正交法分析再生混凝土基本力学性能.pdf

钎 建魄 粉 中 国 科 技 核 心 期 刊 正交法分析再生混凝土基本力学吐 生 链 陈爱玖， 孙晓培， 杨粉， 孙嘉伟 ( 华北水利水 电学院， 河南 郑州4 5 0 0 1 1 ) 摘要 ： 用正交分析法分析矿渣粉、 粉煤灰、 引气剂、 聚丙烯纤维和再生粗骨料 5 个因素对再生混凝土抗压和劈拉强度的影响， 得 出再生混凝土的最佳配合 比。试验表明： 粉煤灰和矿渣粉 是影 响再生混凝土力学性 能的主要因素； 随着粉煤灰掺量增加 ， 再生混凝 土 2 8 d抗压强度和劈拉强度分别降低 2 6 8 8 和 O 6 4 7 ， 粉煤灰掺量 3 0 的再 生混凝 土 9 0 d抗 压强度 比 2 8 d提高 了 4 9 ； 再生混凝土的强度随着矿 渣粉掺量的增加 呈增大趋势 ， 抗压 强度增 幅为 4 9 8 1 ， 劈拉强度增幅为 O 4 4 6 。 关键词： 再生混凝土； 强度； 正交试验 中图分类号： T U 5 2 8 ； X 7 9 9 1 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 0 1 0 4 Ba s i c 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 b y o r t h o g o n a l t e s t C H E N A ij i u ， S U N X i a o p e i ， Y AN G F e n ， S U N J i a w e i ( No r t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a nd El e c t r i c P o we r ， Zh e n g z h o u 4 5 0 01 1 ， He n a n， Ch i n a ) Abs t r a c t ： T h i s p a p e r r e s e a r c h e d t h e e ffe c t o f mu f t i - f a c t o r ( s l a g p o wd e r ， fl y a s h， a i r e n t r a i n i n g a g e n t ， p o l y p r o p y l e n e f i b e r ， a nd r e c y c l e d c o a rse a g g r e g a t e ) o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d s pl i t t i n g s t r e n g t h r e c y c l e d c o n c r e t e b y t h e wa y o f o r t h o g o n a l t e s t me t h o d， a n d t h e o p t i mu m mi x t u r e r a t i o o f r e c y c l e d c o nc r e t e i s d e t e r mi n e d b y t h e s a me wa y T h e r e s u l t s s ho w t h a t ： t h e fly a s h a n d t h e s l a g p o wd e r we r e t h e mo s t i mp o rta n t f a c t o rs f o r t h e me c h a n i c a l p rop e r t i e s o f c o n c r e t e Th e c o mp r e s s i v e s t r e n gth a n d s p l i t t i n g s t r e n gth o f r e c y c l e d c o n c r e t e i n 2 8 d de c r e a s e s 2 6 -8 8 a n d O 6 4 7 b y t h e r a t e o f f l y a s h i n c r e a s i n g， t h e 9 0 d s t r e n gth i m p r o v e d 4 9 o b v i o u s l y c o mp a r e d wi t h 2 8 d wh e n t h e r a t i o o f fly a s h wa s 3 0 Th e c o mp r e s s i v e s t r e n gth an d s p l i t t i n g s t r e n gth of r e c y c l e d c o n c r e t e i n c r e a s e d 49 8 1 an d O4 4 6 r e s p e c t i v e l y b y t h e r a t e o f s l a g p o wd e r i n c r e a s i n g Ke y wo r d s ： r e c y c l e d c o n c r e t e ； s t r e n gth ； o rt h o g o n a l t e s t 混凝土材料在人类社会的发展过程中起着极其重要的作 用， 与此同时建筑垃圾引发的社会和环境问题日 益突出。 将废 弃混凝土作为再生骨料配制成再生混凝土，并使用矿物掺合 料作为辅助的胶凝材料，这对于能源和资源的有效利用以及 减少城市环境负荷上优势明显【 】卅 。本文对再生混凝土的抗压 强度和劈拉强度进行正交试验研究，为再生混凝土在实际工 程中的应用提供理论依据。 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 7 7 9 0 1 8 ) ； 河南省科技厅科技攻关项 目( 1 0 2 1 0 2 2 1 O 0 9 6 ) ； 郑州市科技攻关项 目( 1 1 2 P P T G Y 2 2 2 3 ， 1 0 P T G S 5 0 7 3 ) ； 河南省杰 出人才项 目( 0 9 4 2 0 0 5 1 0 0 1 1 ) ； 郑州市科技领军人才项 目( 0 9 6 S Y J H2 3 1 0 5 ) 收稿 E t 期 ： 2 0 1 2 0 8 2 1 作者简介 ： 陈爱玖， 男 ， 1 9 6 7年生 ， 安徽舒城人 ， 博士， 教授 ， 硕士 生导 师 ， 研究方 向土木工程 。地址 ： 郑 州市北环 路 3 6号 ， E ma i l ： c a j 1 9 6 7 1 6 3 c o mo 1 试验概况 1 1 试验原材料 水泥： 郑州天瑞牌P 0 4 2 5 水泥； 砂： 洛阳产天然河砂， 细 度模数2 9 ； 天然粗骨料： 5 2 6 5 m m连续级配， 再生粗骨料： 来自 实验室废弃的混凝土梁， 经破碎， 筛分后得到， 粗骨料的 基本 g q t , z日 见表 1 ； 粉煤灰： 级粉煤灰， 性能指标见表2 ； 矿渣 微粉： 济源市国泰微粉科技有限公司生产的$ 9 5 级矿粉， 性能 指标见表 3 ； J b D N 0 ： 河北省混凝土外加剂厂生产的D H 9型 引气剂和D H 1 3 聚羧酸高性能减水剂； 聚丙烯纤维： 呈束状单 丝， 自 分散性好； 水： 郑州市普通自来水。 表 1 粗骨料的基本性 能 NE W 8UI L DI NG M AT E Rf AL S l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈爱玖， 等： 正交法分析再生混凝土基本力学性能 表 2 粉煤灰的性 能指标 表 3矿粉 的性能指标 1 2 试验配合 比设计 本试验目的是通过正交试验分析研究矿粉( 等量取代法) 、 粉煤灰( 采用超量取代法， 超代系数为 1 3 ) 、 引气剂、 聚丙烯纤 维和再生粗骨料对混凝土抗压及劈拉强度的影响程度，并获 得最佳配合比。采用L 。 ( 4 ) 正交试验， 正交试验因素水平见 表4 ， 配合比设计见表5 。 表 4 再生混凝土正 交试验因素水平 注 ： 引气剂掺量按占胶凝材料质 量计 ； 减水剂掺最均为胶凝材料 质量 的 O 7 。 表 5 正交方案及配合比设计 2 试验结果及分析 2 1 和 易性分 析 本试验在进行配合比设计时，以普通混凝土的配合比设 计为标准，拌合物用水量以普通混凝土Z 1 为基准。试验表 明， 普通混凝土z 1 的和易性较好， 可满足施工要求。在用水 量相同的条件下， 再生混凝土的坍落度较天然混凝土小( 见表 6 ) ，和易性比天然混凝土差。这是因为再生粗骨料吸水率为 4 2 ， 而天然粗骨料吸水率仅为1 0 ， 再生粗骨料与天然粗 骨料相比， 表面有旧砂浆附着、 粗糙且棱角多， 在破碎过程中 形成大量微裂缝，这些因素使得其吸水率和吸水速率大大提 2 新型建筑材料 2 0 1 3 4 高， 是天然粗骨料的数倍， 从而大大降低了混凝土的坍落度。 虽然粉煤灰和矿渣粉可改善再生混凝土的流动性，但是本试 验中再生粗骨料对坍落度的影响要大于粉煤灰和矿渣粉的影 响， 聚丙烯纤维的加入虽然可提高再生混凝土的保水性， 但使 其流动性变差； 所以在本试验配合比情况下， 粉煤灰、 矿渣粉 等对混凝土拌合物和易性改善效果不明显。 2 2 基本力学性能分析 依据表5 拌制再生混凝土， 2 4 h 后拆模， 在标准养护条件 下养护2 8 d 和9 0 d 后进行力学性能试验， 结果见表6 。根据 表6 分别计算出矿粉、 粉煤灰、 引气剂、 聚丙烯纤维、 再生粗骨 料对再生混凝土含气量、 2 8 d 抗压强度、 9 0 d 抗压强度、 2 8 d 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈爱玖， 等： 正交法分析再生混凝土基本力学性能 劈拉强度影响的极差值， 极差分析结果见表7 。 表 6 再生 混凝 土的基本 力学性能 表 7 各 因素对再生混凝土力学性 能影 响的极差分析 由表6 可知， 与不掺粉煤灰相比， 再生混凝土中粉煤灰取 代水泥， 其2 8 d 抗压和劈拉强度分别降低2 6 一 8 8 和0 6 一 4 7 ， 2 8 d 抗压强度与 9 0 d抗压强度比较增长幅度分别为 2 6 、 3 5 、 3 7 、 4 9 ， 再生混凝土后期强度随粉煤灰掺量增加 而增大， 当掺量为3 0 时增幅最大； 再生混凝土中掺入矿粉 等量取代水泥， 2 8 d 抗压强度和劈拉强度分别提高4 9 8 1 和0 4 4 6 ， 矿粉可增强粉煤灰再生混凝土抗压强度 和劈拉强度， 改善粉煤灰再生混凝土早期强度低的缺点 由表7可以看出： 影响再生混凝土含气量的主次因素为 引气剂掺量 粉煤灰掺量 聚丙烯纤维掺量 再生粗骨料掺 量 矿粉掺量；影响再生混凝土2 8 d 抗压强度的主次因素为 粉煤灰掺量 矿粉掺量 引气剂掺量 再生粗骨料掺量 聚丙 烯纤维掺量； 影响再生混凝土9 0 d 抗压强度的主次因素为粉 煤灰掺量 矿粉掺量 引气剂掺量 再生粗骨料掺量 聚丙烯 纤维掺量； 影响再生混凝土2 8 d 劈拉强度的主次因素为引气 剂掺量 再生粗骨料掺量 粉煤灰掺量 矿粉掺量 聚丙烯纤 维掺量。 通过点图分析的方法可见各因素水平变化时，相应指标 的变化趋势。根据表6 针对再生混凝土中5 种因素的不同水 平， 分别做出含气量、 2 8 d 抗压强度、 9 0 d 抗压强度、 2 8 d劈拉 强度的趋势图， 分别见图1 一 图4 。 A 1 A 2A 3 A 4 B1 B 213 3 B 4C 1 C 2C 3 C 4D 1 D 2 D 3 D 4 E 1 E 2 E 3 E 4 影响因素 图 1 含气量点图分析 A 1 A 2 A 3 A 4 B 1 B 2 B 3 B 4C 1 C 2 C 3 C 4 D 1 D 2 D 3 D 4 E 1 E 2 E 3 E 4 影响因素 图 2 2 8 d抗压强度点图分析 A1 A 2 A 3 A 4 B 1 B 2 B 3B 4 C 1 C 2 C 3 C 4 D 1 D 2 D 3 D 4 E 1 E 2 E 3 E 4 影响因素 图 3 9 0 d抗压强度点图分析 A 1 A 2A 3 A 4 B 1 B 2 B 3 B 4 C l C 2C 3 C 4 D 1 D 2 D 3 D 4 E l E 2 E 3 E 4 影响因素 图 4 2 8 d 劈拉 强度点图分析 E W BUI L Dl NG MAT E RI AL S 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈爱玖， 等： 正交法分析再生混凝土基本力学性能 由图 1 可见， 再生混凝土含气量随着因素C ( 引气剂) 掺 量增加而明显增大， 且呈线性增加， 因素B ( 粉煤灰) 对含气量 影响较大， 当掺量为2 0 时， 含气量较大， 其余各因素对含气 量影响不明显。 引气剂的主要作用是在混凝土中引入封闭、 独 立的微小气泡， 且在混凝土中被集料和水泥浆包裹不易消失， 对混凝土拌合物起到活化界面的作用_5 】 ， 增加混凝土拌合物流 动性， 可明显改善混凝土的抗冻性， 但是混凝土的抗压强度随 着含气量的增加而降低。 由图2 可见， 再生混凝土早期抗压强度随因素A( 矿粉) 掺量的增加而提高，当掺量为3 0 时取得最大值，随因素B ( 粉煤灰) 掺量增加抗压强度降低， 2 8 d 抗压强度随因素C ( 引 气剂) 掺量增加降低， 因素D( 聚丙烯纤维) 掺量对抗压强度增 强效果不明显， 因素E ( 再生粗骨料) 也是影响抗压强度的重 要因素之一， 表现为总体上呈下降趋势。 因为再生粗骨料表面 旧砂浆与新砂浆之间的粘结是应力薄弱区，而再生粗骨料在 加工过程中遭受到了 损伤破坏，从而导致再生混凝土的强度 随着再生骨料掺量的增加而降低。粉煤灰再生混凝土存在早 期强度较低的问题，因为粉煤灰颗粒对水泥中各种矿物质的 早期水化速度有明显影响， 粉煤灰颗粒具有吸附C a 的作用， 从而减缓了C S H的结晶与成核， 进而阻碍了早期的水化进 程。矿渣粉等量取代水泥后可显著改善粉煤灰再生混凝土的 早期强度，矿渣粉作用于混凝土的主要作用机理有微集料效 应、 微晶核效应、 火山灰效应 ， 因为矿渣粉颗粒粒径要远小 于粉煤灰颗粒， 在粉煤灰再生混凝土中掺入矿渣粉， 由于矿渣 粉颗粒和粉煤灰之间良好的“ 叠加效应” 可以 更好地改善再生 混凝土中各集料之间结构连接， 同时起到填充作用， 使其内部 结构更加致密， 使粉煤灰再生混凝土的强度得到改善。 粉煤灰 再生混凝土与普通混凝土一样， 后期强度发展较快， 这是由于 在中后期随着火山灰反应的继续和水化反应的进行，矿渣粉 和粉煤灰参与反应也相应越充分，矿渣粉的化学潜能得到较 好地释放， 可促进粉煤灰再生混凝土中后期强度的发展。 由图3 可见， 再生混凝土9 0 d 抗压强度随各因素掺量的 变化趋势， 因素B粉煤灰掺量对再生混凝土的后期抗压强度 影响发生了变化，即再生混凝土后期抗压强度随着粉煤灰掺 量的增加而提高， 其余几种因素在 9 0 d 龄期时， 对抗压强度 的影响趋势与2 8 d时抗压强度变化趋势相同。 由图4 可知， 再生混凝土2 8 d 劈拉强度随着因素A( 矿 粉) 掺量的增加呈线性增加趋势， 在矿粉掺量为3 0 时劈拉 强度取得最大值； 随因素 B ( 粉煤灰) 掺量增加而呈线性降低； 因素C ( 引气剂) 是影响再生混凝土劈拉强度的重要因素， 其 4 新型建筑材料 2 0 1 3 4 掺量的增加引起的劈拉强度下降较为明显； 因素D ( 聚丙烯纤 维) 掺量增加劈拉强度略有提高； 随因素E ( 再生粗骨料) 掺量 增加劈拉强度降低， 在再生粗骨料掺量7 0 时， 劈拉强度略 有提高。 综上所述， 满足再生粗骨料混凝土具有良好和易性、 抗压 强度和劈拉强度要求的最佳组合为A 4 B 4 C D E 。 3 结语 ( 1 ) 满足再生粗骨料混凝土良 好和易性、 抗压强度和劈拉 强度要求的最佳正交组合为A 4 B 4 C ， D E ： ；粉煤灰和矿渣粉是 影响再生混凝土基本力学性能的重要因素。 ( 2 ) 再生混凝土中粉煤灰超量取代水泥， 其 2 8 d 抗压和 劈拉强度与不掺粉煤灰相比，分别降低2 6 8 8 和0 6 一 4 7 ， 2 8 d 抗压强度与9 0 d抗压强度比较增长幅度分别为 2 6 、 3 5 、 3 7 、 4 9 ，再生混凝土后期强度随粉煤灰掺量增 加而增大， 当掺量为3 0 时增幅最大； 再生混凝土中掺入矿 粉等量取代水泥，2 8 d 抗压强度和劈拉强度分别提高4 9 8 1 和 0 4 4 6 ， 矿粉可增强再生混凝土抗压强度和劈拉 强度， 改善再生混凝土早期强度低的缺点。 ( 3 ) 再生混凝土强度随再生粗骨料掺量增加而降低； 掺入 引气剂会降低再生混凝土的抗压强度， 相对粉煤灰和矿粉， 影 响并不十分明显， 对再生混凝土劈拉强度的降低作用显著； 聚 丙烯纤维对再生混凝土抗压强度影响较小，但对劈拉强度有 着补强作用。 参考文献 ： 1 上海市粉煤灰综合利用办公室 上海市粉煤灰综合利用现状和展 望 J 】 粉煤灰 ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 3 - 4 2 林震 ， 陈益 民， 苏娇华- 夕 掺磨 细矿渣与粉 煤灰的水泥基 材料 的 亚微观结构研究【 J J 硅酸盐学报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 增刊) ： 6 3 】 陈爱玖， 潘丽云 ， 王静 ， 等 粉煤灰对再生混凝土性能 的影 响研究 I J 】 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 8 4 - 8 7 【 4 】 胡敏萍 不同取代率 再生粗骨 料混凝 土的力 学性能 J 1 混凝 土 ， 2 o 0 7( 2 )： 5 2 5 4 5 蒋亚清 混凝土外加剂应用基础【 M 一E 京： 化学工业出版社 ， 2 0 0 4 6 蒋家奋 矿渣微 粉在水泥混凝土 中应 用的概述【 J 混凝 土与水泥 制 品， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 3 - 6 7 王秀娟 ， 陆文雄 ， 邵霞 ， 等 高炉矿渣用作高性能混凝土掺合料 的 研 究进展 J 上海大学学报， 2 0 0 4 ， 1 0( 2 ) ： 1 7 0 1 7 5 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m