高性能再生混凝土骨料取代的优化设计.pdf

2 0 1 0 年 第 5期 (总 第 2 4 7 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 01 0( To t a l No2 4 7) 。混 凝 土 Co n c r e t e 原材 料及辅助物料 MATERI AL AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 5 0 2 2 高性能再生混凝土骨料取代 的优化设计 周璇 ，曾志兴 ( 华侨大学 土木工程学院， 福建 泉州 3 6 2 0 2 1 ) 摘要 ： 通过对高性能再生混凝土骨料取代的研究， 利用线性回归并结合优化设计对已做试验的代表性数据进行分析， 从理论上得出了 最佳骨料取代率 ， 为再生骨料的选取提供了技术参考。 关键词 ： 高性能再生混凝土 ；骨料取代 ；线性回归 ；优 化设计 中图分类 号： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 0 6 7 0 3 0p t i mi z a t i o n o f a g g r e g a t e r e p l a c e me n t o n r e c y c l e d h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e Z HOU Xu a n ， ZENG Z hi - xi n g ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Hu a q i a o Un i v e r s i t y ， Qu a n z h o u 3 6 2 0 2 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e a u t h o r r e s e a r c h o n a g g r e g a t e r e p l a c e me n t o f r e c y c l e d h i 曲 p e r f o r ma n c e a g g r e g a t e c o n c r e t e ， a n d a l s o ma k e u s e o f r e p r e s e n t d a t a t h r o u g h t h e l i n e a r r e g r e s s i o n a n d o p t i mi z a t i o n， a t l a s t g e ei n g t h e b e s t a g g r e g a t e s u bs t ati o n f r o m t h e t h e o r y， a n d a l s o p r o v i d e a t e c h n i c a l r e f e r e n c e f o r s e l e c t i n g t h e r e c y c l e d a g gr e g a t e Ke ywor ds ： RHP C； a g g r e g a t e r e p l a c e me n t ； l i n e a r r e gre s s i o n； o p t i mi z a t i o n 0 引言 高性能混凝土( H i g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e ， 简称 HP C) 是一 种新型的高技术混凝土 ， 是在大幅度提高混凝土组分性能的基 础上， 采用现代混凝土技术， 在严格的质量管理下制成的。除了 水泥 、 水、 骨料以外 ， 必须掺入足够数量的细掺合料与高效减水 剂。高性能混凝土具有以下主要性能： 高耐久性 、 高工作性以及 高经济合理性， 代表着混凝土未来的发展方向。近年来发展起 来的再生混凝土若想要得到大面积的推广 ， 一开始就必须走高 强度高性能化路线。 当建筑物达到一定的使用年限或其他原因被拆除的时候， 将产生大量的废弃混凝土( A b a n d o n e d C o n c r e t e ) ， 这些废弃混 凝土的弃置堆放既占用土地又影响环境。而将废弃混凝土作为 一 种资源， 经清洗 、 破碎和筛分等加工处理， 则得到可以用于生 产混凝土的骨料再生骨料l 1 l 。 用再生骨料作为部分或者全部骨料配制的高性能混凝土 称为高性能再生混凝土( R e c y c l e d H i g h P e rf o r ma n c e C o n c r e t e ， 简称 R HP C) ， 它同样具有普通高性能混凝土的优良力学性能和 耐久性， 同时与我国的环境保护、 生态保护政策和可持续发展 战略紧密地结合起来， 走人与自然和谐发展之路 ， 符合未来的 趋势 ， 是混凝 土发展的重要方向 。 骨料、 天然骨料 、 细骨料和高效减水剂 F D N。 为了提高混凝土 的抗冻耐久性 ， 还需要加入一定量的引气剂 ， 试验中为 F s引 气 剂 。 为了研究高性能再生混凝土的特性， 该试验对比配制了两 个系列的配合比， 分别为普通再生混凝i( R e c y c l e dAg g r e g a t e C o n c r e t e ， 简称 R AC) 和高性能再生混凝土( R HP C) 。其中高性 能再生混凝土配合比的设计参数是根据试验结果得出的， 水胶 比( W B， 其中B为胶凝材料用量， 即水泥 C、 硅粉 s F和粉煤灰 F A用量之和) 为 0 2 5 ， 硅粉和粉煤灰掺量为 1 5 。另外表中w 表示用水量 、 S表示砂 的用量 、 N A表示天然骨料用量 、 R A表示 再生骨料用量。具体配合比见表 l 。 表 1 再生骨料混凝土的配合 比 含量 配合比 ( k g m ) 缃 一一 W B S F 13 F A B RA A C S F F A W S NA RA 1 高性 能再 生混凝 土的配合 比设计 从表 1 可以计算出再生骨料取代天然骨料的比例分别为 文献 2 中提及到的试验采用了水泥、 硅粉、 粉煤灰 、 再生 0 、 3 0 6 1 0 2 0 = 3 0 、 6 1 2 1 0 2 0 = 6 0 、 1 0 2 0 1 0 2 0 = 1 0 0 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 1 - O 7 基金项目：福建省高校新世纪优秀人才支J J ( 0 7 F J R C 0 5 ) ； 福建省自然科学基金项目( E 0 7 4 0 0 0 9 ) ； 厦门市科技计划高校创新项目( 3 5 0 2 Z 2 0 0 8 3 0 3 8 ) 泉州市科技计划项 目( 2 0 0 8 Z1 1 ) 67 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 高性能再生混凝土的性能 2 1 再 生混凝 土 2 8 d的抗压 性 能 对文献 2 】 中提及到的抗压性能数据进行整理， 如图 1 、 2 。 姜 骨科 取代率 ， 图 1 骨料取代率对普通再生混凝土( 2 8 d】 强度的影响 骨科 取代率 ， 图 2 骨料取代率对高性能再生混凝土( 2 8 d ) 强度的影响 从图 1 、 2可以看出： 再生混凝土的抗压强度随着再生骨料 取代的增加而降低， 但降低幅度随龄期的延长而有所减少， 裔I生 能再生混凝土也有此规律， 其 2 8 d抗压强度最低也超过 7 0 MP a ， 达到高强要求翻 。 2 2 再生混凝土 2 8 d的渗透性能 对文献 2 】 中提及到的渗透系数进行整理， 如图 3 、 4 。 著 垛 9 O 8 5 8 0 7 5 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 4 5 骨科取代率 ， 图 3 骨料取代率对普通再生混凝土 ( 2 8 d) 渗透系数的影响 著 疆 斑 骨科取代 率 ， 图 4 骨料取代率对高性能再 生混凝土( 2 8 d) 渗透 系数的影响 从图 3 、 4中可以看出： 随着再生骨料取代量的增加 ， 渗透 系数渐渐增大， 渗透陛劣化， 而高性能再生混凝土的渗透系数比 普通再生混凝土低一个数量级， 这说明其抗渗性大大提高了脚 。 和高性能混凝土的主要技术一样， 高性能再生混凝土也有 很高的耐久性。在进行配合比设计时始终要以耐久性为中心 ， 能使其达到最高耐久性的配合比就是最优配合 比。基于此， 许 多学者针对结构不同的服役环境， 提出了如下几种配合比设计 方法 ： 抗碳化的配合比设计， 适用于地面上的钢筋混凝士结 构以及地下的钢筋混凝土基础 抗盐害的配合比设计， 适用 于海洋工程混凝土及其制品的劣化， 主要是氯离子的侵蚀； 抗 冻融与渗透的配合设计， 比如上面引用的试验； 抗硫酸盐腐 蚀的配合比设计， 适用于酸雨地区、 工厂废水及有些隧道渗水 涵洞； 考虑实际情况下对 R HP C构件的侵蚀与腐蚀， 往往是 综合上述多种因素同时影响的结果， 因此还要进一步检验综合 6 8 因素作用下的结果 。 3 对试验数据进行 线性 回归 3 1 基础 数据 处理 ( 1 ) 再生骨料的取代率共有四种， 分别为： 0 、 3 0 、 6 0 、 1 0 0 0。 ( 2 ) 混凝土最大的一个特点就是它有很大的抗压强度， 所 以取抗压强度( 龄期为 2 8 d ) 为力学指标的代表， 有 4个数据， 分别为 7 7 8 、 7 4 5 、 7 2 - 3 、 7 0 8 ； 这里用它们的减少量 ： 7 7 8 7 0 8 = 7 ， 7 4 5 -7 0 8 =3 7， 7 2 3 7 0 8 =1 5， 7 0 8 7 0 8 =0。 ( 3 ) 耐久性方面取渗透系数来分析 ， 有 4个数据， 分别为 0 1 8 8 、 0 1 9 8 、 O 2 0 5 、 O 2 2 5 ； 这里用它的增加量为 0 1 8 8 0 1 8 8 = 0 ， 0 1 9 8 - 0 1 8 8 = 0 O 1 ， 0 2 0 5 0 1 8 8 =0 O 1 7 ， 0 2 2 5 0 1 8 8 = o 0 3 7 。 3 2 对数据进行直线拟合 为了便于分析， 对上面的数据进行加权处理。比如骨料取 代量加权后就取为： 0 、 3 O 、 6 0 、 1 0 0 ； 抗压强度取 7 为权 1 0 0 ， 则分 别为 1 0 0 、 5 2 9 、 2 1 4 、 O ； 渗透系数取 0 0 3 7为权 1 0 0 ， 则分别为 0 、 2 7 、 4 6 、 1 0 0 ； 令再生骨料取代率为自变量 ( 0 ， 3 0 ， 6 0 ， 1 0 0 ) ， 抗压 强度为 ) ， l ( 1 0 0 ， 5 2 9 ， 2 1 4 ， 0 ) 和渗透系数为 y 2 ( 0 ， 2 7 ， 4 6 ， 1 0 0 ) 。 线性 回归都可以通过最小二乘法求出其方程， 可以计算出对 于 6 + 0 的直线 ， 其经验拟合方程如下 ： ( ) ( ) 广 6= = 主 ( ) ： 一 ： 一 按照式( 1 ) 进行数据计算得出6 = 一 0 9 8 7 8 ， a = 9 0 4 9 5 ， 则抗 压强度一 骨料取代率线性回归方程： y = 9 0 4 9 5 0 9 8 7 8 x ( 2 ) 其函数图像见图 5 。 一 -H 5 0 粪 蓑 o 辍 3 0 他 W 嘿 N 刊璐 烘 雠 掣幄 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 优化设计 由于直线 y t = 9 0 4 9 5 0 9 8 7 8 x是 由 4个 点线 性 回归 而成 ， 原则上在实际中所有的点应该均匀分布在直线的上下( 部分点 可能会落在直线上) 。在进行优化处理时， 要求强度越大越好， 即取直线上面的点进行分析 ， 则有 y 9 0 4 9 5 0 9 8 7 8 x ( 4 ) 同理， 对直线 y 2 = O 9 7 7 6 x 一 3 1 8 6 进行优化处理时要求渗透 系数越小越好， 即取直线下面的点进行分析， 则有 y 0 9 7 7 6 x 一 3 1 8 6 ( 5 ) 引入目标函数 U = y 一 y 2 ， 当 取最大时即最优化。移项代 人等式( 2 ) 、 ( 3 ) 处理后有： 1 9 6 5 4 x + U - 9 3 6 8 1 ( 6 ) 根据文献【 5 里所提及到的方法得出当 Y ， 通过点( 4 7 6 6 5 ， 4 3 4 1 1 ) 时 U最大， 最佳骨料取代率为 4 7 6 6 5 ， 为了更直观说 明这点 ， 见图 7 。 【 u U1 图 7 骨料取代率与抗压强度、 渗透系数以及再生骨料所带来的 经济效 益三者 之间的优化关 系 很明显这是一个优化设计模型， 图中阴影部分为可行域。要 最大， 即要求y 3 = 1 9 6 5 4 x + U - 9 3 6 8 l 在 Y 轴截距最大， 当其通 过点( 4 7 6 6 5 ， 4 3 4 1 1 ) 时截距最大， 此时 最大， 为 4 3 4 3 1 。 通过分析可以看出 的取值取决于骨料所带来的经济效 益公式， 也就是说一般情况下最佳骨料取代率是不存在的， 只是 个理论上的数据。但是它为选择再生骨料提供了标准， 应该选 择其所带来的经济效益公式 y = 似+ 6接近 y = 1 9 6 5 4 x 一 5 0 2 5的 再生骨料。最后通过计算得出近似的最佳骨料取代率。 上述是将强度和耐久性对等起来计算得出的结果 ， 实际工 程中对二者的不同要求应具体问题具体分析。例如高层建筑物 的建造需要高强度的混凝土， 那么它就对强度提出了更高的要求， 上接第 6 6页 ( 3 ) 配制锰渣混凝土， 掺锰渣微粉掺合料， 充分发挥了它的 填隙作用和火山灰活性作用。锰渣可以作为混凝土掺合料大量 应用于生产 、 施 工 中， 这种可 持续 发展 的混 凝土生产 方式具有 很高的社会价值和现实意义。 参考文献 ： 1 吴中伟 绿色高性能混凝土混凝土的发展方向【 J 混凝土与水泥 制品 ， 1 9 9 8 ( 1 ) ： 3 - 6 【 2 姚武 绿色混凝土【 M 京： 化学工业出版社， 2 0 0 5 【 3 J3 周棚， ， 等无棚 材料显微舶 浙江： 浙江大学蝴 土 ， 2 0 0 0 【 4 宁坤亮 锰铁矿渣作水泥混合材技术分析 J 硅酸盐建筑制品， 1 9 9 4 因此在优化处理 时应扩大强度权重 的倍 数 ， 应为 ： 1 0 0 k 、 5 2 9 k 、 2 1 4 、 0 ( 其中k l ， 大小要根据实际工程具体要求的强度参考 数值得出， 此处不作讨论) ； 在近海工程中要求混凝土有很强的抗 渗性， 那么此时应缩小渗透系数权重的倍数， 为： 0 、 2 、 4 6 k 、 l O O k ( 其中k 1 ) ； 若对强度和渗透都有要求， 则可同时伸缩各自的权重。 此分析是针对抗压强度和渗透系数这两个方面进行的， 若 有多个因素同时作用， 该方法可以推广， 具体算法跟上述类似。 总之 ， 高性能再 生混凝 土与普通再 生混凝土相 比， 具 有更 高的强度和耐久性 ， 比普通高性能混凝土和普通再生混凝土可 以更多地利用工业废渣和废弃混凝土， 节约更多的资源与能源， 并且对环境的破坏减到最小， 其绿色度更高。高性能再生混凝 土的开发应用从根本上解决了天然骨料的日益匮乏以及大量 混凝土废弃物造成生态环境 日益恶化等问题， 保证混凝土工业 和人类社会的可持续发展。 5 结束语 ( 1 ) 高性能再生混凝土与高性能混凝土同样具有优 良的力 学性能和高的耐久性。 ( 2 ) 最佳骨料取代率只是个理论上的数据 ， 实际工程中可 参考本文所提供的技术算得近似最佳骨料取代率。 ( 3 ) 高性能再生混凝土将是普通再生混凝土发展成熟后必 然要进人的新的研究领域， 所以在不久的将来必将为人们所重 视 ， 并得到大力发展。 参考文献 ： 1 宋瑞旭， 万朝均 ， 王冲， 等 高强度再生骨料和再生高性能混凝土试 验研究阴 混凝土， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 2 9 3 1 2 刘数华， 冷发光 再生混凝土技术【 M 】 北京： 中国建材出版社 ， 2 0 0 7 3 冯乃谦， 邢锋 高性能混凝土技术【 M 】 E 京： 原子能出版社， 2 0 0 0 4 贺东青， 任志刚 高性能混凝土配合比设计方法研究综述J 】 国外建 材科技 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 4 ) ： 3 2 3 4 【 5 】 王全凤 结构优化基本方法及在高层建筑中应用 M 】 厦门： 厦门大学 出版社， 1 9 9 5 作者简介 单位地址 联 系电话 周璇( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 硕士研究生， 结构工程方向。 福建省泉州市华侨大学土木工程学院 0 8 级研究生信箱 ( 3 6 2 0 2 1 ) 1 51 0 6 0 9 9 5 91 ( 5 ) ： 3 4 3 6 5 】5 安庆锋 水淬锰铁合金渣的活性评价及来源分析 D 桂林 ： 桂林工学 院 ， 2 0 0 8 6 刘寿昌， 古向荣 高炉锰铁炉渣的研究与实践 J J 铁合金， 1 9 9 5 ( 3 ) ： 2 2 -2 5 【 7 】 刘秉京 混凝土技术 M 】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 4 作者简介 ： 单位地址： 联 系电话 ： 王一靓( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要从事工业废渣资源 合理利用及绿色混凝土掺合料相关方面的研究。 厂西桂林市桂林理工大学 6 6 8 # 信箱( 5 4 1 0 0 4 ) 1 3 7 3 7 7 3 7 6 5 6 69 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m