再生骨料自密实清水混凝土配合比优化及表观性能试验研究

姜 涛，赵景锋，李明明,4，裘 泳，黄 孝，徐亦冬

(1.浙江大学工程师学院，杭州 310015；2.浙大宁波理工学院，宁波 315100； 3.浙江省二建建设集团有限公司，宁波 315202；4.浙江省建设投资集团有限公司，杭州 310013)

0 引 言

随着我国经济的快速发展，城镇化的速度不断加快，越来越多的老旧建筑被拆除，产生大量废弃混凝土，而目前对于废弃混凝土的处理手段多为填埋处理，由于废弃混凝土难以降解，并未解决根本问题，而且还会造成资源的浪费和环境的污染，所以废弃混凝土的回收利用十分必要，其中利用废弃混凝土骨料制备再生混凝土是目前的一个主要解决方式[1-4]。清水混凝土是指一次成型，直接以混凝土原浇筑面作为饰面的混凝土，其表面平整光滑、无明显色差、棱角分明、无损伤等质量问题[5]。清水混凝土的施工过程中减少了大量装饰材料的使用，既降低了造价又减少装饰材料对环境的污染，是一种既经济又环保的技术手段。废弃的混凝土经过破碎处理之后，将其作为再生骨料掺入混凝土中来制备再生骨料自密实清水混凝土，不仅实现了对废弃混凝土的回收利用，还减少因装饰混凝土表面而产生对环境的污染，资源得到充分的循环利用，对混凝土的可持续发展具有现实意义。

由于再生骨料复杂的物理性质及来源的不确定性，导致再生骨料的性能差异巨大。利用废弃混凝土破碎得到的再生粗骨料，表面粗糙棱角多，且附着大量难以去除的硬化水泥浆石，使得其堆积密度和表观密度远低于天然骨料，从而导致再生骨料的吸水率要远高于天然骨料[6-7]。再生骨料表面硬化的水泥浆与骨料之间粘结的界面是再生骨料最薄弱的环节，表面硬化水泥浆越多，骨料界面粘结力越差，骨料表观密度越低,空隙率越高，再生骨料的性能越差。利用再生粗骨料制备自密实清水混凝土，由于其影响因素较多，故通过设计正交试验来确定各因素对混凝土性能的影响规律，并找出对其具有显著性影响的因素[8-9]。同时利用图像分析技术对再生骨料自密实清水混凝土表观性能进行量化表征[10]，优化混凝土配合比参数。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：三狮牌普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)，产自兰溪诸葛南方水泥有限公司。

矿物掺合料：Ⅰ级粉煤灰，烧失量为3.6%；S95级矿渣粉。

细骨料：普通河砂，符合GB/T 14684—2011《建设用砂》要求，级配良好，细度模数为2.4，表观密度为2 640 kg/m3，含泥量为1.06%。

粗骨料：5～20 mm连续级配再生粗骨料，其基本性能指标如表1所示。

减水剂：PCA-Ⅰ聚羧酸高性能减水剂，产自江苏苏博特新材料股份有限公司，减水率为30%。

水：自来水。

表1 再生粗骨料基本性能指标Table 1 Basic performance index of recycled coarse aggregate

1.2 试验方法

1.2.1 正交试验设计

依据规范JGJ T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》和JGJ 169—2009《清水混凝土应用技术规程》，以C30自密实清水混凝土配合比设计为基础，设计正交试验。根据前期的试验研究，确定再生骨料自密实清水混凝土的再生粗骨料掺量为100%，粉煤灰掺量为20%，矿粉掺量为20%，减水剂掺量为1.0%。考虑到再生粗骨料较高的吸水率，采用附加水工艺，根据再生粗骨料的吸水率确定附加水掺量[11]。选取水胶比(A)、砂率(B)、胶凝材料含量(C)3个因素，研究其对混凝土工作性能、力学性能及表观性能的影响规律及显著性，每个因素选取3个水平，如表2所示，其中D为误差影响。根据因素的水平数，本试验采用L9(34)的正交试验表。

1.2.2 试件制备及养护

试件采用VISA木模板作为混凝土模板，浇筑成型尺寸为400 mm×200 mm×50 mm的清水混凝土试件，同时采用普通ABS塑料混凝土试模浇筑100 mm×100 mm×100 mm试件用于混凝土力学性能测试。在浇筑混凝土之前要确保模板表面不受污染，在浇筑过程中，轻微敲击模板侧面，以排出混凝土内部气泡。试件成型后在室内养护24 h拆模，并放入标准养护室养护至7 d龄期。VISA木模板及成型脱模后的试件如图1所示。

表2 正交因素水平表Table 2 Variables and levels for orthogonal test

图1 试件成型Fig.1 Specimen forming

1.2.3 再生骨料自密实清水混凝土表观性能量化表征方法

图2 混凝土表面图像灰度直方图Fig.2 Grayscale histogram of concrete surface

将试件置于相同光照条件下用数码相机在同一高度垂直于试件表面进行拍摄。采用Image-Pro Plus软件对获取的图像信息进行灰度处理，得到相应图像的灰度直方图，如图2所示，并根据灰度直方图计算相应的图像灰度标准差。图像灰度标准差是根据所采集图像各像素点的灰度值与图像灰度等级均值计算而来，是反映图像色差大小的物理量，表征了目标数据集的离散程度，如式(1)所示[12]。

(1)

除了色泽是否均匀，表面的气孔率也能反映出混凝土表观性能的差异。在混凝土搅拌的过程中，由于空气夹带等原因，在混凝土内部会形成气泡，由于气泡和新拌混凝土之间的密度差异，气泡会受到浮力作用而上升，在上升的过程中其上升速度受到气泡本身浮力和摩擦力的影响，而摩擦力的大小与混凝土粘度以及气泡本身的上升速度有关[13]。根据球形颗粒在流体力学中受力方程得到气泡的上升速度如式(2)所示[13]。

(2)

式中:Vs为气泡上升的速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；ρf为气泡密度，kg/m3；ρb为混凝土密度，kg/m3；η为混凝土的运动粘度，N·s/m2;r为气泡半径,m。

图3 混凝土表面图像二值化处理Fig.3 Binary processing of concrete surface

根据式(2)可知，混凝土内部的气泡能否排出取决于气泡的上升速度与到表面的距离，而气泡的上升速度与混凝土密度、混凝土运动粘度以及气泡半径有关，同时，不同的水胶比、砂率以及胶凝材料含量对混凝土的密度和运动粘度都有一定的影响。将采集的图像信息进行二值化处理，如图3所示，统计出混凝土表面的气孔面积，计算出混凝土表面的气孔率。该部分试验设计时主要考虑将清水混凝土用于混凝土板构件，故对混凝土表观性能的分析仅考虑混凝土表面，未考虑混凝土侧面的表观性能。根据混凝土表面色差和气孔率对再生骨料自密实清水混凝土表观性能进行量化表征。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果

基于正交试验的9组试验，对每组试验混凝土的坍落扩展度、7 d抗压强度、灰度标准差和气孔面积进行测试，得到结果见表3。

表3 正交试验结果Table 3 Orthogonal test results

2.2 极差分析

基于试验结果对各指标进行极差分析，并选出每个指标的最优方案，其结果如表4所示。

2.2.1 工作性能

根据表4中坍落扩展度试验结果可以得出RC>RB>RA>RD，说明在试验影响因素水平变化范围内，各因素对再生骨料自密实清水混凝土坍落扩展度的影响程度依次为胶凝材料含量>砂率>水胶比，从极差值可以看出，胶凝材料含量的变化对混凝土的坍落扩展度影响最大。相比于天然粗骨料，再生粗骨料由于其表面粗糙且棱角多，可吸附更多的水泥浆体，故在相同水胶比的情况下，随着胶凝材料含量的增加，混凝土的流动性也随之增加，当胶凝材料含量增加至500 kg/m3时，混凝土骨料与浆体之间达到一个平衡。若胶凝材料含量继续增加，会使得富余浆体量过多，增加混凝土的粘度，从而降低混凝土的流动性[14]。对于水胶比和砂率，混凝土坍落扩展度随之增加呈现两个相反方向的变化，这是因为水胶比的增加使得骨料与胶凝材料的粘结性降低，从而增加混凝土的流动性；而砂率的增加，使得细骨料的比表面积增大，一定数量的浆体不足以填充骨料之间的空隙并包裹其表面，不能有效降低骨料间的摩擦力，使得混凝土拌合物的流动性降低。在一定程度上，混凝土坍落扩展度越大，稠度越小，对于自密实混凝土来说，其填充性越强，越有利于施工，故取拌合物坍落扩展度较大的水平。根据K值计算结果，得出各因素最优水平为A3B1C2。

2.2.2 力学性能

根据表4中混凝土7 d抗压强度极差R可知，在试验影响因素水平变化范围内，水胶比对再生骨料自密实清水混凝土的7 d抗压强度影响最大，其次是砂率，胶凝材料含量的影响最小。根据试验结果，水胶比对再生骨料自密实清水混凝土7 d抗压强度的影响与普通的混凝土较吻合，遵循传统的水胶比定则，随着水胶比的增大，混凝土的抗压强度逐渐减小，其主要原因是水胶比越大，再生混凝土内部的自由水越多，随着养护龄期的增加，自由水由内向外蒸发后，混凝土内部就会形成毛细孔，密实度就会降低，抗压强度也会因其内部密实度减小而降低。根据K值计算结果，得出各因素的最优水平为A1B1C3。

表4 极差分析Table 4 Range analysis

2.2.3 表观性能

从表4中可知，各因素对灰度标准差的影响程度依次为胶凝材料含量>水胶比>砂率，对气孔面积的影响程度依次为胶凝材料含量>砂率>水胶比。随着胶凝材料含量的增加，混凝土表面的色差和气孔面积都呈现先下降后上升趋势，且胶凝材料含量对两者的影响程度最大，其原因是随着胶凝材料含量的改变，混凝土的流动性随之改变，当混凝土的坍落扩展度达到最大时，混凝土本身的塑形粘度最小。根据式(2)可知，当混凝土的运动粘度减小时，气泡的上升速度随之增大，使得混凝土内部的气泡更好的排出。随着水胶比的增加，混凝土表面的灰度标准差呈现下降的趋势，其原因是随着水胶比的增大，有助于提升混凝土整体的流动性与均质性，浇筑后浆体更易填充骨料间隙，降低了混凝土表面的色差。根据试验结果可知，在砂率为49%时，混凝土的气孔面积最小，其原因是合理的砂率使得骨料达到密实的状态，则混凝土内部不易形成气泡。根据K值计算结果，灰度标准差的最优水平为A3B1C2，气孔率的最优水平为A2B2C2

2.3 方差分析

为了避免误差列对试验结果的干扰，还应对混凝土的坍落扩展度、7 d抗压强度、灰度标准差以及气孔面积进行方差分析，结果如表5所示。

根据F比的计算结果可以得到，胶凝材料含量对于混凝土坍落扩展度的影响在显著性水平0.1上是显著的，而砂率和水胶比不显著，与极差分析结果一致；对于力学性能，水胶比和砂率对7 d抗压强度有显著性影响，其中水胶比在0.1、0.05、0.01三个显著性水平上都是显著的；对于灰度标准差和气孔率，只有胶凝材料含量对其具有显著性影响。

表5 方差分析Table 5 Variance Analysis

3 结 论

(1)对各因素进行极差分析，胶凝材料含量对再生骨料自密实清水混凝土的坍落扩展度影响最大，其次是砂率，水胶比的影响最小；对于7 d抗压强度的影响程度从大到小依次为水胶比、砂率、胶凝材料含量；对于灰度标准差的影响程度为胶凝材料含量>水胶比>砂率；胶凝材料含量对气孔率影响最大，其次是砂率和水胶比。

(2)综合各项因素对再生骨料自密实清水混凝土工作性能、力学性能和表观性能的影响，其中水胶比和砂率对7 d抗压强度具有显著性影响；胶凝材料含量对坍落扩展度、灰度标准差和气孔率有显著性影响。

(3)在后续的研究中，将依据本研究所得到的关键配合比参数，采用不同类型粗骨料制备自密实清水混凝土，以揭示天然骨料与再生骨料对清水混凝土性能的影响。