土坍落擴展度的影響程度依次為：水膠比>砂率>膠凝材料含量。在試驗影響因素水平范圍內，隨著水膠比增加，再生骨料自密實清水混凝土坍落擴展度逐漸增大，在同等水膠比增幅情況下，混凝土坍落擴展度增長幅度明顯減小。這是因為初始階段隨著水膠比增加，骨料與膠凝材料黏結性明顯降低，很大程度上增強了混凝土流動性；而當水膠比繼續增加，混凝土骨料與膠凝材料黏結性降低至接近臨界值，使得在同樣水膠比增幅情況下，混凝土坍落擴展度增幅明顯減小。對于膠凝材料含量的影響，混凝土坍落擴展度隨其增加有一定的變化幅度，但相對于水膠比的影響不是很明顯，因為在骨料與用水量確定的情況下，膠凝材料含量改變50～100kg/m3，混凝土流動性不會有很大變化。為便于混凝土施工，在考慮混凝土工作性能時選擇不泌水且坍落擴展度較大方案，故根據K值計算結果，得出各因素的優水平分別為A3，B3，C2，即水膠比為0.36，砂率為51%，膠凝材料含量為530kg/m3。

2.3 不同影響因素對再生骨料自密實清水混凝土力學性能的影響分析

再生骨料自密實清水混凝土配合比設計中，混凝土力學性能主要通過混凝土7d抗壓強度來體現，因此，對混凝土7d抗壓強度試驗結果進行分析，如表7所示。

表7 混凝土7d抗壓強度極差分析

根據混凝土7d抗壓強度試驗結果計算出對應各列水平K值和極差R，可發現砂率對再生骨料自密實清水混凝土7d抗壓強度影響最大，其次是水膠比，膠凝材料含量的影響最小。根據試驗結果，可得出砂率在47%增加至49%的過程中，混凝土7d抗壓強度相對有較大增長幅度，這是因為砂率的增加使混凝土內部部分孔隙得到較好填充，使混凝土成型后更加密實，從而增強了混凝土抗壓強度；但隨著砂率逐漸增加，混凝土7d抗壓強度反而減小，因為砂率的增加導致粗骨料體積占比減小，使混凝土抗壓強度減小。水膠比對再生骨料自密實清水混凝土7d抗壓強度的影響與普通混凝土較吻合，隨著水膠比增大，混凝土抗壓強度逐漸減小。故根據K值計算結果，得出各因素的最優水平分別為A1，B2，C2，即水膠比為0.32，砂率為49%，膠凝材料含量為530kg/m3。

2.4 再生骨料自密實清水混凝土工作性能及力學性能試驗結果的方差分析

為避免誤差列對試驗結果的干擾，還應對混凝土坍落擴展度和7d抗壓強度進行方差分析，如表8所示。

由表8可知，各因素水平變化所產生的偏差平方和均小于誤差偏差平方和，因此選取顯著性水平α=0.1和α=0.05兩種情況下的臨界值Fα，分別為F0.1(2,2)=9.00，F0.05(2,2)=19.00。根據F比計算結果可知，對于混凝土坍落擴展度，水膠比在顯著性水平0.1，0.05上均顯著，而砂率和膠凝材料含量的影響不顯著，與極差分析結果一致；對于混凝土7d抗壓強度，3個因素所對應的F比值均小于臨界值Fα，因此，各因素對混凝土7d抗壓強度的影響均不顯著。

表8 混凝土坍落擴展度和抗壓強度方差分析

2.5 再生骨料自密實清水混凝土配合比試驗驗證

基于上述研究結果，綜合分析得出最佳設計組合為：A2，B3，C2，即水膠比0.34，砂率51%，膠凝材料含量為530kg/m3。選取最佳設計組進行再生骨料自密實清水混凝土配制，并對其工作性能及力學性能以C30混凝土技術標準進行試驗驗證，試驗結果如表9所示。

表9 最佳設計組下拌合物工作性能及力學性能指標

由表9可知，各項性能指標測試結果均滿足技術要求。試驗采用多種不同模板處理工藝，制得的混凝土均達到清水效果，如圖2所示。

圖2 再生粗骨料自密實清水混凝土成型效果

3 結語

通過正交試驗，采用L9(34)正交表分析了3種不同因素對再生骨料自密實清水混凝土工作性能的影響程度，并通過方差分析分析了各因素對各指標影響的顯著性，得到如下結論。

1)對各因素進行極差分析，水膠比對再生骨料自密實清水混凝土坍落擴展度影響最大，其次是砂率，膠凝材料含量的影響最小；對7d抗壓強度的影響程度從大到小依次為砂率、水膠比、膠凝材料含量。綜合各因素對再生骨料自密實清水混凝土工作性能和力學性能的影響，水膠比對坍落擴展度具有顯著性影響，其余因素對混凝土工作性能無顯著性影響。

2)結合正交設計極差分析和方差分析，優選出1組工作性能最優的配合比，再對此配合比混凝土進行試驗驗證，得到的試驗結果均滿足技術要求。