再生矿粉粗骨料混凝土正交配合比试验研究 *

试验研究

再生矿粉粗骨料混凝土正交配合比试验研究*

*基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目(2012211A005)；国家级大学生创新实验项目(201310755021)；新疆工程学院自然科学课题(2013xgy091412)。

□□ 张婷1，秦拥军2，李祥2，郭尧2(1.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐830091；2.新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐830047)

摘要：为探究再生矿粉粗骨料混凝土中矿粉的作用，对采集的废弃混凝土进行破碎、筛分，得到再生粗骨料，试验研究了矿粉对再生混凝土性能的影响。依据GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》，将不同来源的再生粗骨料分为Ⅰ类和Ⅱ类，分别进行了16组正交试验，运用极差分析讨论了水灰比、再生骨料取代率及矿粉掺量，对再生粗骨料混凝土工作性能及立方体抗压强度的影响，并采用功效系数法进行了多指标正交分析，得到了适合C30再生混凝土的配合比。

关键词：矿粉；再生混凝土；配合比设计；正交试验

文章编号：1009-9441(2015)03-0015-05

中图分类号：TU 528.01；X 799.1

文献标识码：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.

作者简介：张婷(1971-)，女，安徽蚌埠人，副教授，主要从事土木工程材料、混凝土结构等的教学与科研工作。

收稿日期：2015-05-01

引言

随着我国西部大开发的进一步推进，建筑物也更趋于向大跨度、高层数、轻量化发展，对混凝土的需求也更加迫切，再生混凝土也逐渐得到了更多人的关注，特别是对高性能再生混凝土的需求增加。矿粉是将水淬粒化高炉矿渣进行粉磨达到规定细度的一种具有潜在活性的矿物掺合料，是一种新兴的建筑材料，具有颗粒超细、活性较高的特点，可作为混凝土的掺合料取代部分水泥，是生产高性能混凝土的组成材料之一，也是目前商品混凝土公司广泛采用的一种原材料。本试验将废弃混凝土进行破碎、清洗、筛分等，得到可用于试验的粗骨料，对再生粗骨料的基本性能进行检测，再将矿粉作为掺合料加入混凝土中，采用正交试验方法进行再生混凝土配合比设计，参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》及上海市DG/T J08—2018—2007《再生混凝土应用技术规程》，对Ⅰ类再生混凝土的力学性能进行了试验研究。

1试验原材料及试验方案

1.1　原材料

(1)水泥：新疆乌鲁木齐市红雁池电厂有限公司生产的P·O 42.5R水泥。

(2)天然骨料：粗骨料为卵石，粒径4.75~37.5 mm，连续级配；细骨料为中砂，细度模数为2.9，表观密度为2 640 kg/m3。

(3)再生粗骨料：结构框架、砖混结构旧房拆迁、市政工程、道路工程、桥梁工程、地坪工程等6种不同来源的废弃混凝土，经破碎后加工成6种再生粗骨料，粒径为4.75~37.5 mm。根据GB/T 14865—2011《建设用卵石、碎石》和GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》，分别对不同来源再生骨料的基本性能进行了试验，依照国家现行规范标准对新疆地区的再生粗骨料进行类别划分，初步将其划分为两类，粗骨料的性能见表1。

表1　不同来源原生混凝土制备的再生粗骨料性能

(4)活性矿物掺合料：磨细矿渣粉，其45 μm筛余量为40%。

(5)水：乌鲁木齐地区自来水。

1.2　试验方案

对再生骨料进行正交试验配合比设计，并进行了4组天然骨料对比组，立方体抗压试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。参照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行混凝土拌合物拌制，测其坍落度，24 h后拆模，在标准养护条件下至7 d、28 d后测其抗压强度。抗压强度试验过程参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行，加载速度为0.6 MPa/s。试验设备为TYE-30008B型压力试验机，最大量程为3 000 kN。天然骨料对比组的配合比设计及试验结果见表2。

表2　天然骨料对比组的配合比设计及试验结果

2Ⅰ类再生混凝土配合比正交试验研究

正交试验设计(Orthogonal Experimental Design)是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备“均匀分散，齐整可比”的特点，因此正交试验设计是一种高效率、快速、经济的试验设计方法。利用正交试验的方法进行再生混凝土配合比的试验研究，可以在保证试验结果准确性的基础上大大减少试验次数。

本试验对粗骨料再生粗骨料混凝土进行了基于正交试验的配合比设计。基准混凝土强度等级取C30混凝土，参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计。本试验的考核指标包括再生混凝土工作性能(坍落度)和立方体抗压强度(7 d与28 d)，选取水灰比、再生骨料取代率、掺合料取代率为主要因素，每个因素考虑4个水平(见表3)。

表3　因素水平表

考虑到再生混凝土骨料的吸水率较大，试验前首先确定拌合物附加用水量(Mwa)，其计算公式如(1)式，试验配合比如表4所示。

Mwa=Mg·(Wwg-Wwh)

(1)

矿粉的主要化学组分为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等，用矿粉替代部分水泥可以减少水泥用量，改善混凝土工作性，降低水化热，增进后期强度，改善混凝土内部结构，提高抗渗和抗腐蚀能力。由于混凝土中掺入磨细矿粉后能延缓胶凝材料的水化速度，使混凝土的凝结时间延长，这一性质对高温季节混凝土的输送和施工有利。表4为正交试验配合比设计。

表4　正交试验配合比设计表 1)

3正交试验结果分析

选用L16(45)正交表分别安排16组试验，兼顾再生混凝土工作性能及抗压性能两个考核指标，试验结果见表5。

表5　L 16(4 5)正交试验结果

以再生骨料取代率为横轴，以立方体抗压强度为纵轴，分别绘制两类再生骨料混凝土正交试验结果曲线图，如图1和图2所示。

图1　掺矿粉再生混凝土7 d抗压强度

3.1　试验分析

由图1曲线分析可以得出，再生混凝土7 d抗压强度均出现先上升后下降的趋势，峰值出现在再生骨料取代率50%~70%处。这是由于混凝土在7 d时还处于强度增长时期，其内部还在发生水化反应，水灰比影响不明显，并且由于再生骨料外表面不光滑，有棱角存在，在掺量为50%~70%时，再生骨料与天然骨料的“填塞”紧密性较好。从图表的整体来看，Ⅰ类再生骨料混凝土的7 d抗压强度曲线较为紧凑，说明Ⅰ类料保持了骨料的特性，骨料的性质较为稳定。另一方面，一定的再生混凝土取代天然骨料，由于再生骨料周围包裹的砂浆可以吸收水分导致再生混凝土水灰比减小，从而提高了立方体抗压强度。但是，过多的再生骨料的掺入虽然总体的吸水量增加，但再生骨料由于其自身存在微小裂缝的缺陷，且外包砂浆含量的增加会降低骨料的强度，新旧砂浆界面的包裹力较砂浆与骨料间包裹力降低，因此在立方体抗压试验时更容易形成贯穿裂缝，从而导致混凝土破坏。

图2　掺矿粉再生混凝土28 d抗压强度

由图2曲线分析可以得出，再生混凝土28 d抗压强度中水灰比为0.45、0.48的两组呈现先上升后下降的趋势，水灰比为0.50、0.55的两组呈现总体下降的趋势。这是由于水灰比为0.45、0.48的两组水灰比较小，再生骨料周围的砂浆可以吸收水分，从而提高了立方体抗压强度；而水灰比为0.50、0.55的两组由于水灰比增加，随着再生骨料取代率的增长，再生骨料其自身也存在微小的缺陷、裂缝，使得更多的水分进入其中，降低了骨料的强度，导致立方体抗压强度降低。

3.2　正交试验极差分析

表6为Ⅰ类料正交试验结果的极差分析，表中数据为各因素在同一水平下的试验结果平均值。

由表6极差分析可知，Ⅰ类再生粗骨料工作性能影响因素的主次顺序为：水灰比>再生素骨料>掺合料取代率；7 d抗压强度影响因素的主次顺序为：掺合料取代率>再生素骨料>水灰比；28 d抗压强度影响因素的主次顺序为：水灰比>掺合料取代率>再生素骨料。这是因为矿粉的水化程度高于水泥的水化程度，矿粉的掺入会增强再生混凝土的早期强度，因此在28 d龄期时，矿粉的取代率对再生混凝土的抗压强度影响较大。从以上结论可以看出，对于不同的考核指标，各因素的影响程度和效果并不一致。因此，在配制不同性能的混凝土时，应考虑不同的考核指标，以达到最优配合比。

表6　极差分析表

3.3　多指标正交分析——功效系数法

假设正交分析考核n个指标(每个指标的功效系数设为di，(0≤di≤1)，总的功效系数d为：

d=(d1d2d3…di)1/2

(2)

di的确定方法如下：用di=1表示第i个指标的效果最好，相应地对同列各指标的取值作归一化处理，并计算总功效系数(见表7)，则最大总功效系数对应的混凝土配合比最优。

表7　功效系数分析表 1)

通过比较总的功效系数可以得出，本试验中各因素的最佳取值为：Ⅰ类料为水灰比0.55，再生骨料取代率为50%，粉煤灰取代率为20%。这个结论说明：Ⅰ类料在配制混凝土时再生骨料取代率较高。矿粉由于不吸水，和易性差，易泌水，降低水化热，起补充骨料的作用，同时矿粉可以提高混凝土的后期抗压强度，改善混凝土的内部结构，提高抗渗和抗腐蚀能力。因此，在配制Ⅰ类料再生混凝土时，适当增加矿粉的掺入率可以弥补骨料缺陷对抗压强度带来的影响。

3.4　试验结果

(1)由极差分析可知，Ⅰ类再生骨料混凝土28 d抗压强度及坍落度影响因素的主次顺序均为：水灰比>掺合料取代率>再生粗骨料；7 d抗压强度影响因素的主次顺序为:掺合料取代率>再生粗骨料>水灰比。

(2)由功效系数可以看出，Ⅰ类再生骨料混凝土功效系数d=0.828，其值最大，相应的试验组合为A4B2C4，即水灰比0.55，再生骨料取代率为50%，掺合料取代率为20%。

(3)通过对比分析图1与图2数据可以看出，矿粉的加入会对混凝土后期强度起到积极的增进作用。

(4)通过对Ⅰ类再生骨料混凝土进行配合比试验，得出用Ⅰ类骨料配制混凝土时骨料的缺陷对混凝土抗压强度影响相差不大，并且由于矿粉不吸水，和易性差，易泌水，降低了水化热，同时改善了混凝土的内部结构，提高了抗渗和抗腐蚀能力，起到补充骨料的作用，因而矿粉可以提高混凝土的后期抗压强度。在实际工程应用中，矿粉作为掺合料用于Ⅰ类再生骨料混凝土应进行推广。

4结论与展望

采用废弃粗骨料混凝土及其他材料配制C30再生混凝土并进行配合比正交试验，得出以下结论：

4.1矿粉的加入对后期混凝土抗压强度的增加起到积极作用。

4.2原生混凝土的不同性质对再生混凝土的配合比影响不大。

4.3粗骨料混凝土最佳配合比组合为A4B2C4，即水灰比为0.55，再生骨料取代率为50%，掺合料取代率为20%。

4.4与天然对比组相比，再生骨料混凝土在破坏时由于自身骨料缺陷造成薄弱界面增多，强度有下降趋势，随着再生骨料的取代率增加，再生混凝土强度呈先上升再下降的趋势。不同水灰比时强度下降幅度不同，但利用新疆地区原材料能配制出适合本地区的再生混凝土。

由于时间精力所限，本试验只对新疆地区Ⅰ类再生混凝土矿粉组进行了试验研究，今后会对新疆地区Ⅱ类再生混凝土矿粉组进行进一步的探究，以完成对新疆地区Ⅰ类、Ⅱ类再生混凝土矿粉组试验的全面研究。

参考文献：

[1] 肖建庄.再生混凝土[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 蔡正咏，王足献.正交设计在混凝土中的应用[M].北京：建筑工业出版社，1985.

[3] 施养杭，吴泽进，彭冲，等.再生骨料混凝土抗压强度试验研究[J].工业建筑，2012，42(4)：6-9，14.

[4] 王立久，董晶亮，谷鑫.不同矿物掺合料对混凝土早期强度和工作性能影响的研究[J].混凝土，2013(4)：1-3.

[5] GB/T 25177—2010，混凝土用再生粗骨料[S].北京：中国标准出版社，2010.

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

(编辑盛晋生)