再生混凝土路面砖性能研究.pdf

2 0 1 5年 第 1 2 期 ( 总 第 3 1 4 期) Nu mb e r 1 2 i n 2 0 1 5【 T o t a l No 3 1 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 CoNCRE TE P RoDUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 2 0 3 5 再生混凝土路面砖性能研 究 朱平华 ， 谢飞飞 ( 常州大学 土木工程系，江苏 常州 2 1 3 1 6 4 ) 摘要： 采用正交试验研究了胶凝材料用量 、 矿渣掺量 、 振动时间3个因素对再生混凝土路面砖力学性能与吸水率的影响， 用总 功效系数法对配合 比与成型工艺进行优化。 结果表明： 胶凝材料用量对再生混凝土路面砖力学性能影响最大， 矿渣掺量次之 ， 振 动时间最弱 ； 胶凝材料用量提高， 强度增加， 吸水率下降； 矿渣掺量增大， 其强度降低； 振动时间延长 ， 吸水率减小 ， 力学性能变化 不显著。 用总功效系数法得出的最优方案， 可制备出满足 G B 2 8 6 3 5 -2 0 1 2 要求的再生混凝土路面砖。 关键词： 再生混凝土； 路面砖； 正交设计 ； 总功效系数法； 力学性能； 吸水率 中图分类号： T U 5 2 8 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 1 3 4 0 4 Res ea r ch ab ou t pr oper t i e s of r ec ycl e d concr e t e pa vement br i ck s ZHU P i n g hu a， XI E Fc i f e i ( D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， C h a n g z h o u U n i v e r s i t y ， C h a n g z h o u 2 1 3 1 6 4 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： Or tho g o n a l t e s t wa s u til i z e d t o r e s e a r c h t he i n flu e n c e s o f t h r e e f a c t o r s o n me c h a ni c a l p r o p e r t i e s a n d wa t e r a b s o r p t i o n of r e c y c l e d c o n c r e m p a v e me n t b ric k s ， wh i c h we r e c e m e n t i t i o u s ma t e ria l c o n t e n t ， s l a g c o n t e n t a n d v i b r a tio n t i m e T he mi x t u r e r a ti o a n d m o u l d i n g p r o c e s s we r e o p t i mi z e d u s i n g the g e n e r a l e ffi c a c y c o e ffic i e n t me tho d Th e r e s u l t s s ho w t h a t c e me n t i t i o u s ma t e ria l c o n t e n t a f f e c t e d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r e c y c l e d c o n c r e t e r o a d b ric k s mo s t ， t h e n s l a g c o n t e n t ， v i b r a t i on time Th e i n c r e a s i n g o f c e me n t i t i o us ma t e ria l c o n t e n t s e n g th e n e d me c h a ni c a l p r o p e r t i e s a n d r e d u c e d wa t e r a b s o r p t i o n Th e a u g me n t o f s l a g c o n t e n t d e t e rio r a t e d me c ha n i c a l p r o p e r t i e s Vi b r a tio n ti me h a d n o s i g n i fic a n t i n fl ue n c e o n i t s c o mp r e s s i v e a n d fle x u r a l s e n g ths W a t e r a b s o rpt i o n wa s d e c r e a s e d wi th e x t e ns i o n of v i b r a t i on t i me Th e r e c y c l e d c o nc r e m p a v e me n t b ric k s f r o m o p t i ma l s c h e me o b t mn e d f r o m g e n e r a l e ffic a c y c o e ffi c i e n t me t h o d c o u l d me e t the q u a l i t y r e q u i r e m e nt s o f GB 28 6 3 5 - 2 01 2 i n t e r ms o f Chi n e s e s t a n da r d K e y wo r d s： r e c y c l e d c o n c r e t e ； p a v e me n t b ri c k； o r t h o g o n a l d e s i g n； g e n e r a l e ffi c a c y c o e ffi c i e n t me tho d ； me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； wa t e r a b s o r pt i o n 建筑业是社会发展必不可缺 的基础行业之一 ， 近些年 随着社会 的进步得到了巨大的发展 ， 但每年随之产生 的建 筑垃圾却不断攀升 。 目前 ， 我 国每年拆 除建 筑产生 的建筑 垃圾超过 3 亿 t ， 每年新建建筑产生 的建筑垃圾达 1 亿 t ， 占 人类活动产生固体废弃物总量 的4 0 。 大量建筑垃圾排 放不仅占用许多宝贵的土地资源， 而且造成严重的环境污 染 ， 生态环境恶化。 同时建筑垃圾也是潜在 的二次资源 ， 目 前我国建筑垃圾 的资源化利用还不到 5 _ l2 J 。 因此 ， 如何对 其进行合理有效地 回收利用 ， 已成为亟待解决 的问题 。 建筑垃圾主要 由废 旧混凝 土块、 砂石块 、 废沥 青混凝 土块 、 渣土 、 废砂浆 、 碎砖瓦块、 废金属等组成 ， 其 中绝大 多数是废 旧混凝土块。目 前对建筑垃圾的资源化处理主要 以废弃混凝土的开发利用为主 ， 应用前景 十分广 阔。 现在 废 旧混凝土再利用主要集 中在制备再生骨料混凝土 、 再生 胶凝材料以及砖瓦的再应用上 。 利用再生粗骨料作为原材料制 备的再生混凝 土路面 砖 ， 是一种绿色建筑 材料 ， 这 对节约资源 、 改善环 境 、 实现 可持续发展具有十分重要的意义 。 本研究将废 旧混凝土块 制成的再生粗骨料作为主要原材料 ， 适量掺加水泥、 矿渣 、 天然砂 、 聚丙烯纤 维、 减水 剂 ， 采用振动成型 工艺 ， 在试验 室制备再生混凝土路面砖 。 采用正交试验对路面砖进行配 合 比与成型工艺设计 ， 主要研究胶凝材料用量 、 矿渣掺量 、 振动时间3 个因素对其力学性能和吸水率的影响， 并引入 总功效 系数法予 以优化 ， 找出最优方案 。 1 试验原材料 水泥 ： 江苏扬子水泥有限公 司生产 的 P O 4 2 5 R级水 泥 ， 其物理力学性能见表 1 。 矿渣： 镇江金正矿粉有限公司生产的 $ 9 5级矿渣， 密 度为 2 8 4 2 k g m 。 天然砂 ： 粒径为 0 1 6 5 m n l 的普通河砂 ， 细度模数3 0 ， 属于 I I 区中砂。 其主要物理性能 ： 表观密度为 2 6 1 6 k g m ， 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 2 5 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 7 8 0 7 3 ) ； 江苏省六大人才高峰项 目； 江苏省产学研联合创新资金前瞻性联合研究项 目( B Y 2 0 1 3 0 2 41 7 ) 1 3 4 表 1 水泥物理力学性能 2 4 h的吸水率 为 0 2 ， 符合 G B T 1 4 6 8 4 _2 0 l 1 建 筑用 砂 的标准要求 。 再生粗骨料 ： 扬州惠 民再生资源有限公司生产 的商用 再 生混凝 土 粗 骨料 ， 粒 径 为 5 1 6 i n m， 其 中粒 径 大 于 1 6 mm的采用两级破碎 比工艺法 将其破碎 、 筛分得 到要 求粒径 。 测得其表观密度为 2 6 0 2 k g m ， 压碎值为 1 2 5 ， 3 0 m i n吸水率为 3 4 。 聚丙烯纤 维 ： T B一 1 9束状单丝 ， 长 1 2 mi l l ， 掺量为胶 凝材料总用量 的 0 1 。 减水剂 ： 江苏尼高科技有限 公司生产的 J KP C A( A 型) 聚羧酸缓凝减水剂 ， 测得氯离子含量为 0 0 3 8 ， p H为 6 3 ， 减水率为 2 0 。 2正 交试 验 设 计 2 1试 验 目标 以 G B 2 8 6 3 5 -2 0 1 2中的 N F 5 0 C 4 0 C f 4 0 6 5 为 目标 ( 抗压 强度 4 0 MP a ， 抗 折强 度 4 0 MP a ， 吸 水率 6 5 ) 。 工作性设计坍落度 1 0 m m， 维勃稠度为1 1 2 0 S ， 采用减水剂来调整 。 2 2正 交试 验 设 计 正交试验 因素水平见表 2 。 表 2 ( 3 ) 因素水 平表 2 3配合 比 与试 验 方 法 采用张亚梅等 提 出的附加用水 量法分 别计算 表 3 中各方案 的配合 比， 采 用 T a m 等 提出的两 阶段混合 法 搅拌 ： 先将全部砂、 石倒入搅拌机， 搅拌3 0 S ， 再倒人5 0 的 水， 搅拌 3 0 S ， 将骨料表面润湿； 然后依次倒入水泥、 矿渣 和聚丙烯纤维， 搅拌 3 0 S ， 最后倒入减水剂以及剩余的水， 搅拌 1 2 0 S 。 将搅拌 好 的混 凝 土 装 入 试 验 室 自制 的 2 0 0 1 1 2 1 1 1 0 0 m m 5 0 mm的钢模 ， 要求超出模具 2 3 c m， 然后放置 在振动台上按规定时间振动， 待振动结束后用刮板将砖表 面磨平。 将装好 的试模放在室内静置 2 4 h后拆模 ， 然后标 准养护 2 8 d 。 最后依据 G B 2 8 6 3 5 -2 0 1 2 ( ( 混凝土路面砖 相关标准对养护好 的路 面砖进 行抗压强度、 抗折强度 、 吸 水率测试 。 3 试验 结果及分析 总功效系数法常用于多指标 的正交试验 ， 采用每组试 验 的总功效系数作为评价指标 ， 可使试验结 果得以简化。 假设正交设计考核 n个指标 ， 第 i 组试验各 指标 经归一化 处理后的功效系数为 d 。 、 d 、 d 。 、 、 d ， d 越接近 1 表示 这组试验 的指标效果越好 ， 则第组试验 的总功效系数可 以 表示如式 ( 1 ) ： d i = d i 1 d d i ( 1 ) 由正交试验可知试验总共 9组， 设第 f 组试验的考核 指标抗压强度 、 抗折强度 、 吸水率归一化处理后 ， 功效系数 分别为 d 。 、 d d ， 则第组试验 的总功效系数为 ： d i = d i, d d i3 ( 2 ) 总功效 系数最大者综合性能最优 。 正交试验结果及归一化处理见表 3 。 3 1 抗压 强度 抗压强度极差分析、 方差分析与因素趋势图分别见 表 4 、 5与图 1 。 由表4可见， 对于抗压强度， 各因素影响程度排序为： ( 胶凝材料用量 ) ( 矿渣掺量 )( 振 动时间) ， 说明胶凝 材料用量对抗压强度影响最大 。 由图 1可知 ， 抗 压强度随 胶凝材料用量 的增 加而增大 ， 其主要原 因在 于， 一方 面胶 凝材料用量越 多， 混凝 土 内部硅酸三钙含量越 多 ， 水 化后 产生大量的水化硅 酸钙 ( C S H) 大幅增加 了砖试件 的早 期强度 ， 另一方面水化反应增大 了氢氧化钙 的产量 ， 有 助 表 3 各 考核 指标 试验 结果 与归 一化 处理 1 35 表4 抗压强度极差分析 于激发矿渣 的少量火 山灰作用 ， 同时再生骨料表面吸附着 大量 的水泥砂浆 ， 里面夹杂着一些未水化或水化不充分 的 胶凝物 ， 在碱性环境下参与或继续水化改善了新旧水 泥砂 浆界面过渡 区。 这些 因素都导致了再生混凝土路面砖抗压 强度 的增加 ； 矿渣掺量越大 ， 抗压强度越小 ， 这是因为随着 表 5抗压 强度 方差 分析 注： “ ” 影响显著 ； “一” 有一定影响 ， 以下表同。 矿渣掺量的增加水泥 的总量减少 ， 并且矿渣 活性低 、 水化 量对抗压强度有 显著的影响 ， 应选最优水平 ， 而矿渣 掺量 反应慢， 由火山灰效应带来的强度提高不能补偿因水泥用 和振动时间对其影响不显著， 可依据经济因素选择水平， 量减少而引起的强度整体下降。 由表 5可知， 胶凝材料用 则抗压强度最优方案为 A 3 B 3 C 1 。 胶 凝材 料用量 k g ( a ) 丑 槲 1 0 O 9 丑 O 9 鼎 O 9 0 9 图 1 各 因素对 抗压 强度 、 抗折 强度 、 吸水 率影 响趋势 3 2抗折强度 抗折强度 极差分 析 、 方差分 析与 因素趋势 图分别见 表 6 、 7与图 l 。 表 6 抗折强度极差分析 2 0 振 动时间 s f c ) O O 9 2 8 4 量 76 6 8 由表 6可知， 对于抗折强度 ， 各 因素影响程 度排序 为： ( 胶凝材料用量 ) ( 矿渣掺量 )( 振 动时间 ) ， 说明胶凝 材料用量是影响抗折 强度 的主要 因素。 由图 1 可见 ， 胶凝 材料用量越大 ， 路面砖抗折强度越大 ， 这 主要 是因为混凝 土抗折强度主要源 自水化后胶凝材料 与粗 骨料之间 的黏 接力， 胶凝材料用量增多后， 充分包裹了粗集料 ， 提高它们 之 间的黏结力 ， 增加 了混凝土 的断裂能 ， 进而增 强了砖 的 抗折强度 ； 随矿渣掺量 的增多 ， 抗折强度先小 幅增加后 减 表 7抗折 强度方 差分 析 小 ， 主要是因为矿渣 具有微集料填充效应 ， 掺量较 小时能 有效填充粗集料表面水泥砂浆层里 的微纹裂缝 ， 增加 了混 凝土的密实度， 掺量较大时填充后仍有富余， 多出的矿渣 对混凝 土早期强度贡献 的较小。 由表 7可知 ， 胶凝 材料用 量对路 面砖抗 折强度 的影响显著 ， 应选最优水平 ， 矿渣掺 量和振动时间对抗折强度无显著影响 ， 可考虑经济性选择 水平 ， 则抗折强度最优方案为 A 3 B 3 C 1 。 3 3 吸 水 率 吸水率极差分析 、 方差分析与因素趋势图分别见表 8 、 9与图 1 。 1 36 表 8 吸水率极差分析 由表 8可 知 ， 对 于吸水率 ， 各 因素影 响程度排 序 为： ( 振动时间 ) ( 胶凝材料用量 )( 矿渣 掺量 ) ， 说明振动 时 间对吸水率的影 响程度最大 。 由图 1 可见 ， 胶凝材料用 量越多 ， 吸水率越小 ， 主要 是因为胶凝材料越 多混凝土 的 密实度越高 ； 吸水率随振动时间的增加而减小 ， 究其原因 ： 表 9吸水率方差分析 振动时间较短时 ， 机械振动力不能完全克 服混凝 土的内摩 擦 ， 颗粒之间的往复运动较弱 ， 集料相对集 中， 混凝土密实 度不高 ， 随着振动时问 的延长 ， 颗粒 问的摩擦力逐渐 削弱 或消失 ， 此时混凝土处于悬浮状态 ， 具有流动性 ， 集料颗粒 相互填充密实并充满模具 。 由表 9可知 ， 振动 时问对吸水 率 的影响显著 ， 应选最优水平 ， 胶凝 材料用量和矿渣 掺量 对其影 响不明显 ， 应选经济性最 高的水 平 ， 则吸水率最 优 方案为 A1 B 3 C 3 。 3 4总功效 系数 总功效系数极差分析和方差分析分别见表 i 0 、 I I 。 表 1 0 总功效系数极差分析 表 1 1 总功效系数方差分析 由表 1 0可知 ， 对于总功效系数 ， 各 因素影响程度排序 为 ： ( 振动时间)( 胶凝 材料用 量)( 矿渣掺 量 ) 。 根据 平均值 分析 ， 随着胶凝材料用量 的增加 ， 总功效系数 随 之增大 ； 随着矿渣掺量 的增加 ， 总功效系数 随之减小 ； 随着 振动 时 间的延 长 ， 总功效 系数随之增 大。 由表 1 1分析可 知， 振动时间对总功效系数的影响最显著 ， 应选最优水平 ， 则按总功效系数选择 的最优方案为 A 3 B 1 C 3 ， 这 与表 3分 析得 出的结论是一致 的， 即第 7组试验方案。 综合考虑再生混凝 土路面砖 的抗压 、 抗折 、 吸水性能 ， 胶凝材料用量和振动时 间应选最优水平 ， 矿渣掺量应选 最 经济 的水平 ， 则 由正交试验极差 分析与方差分析得出的最 优方案为 A 3 B 3 C 3 。 但发现总功效系数法与极差 和方差 分 析得 出的方案并非不一致 ， 而且 方案 A 3 B 3 C 3不在正交试 验组里 ， 故要对再生混凝土路面砖进行验证试验。 采用方案 A 3 B 3 C 3进行了验证试验 ， 测得再生混凝土 路面砖 2 8 d 抗压强度为 5 0 8 MP a ， 抗折强度为 4 8 2 MP a ， 吸水率为 5 1 ， 低于第 7组方 案 ， 但 都满足规 范要求 。 单 从性能方面考虑 ， 第 7组方案综合性 能最佳 ， 应 为最 优方 案。 若综合考虑砖 的性能和经济性 ， 方 案 A 3 B 3 C 3既满足 性能要求 ， 又较为经济 ， 可视为最优方案 。 4 结 论 ( 1 ) 首先运用正交试验极差分析 与方 差分析 ， 研究胶 凝材料用量 、 矿渣掺量 、 振动 时间对再生混凝土 路面砖力 学性能和吸水率 的影 响， 找出最优方案 ， 然后与 总功效系 数法得出的最佳方案进行对比， 最后通过验证试验确定最 优方案， 可得到抗压强度、 抗折强度、 吸水率满足 N F 5 0 C 。 4 0 c , 4 0 6 5 G B 2 8 6 3 5 -2 0 1 2 要求的再生混凝土路面砖。 ( 2 ) 胶凝材料用量是再生混凝土路 面砖力学性能最 主 要 的影响因素 ， 强度随着胶凝材料用量的增加而提高。 ( 3 ) 矿渣掺量对再生混凝土路面砖力学性能和吸水率 的影响不显著 ， 在满足基本性能 的前 提下 ， 应选择经济性 最好的掺量 。 ( 4 ) 振动时间是影响再生混凝土路面砖吸水率 的主要 因素 ， 振动时 间越 大， 吸水率越小。 参考文献 ： 1 李海明 我国城市建筑垃圾资源化利用研究进展与展望 J 建 筑技术， 2 0 1 3 ， 4 4 ( 9 ) ： 7 9 5 7 9 7 E 2 3郭昊， 李英子 北京市建筑垃圾资源化研究 J 经济师， 2 0 1 4 ( 1 ) ： 2 1 2 2 E 3 3陈家珑 ， 高振杰， 周文娟 ， 等 对我国建筑垃圾资源化利用现状 的思考E J 3 中国资源综台利用， 2 0 1 2 ， 3 0 ( 6 ) ： 4 7 5 0 - 4 3 王宝民， 涂妮 ， 杨奕 建筑垃圾处理及应用研究进展 J 低温建 筑技术 ， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 1 3 5 周军， 王欣， 朱平华 ， 等 混凝土骨料再生设备及工艺研究 J 混凝土， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 1 2 5 1 2 7 6 张亚侮 ， 秦鸿根， 孙伟 ， 等 再生混凝土配合比设计初探 J 混 凝士与水泥制品 ， 2 0 0 2 ， 1 2 3 ( 1 ) ： 7 9 7 3 T A M V W Y， G A O X F ， T A M C M Mi c r os t r u c t u r a l a n a l y s i s o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e p r o d u c e d f r o m t wo s t a g e mi x i n g a p p r o a c h - J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5( 6 ) ： l 1 9 5 一】 2 0 3 第一作者 ： 联 系地 址 ： 联 系 电话 ： 朱平华( 1 9 6 6) ， 男 ， 教授， 主要研究方向： 混凝土结 构耐久性。 江苏常州大学土木工程系( 2 1 3 1 6 4 ) 1 3 58 53 0 9 51 9 1 37