水利水电工程中胶粒混凝土抗冲磨能力分析

李江成

（京水江河（北京）工程咨询有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐　830001）

0　引言

随着汽车不断普及，废旧轮胎数量增多。相关研究表明将废旧轮胎胶粒与混凝土混合，不仅可以变废为宝，减少环境污染，而且可有效改善混凝土性能。胶粒混凝土抗冲磨能力是工程实践中衡量混凝土使用寿命的重要指标，其抗冲磨能力影响因素及影响机理是提升胶粒混凝土抗冲磨能力的关键。

本文为了探究胶粒混凝土抗冲磨能力的影响因素及影响机理，将胶粒用量、胶粒尺寸、水灰比例作为试验变量，以混合正交试验方式设计多组试验。多角度统计分析各试验检测数据，最终分析出3个影响因素的显著性及最佳数值指导工程实践。

1　试验材料介绍

本试验所用试验材料涉及到水泥、粗骨料、细骨料、胶粒、水。各自的规格如下：

水泥：新疆乌鲁木齐市P.O42.5R级水泥，通过试验检测获得该水泥各项性能指标，与相应规范对照均符合标准要求。

粗骨料：新疆乌鲁木齐市乌鲁木齐河卵石，属于3级级配。

细骨料：新疆乌鲁木齐市乌鲁木齐河河砂，经过实测，其表观密度是2850 kg/m3，堆积密度是1600 kg/m3，泥土所占质量百分比是2.35%。河砂细度模数是2.29，级配等级隶属于中砂，达到相关规范标准要求。

胶粒：新疆哈密市生产的15目与30目2种胶粒。其颗粒粒径尺寸均低于5.5 mm。

水：新疆乌鲁木齐市自来水，经检测各项矿物质含量均达标。

2　试验设定

在工程实践中，因建筑需求，需要混凝土结构的抗冲磨性能满足相应的环境要求，将废旧的胶粒外掺进普通混凝土中增强其抗磨性能。选择与砂等体积的胶粒方式加入普通混凝土内。由于水灰比严重影响着普通混凝土抗冲磨性能，为了保证试验结果不受其影响，依据混合正交方式设计试验组。重点研究胶粒用量、胶粒尺寸（直径）、水灰比例3个因素对胶粒混凝土抗冲磨性能的影响规律，依次固定两个变量，改变其中一个变量，获得各影响因素的最优值使得胶粒混凝土抗冲磨性能最佳。

2.1　试验因素数值设定

试验选择混合正交试验设计原则设计试验。依照正交组合设定8组试验组检测各自胶粒混凝土抗冲磨能力，各试验组内设有4个试验构件，共计32个试验构件。3个试验影响因素设定数值如表1内所示[1]。

表1　粒径混凝土抗冲磨性能试验影响因素设定值

2.2　试验过程及方式

依据相关规范规定中混凝土抗冲磨性能试验过程进行试验检测。严格执行混合比配制胶粒混凝土并搅拌均匀，在坍落度达到规定标准后装模，在振捣台上振动45 s使其成型。试验构件成型48 h后拆模处理，将试验构件放置在养护室，标准养护30 d，借助水下钢球法完成混凝土抗冲磨性能检测试验。试验过程中注意事项如下：

（1）未进行试验时，先将试验构件放置在水内浸泡，待2 d后取出。

（2）在试验中，试验构件表面必须保持干燥后对其称量，称量记录后将其用钢容器盛装，设定叶轮转速20 r/s带动水，并放置80个规格不同的钢球对试验构件表面摩擦，3 d后可停止。

（3）摩擦时长达到设定值后，取出试验构件，将其表面冲洗,保持干燥后完成称量记录，依据公式（1）求出试验构件的磨损比例[2]。

试验构件磨损比例计算公式为：

式中：

L—试验构件的磨损比例，%；

Mq—未试验时干燥状态下试验构件质量值，kg；

Mh—试验后干燥状态下试验构件质量值，kg。

3　试验数据分析

3.1　搅拌时胶粒混凝土性能概况与分析

混凝土掺和物性能高低对混凝土的力学性能及耐久性影响较大，混凝土掺和物性能的高低主要通过坍落度进行评价。除此之外，混凝土掺和物含气量同样决定混凝土性能，当含气量比例较大时，掺和物黏性较大，掺和物的离析与泌水现象微弱，这样可以明显增强混凝土的耐久性能。在拌和成型时，对各试验组内混凝土试验构件进行性能实测，指标平均值见表2。其平均值是同试验组内4个试验构件检测数据的平均值[3]。

分析表2中数据，不难看出胶粒的加入，与未加入胶粒的混凝土，胶粒混凝土含气量比例提高，并且含气量与胶粒掺入量呈正相关，除此之外掺和物的含气量提升幅度与胶粒尺寸大小呈负相关关系。与未加入胶粒的混凝土相比，胶粒混凝土的坍落度有所下降，并且坍落度与胶粒用量呈负相关关系，不仅如此，胶粒混凝土的表观密度与胶粒用量同样呈负相关关系。

3.2　正交试验检测数据剖析

胶粒混凝土试验构件抗冲磨能力试验检测数据完成极差分析，通过极差分析，探究3个影响因素与性能指标的影响关系及影响机理，最终确定3个影响因素的最佳值与混合比，使得胶粒混凝土性能达到最优。具体极差分析的过程及结果整理成表3[4]。

表2　各个标号粒径混凝土实测参数数据值汇总

表3　正交试验实测数据与极差分析数据

通过表3中极差分析数据，可以得到在给定的各试验因素的范围中，依据极差高低，得出影响胶粒混凝土抗冲磨能力的影响因素由高到低排序是：胶粒用量，胶粒尺寸，水灰比例。胶粒加入后，与未加入胶粒的混凝土相比，胶粒混凝土磨损比例有所下降，即胶粒的加入可有效提升胶粒混凝土抗冲磨能力。胶粒混凝土的磨损比例与胶粒用量呈负相关关系，即胶粒用量越多，胶粒混凝土磨损比例越小。在本文试验中标定胶粒用量15%，胶粒尺寸是15目，水灰比例是0.6时胶粒混凝土磨损比例最小[5]。

为了深度挖掘3个影响因素对胶粒混凝土抗冲磨能力影响的具体变化规律，绘制胶粒混凝土磨损比例K值和3个因素间的变化折线图，如图1所示。

图1　磨损比例与3个因素间的变化折线图

分析图1中折线变化，胶粒混凝土磨损比例与胶粒用量呈负相关关系，分析表3内数据，在胶粒用量是0时，对应磨损比例是2.63%，在胶粒用量是5%时，对应磨损比例是1.36%，其减小幅度为1.27%。在胶粒用量是15%时，对应磨损比例是0.32%，其减小幅度仅0.67%，而胶粒用量增长10%，减小幅度是总减小幅度的47%，前后对比分析可知减小速率显著降低。综上所述，在混凝土中加入胶粒，有利于增强胶粒混凝土的耐磨能力，但这种效果仅局限于一定范围中[6]。

3.3　正交试验数据方差剖析

对3个影响因素影响胶粒混凝土抗冲磨性能的程度进行分析，确定其显著性影响因素与非显著性影响因素，对各组实验数据完成方差分析工作，具体分析如表4所示[7]。

分析表4内数据，不难推断，胶粒用量对胶粒混凝土抗冲磨能力具有及其显著性的影响，水灰比例显著性影响着胶粒混凝土的抗冲磨能力，胶粒尺寸对胶粒混凝土的抗冲磨能力影响不显著，该结论和前面的极差分析得出的结论一致。

4　回归分析

为了使胶粒混凝土能够科学合理的应用于实践，首先要能够对其抗冲磨能力精确的预测，本文借助spss统计软件完成试验检测的胶粒混凝土抗冲磨能力与3个影响因素设定值回归分析工作，最终得到其回归分析方程式，见公式（2）。

式中：

y—磨损比例；

x1—胶粒用量值；

x2—胶粒尺寸值；

x3—水灰比例。

依据各组试验检测结果依次得到模型回归值与残差值，各自的回归方差分析见表5所示[8]。

分析表5中数据不难看出，回归方程的显著性水平高达0.006，表明本回归方程的相关性十分显著。

5　胶粒混凝土工程应用效果

表4　方差分析数据表

表5　回归方差分析表

将研究得到胶粒混凝土抗冲磨能力的3个影响因素具体影响机理应用于工程实践中。新疆地区A水利水电工程施工中，根据本试验给定的各自的最佳值拌制胶粒混凝土。将胶粒混凝土用于水库下游护坦—护坡工程中。该工程自2010年5月份开始施工，到2011年7月份结束。经过质检部分检测，各项指标符合相关规定。A水利工程自2011年9月份蓄水投入使用，水库下游护坦—护坡工程投入使用。在使用6年间，下游护坦—护坡工程未发生任何失稳现象，其混凝土冲磨磨损比例仍符合相关规范中规定值。经过实地查看及相关质检部门检测，各项性能评价指标均合格。表明胶粒混凝土的抗冲磨能力发挥了较好的效果，即胶粒混凝土抗冲磨能力具有较好的工程实践应用。

6　结语

本文为了探究胶粒混凝土抗冲磨能力的影响因素，以混合正交试验方式设计多组试验，多角度统计分析各试验数据，最终得到如下结论：

（1）胶粒的加入，可以有效提升胶粒混凝土含气量，胶粒混凝土含气量与胶粒用量呈正相关关系，胶粒混凝土坍落度与胶粒用量呈负相关关系。

（2）根据极差、方差等分析胶粒混凝土抗冲磨能力，较大程度上受胶粒用量与水灰比例影响，基本不受胶粒尺寸影响。由高到低的次序是：胶粒用量、水灰比例、胶粒尺寸。胶粒不仅可提升混凝土抗冲磨能力，且胶粒混凝土磨损比例、磨损速率与胶粒用量成反比。

（3）经过回归分析，得到胶粒混凝土抗冲磨能力与胶粒用量、胶粒尺寸、水灰比例3个影响因素间的函数关系式，其线性关系十分显著。

参考文献：

[ 1 ]邓明枫，钟强，张立勇，等 . 高性能混凝土抗冲磨性能试验研究 [ J ] . 混凝土，2008（02）:82-83+86 .

[ 2 ]薛媛，娄宗科 . 粉煤灰混凝土抗冲磨性能试验研究[ J ] .人民黄河，2008（05）:94-95 .

[ 3 ]李光宇，王正中 . 胶粉对混凝土抗冲磨性能的影响[ J ] .中国农村水利水电，2010（05）:121-123+127 .

[ 4 ]井锦旭，田正宏，朱炳喜，等 . 透水模板浇筑混凝土抗冲磨性能研究 [ J ] . 施工技术，2010，39（12）:41-44 .

[ 5 ]亢景付，范昆 . 橡胶混凝土抗冲磨性能[ J ] . 天津大学学报，2011，44（08）:727-731 .

[ 6 ]谢李，娄宗科 . 橡胶混凝土抗冲磨性能的研究[ J ] . 水资源与水工程学报，2014，25（02）:188-191 .

[ 7 ]王欣，侍克斌，吴福飞，等 . 细集料钢渣混凝土的力学性能及抗冲磨性能[ J ] . 粉煤灰综合利用，2016（03）:19-21+25 .

[ 8 ]范昆 . 橡胶混凝土抗冲磨性能研究[ D ] . 天津：天津大学，2010 .