多因素对再生混凝土力学性能及抗冻性的影响

盛朝晖，牛培飞，游文斐

(河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056021)

0 引 言

随着我国经济的快速发展，大规模的基础建设只能以对天然骨料的滥采滥挖来满足人们对骨料的需求。而对因大规模建筑物的拆除产生的大量的建筑垃圾，无法做到合理放置[1]。如果能将无法合理放置的建筑垃圾回收利用来代替天然骨料，这既能从根本上解决建筑垃圾的处置问题，又减少了对天然骨料的滥采滥挖。因此，在这种情况下，再生混凝土技术应运而生。再生混凝土，又称再生骨料混凝土，是指一种利用再生骨料部分或者全部取代天然骨料配制出来的混凝土。

再生骨料具有孔隙率大、压碎指标值高、吸水率大以及强度低等缺点，这在一定程度上导致了再生混凝土的性能明显差于普通混凝土[2-5]。随着天然骨料替代量的增加，再生混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和弹性模量等力学性能均降低[6-10]。为弥补这些缺点，利用钢纤维的增强增韧作用，国内外专家采用掺入钢纤维来提高再生混凝土的力学性能[11-15]。杨润年等[14]研究表明掺入钢纤维对提高混凝土的劈裂抗拉强度和弯曲强度有明显效果，但对提高抗压强度影响不大。Gao等[15]认为纤维混凝土的抗压强度、开裂前的抗折性能与普通混凝土相似，但抗折强度和韧性略有提高。

另外，Zhang等[16]认为粉煤灰可以通过填充再生粗骨料微裂缝来提高再生混凝土的抗压强度和抗折强度。Yaowarat等[17]发现掺入20%粉煤灰可以明显提高再生混凝土的长期力学性能，并且通过SEM在粉煤灰颗粒和空隙中观察到了胶凝产物。王晨霞等[18]研究结果表明：随着粉煤灰掺量的增加，再生混凝土抗压强度先增大后减小，粉煤灰掺量对抗折强度提高较小。

本文在前人研究基础上，结合再生混凝土力学性能（抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度）的影响因素，选定钢纤维掺量、再生粗骨料掺量和粉煤灰掺量作为再生混凝土力学性能的影响因素；结合极差分析法和方差分析法，研究影响再生混凝土力学性能各因素显著性水平及其贡献率，并建立再生混凝土力学性能的多元非线性回归模型，通过查找文献资料中再生混凝土实验数据验证多元非线性回归模型的准确性，且对再生混凝土正交试验的正确性进行了验证。在此基础上，进一步研究了再生混凝土的抗冻性。

1 实 验

1.1 原材料

原材料包括甘肃祁连山水泥集团股份有限公司生产的42.5级P.Ⅱ型硅酸盐水泥、兰州铝厂自备电厂生产的Ⅱ级粉煤灰、江西工程纤维科学技术研究所生产的钢纤维（长度为32 mm、长径比为50.2）、自来水、兰州化陇商品混凝土公司提供的河砂（中砂，细度模数2.70）和碎石、以及兰州某工地废弃混凝土提供的再生粗骨料，其化学成分和性能指标见表 1～表 4。

表 1 水泥化学成分 %

表 2 粉煤灰化学成分 %

表 3 河砂和碎石性能指标

表 4 再生粗骨料性能指标

1.2 实验方法

1.2.1 配合比设计

选取再生混凝土力学性能影响因素为：钢纤维掺量体积分数Vs(0%，1%和2%)、再生粗骨料掺量质量分数Mr(0%，25%和50%)和粉煤灰掺量质量分数Mf(0%，15%和30%)。采用L9(33)正交试验来探讨多因素对再生混凝土力学性能的影响规律，表5为正交试验因素和水平。设计混凝土强度等级为C40、水胶比0.45、用水量180 kg/m3以及水泥用量400 kg/m3。因此，正交试验法再生混凝土配合比见表6。

表 5 正交试验因素和水平

表 6 再生混凝土配合比

1.2.2 试件制备及试验方法

首先将骨料和胶凝材料进行干拌，然后加水同时撒入纤维进行湿拌。每组配合比制备6个立方体试块（150 mm×150 mm×150 mm，其中 3个立方体试块作为一组用于抗压强度试验，3个立方体试块作为一组用于劈裂抗拉强度试验），以及3个棱柱体试块（150 mm×150 mm×600 mm，用于抗折强度试验）。再生混凝土试件成型1 d后拆模并移入温度(20±3) ℃、相对湿度95%以上的标准养护室。标准养护室养护28 d后，根据GB/T 50081—2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采用YA-3000型压力试验机测试再生混凝土的抗压强度（fcu），采用YES-300型数显式压力试验机测试再生混凝土的劈裂抗拉强度（fts）和抗折强度（fcf）。

2 结果与分析

结合极差分析法和方差分析法，研究影响再生混凝土力学性能各因素显著性水平及其贡献率，并建立再生混凝土多元非线性回归模型，通过实验验证了正交实验的准确性，此外进行了再生混凝土的抗冻性试验研究。

2.1 抗压强度

2.1.1 极差分析法

正交表和再生混凝土抗压强度如表7所示。

表 7 正交表和抗压强度

2.1.2 方差分析法

极差分析法无法将试验中由于试验条件改变引起的数据波动同试验误差引起的数据波动区分开来[21]。因此，为了弥补极差分析法的缺陷，本文采用SPSS进行重复试验方差分析，取每组再生混凝土抗压强度组作为重复试验实验结果。再生混凝土28d抗压强度方差分析结果如表8所示。

表 8 抗压强度方差分析表

由表8可知，取显著性水平α=0.05，钢纤维掺量F值为4.32，sig.=2.77×10-2＜0.05；再生粗骨料掺量F值为3.97，sig.=3.54×10-3＜0.05；粉煤灰掺量F值为 12.29，sig.=3.30×10-3＜0.05。说明各因素水平改变对再生混凝土28 d抗压强度所造成的影响均在误差范围内，即水平间无显著性差异。各影响因素F值由大到小：粉煤灰掺量＞钢纤维掺量＞再生粗骨料掺量。粉煤灰掺量的贡献率最大，为37.06%；钢纤维掺量次之，为10.88%；再生粗骨料掺量的贡献率较小，为9.75%。各影响因素对再生混凝土抗压强度影响顺序与极差分析法一致。

2.2 劈裂抗拉强度

2.2.1 极差分析法

正交表和再生混凝土劈裂抗拉强度如表9所示。

表 9 正交表和劈裂抗拉强度

2.2.2 方差分析法

再生混凝土劈裂抗拉强度方差分析结果如表10所示。

表 10 劈裂抗拉强度方差分析表

由表10可知，取显著性水平α=0.05，钢纤维掺量F值为132.88，sig.=2.82×10-12＜0.05；再生粗骨料掺量F值为5.97，sig.=9.25×10-3＜0.05；粉煤灰掺量F值为 18.15，sig.=3.20×10-5＜0.05。说明各因素水平改变对再生混凝土28d劈裂抗拉强度所造成的影响均在误差范围内，即水平间无显著性差异。各影响因素F值由大到小：钢纤维掺量＞粉煤灰掺量＞再生粗骨料掺量。钢纤维掺量的贡献率最大，为78.96%；粉煤灰掺量次之，为10.31%；再生粗骨料掺量的贡献率较小，仅为3.04%。各影响因素对再生混凝土劈裂抗拉强度影响顺序与极差分析法一致。

2.3 抗折强度

2.3.1 极差分析法

正交表和再生混凝土抗折强度如表11所示。

表 11 正交表和抗折强度

2.3.2 方差分析法

再生混凝土抗折强度方差分析结果如表12所示。

表 12 抗折强度方差分析表

由表12可知，取显著性水平α=0.05，钢纤维掺量F值为65.14，sig.=1.74×10-9＜0.05；再生粗骨料掺量F值为5.60，sig.=1.17×10-2＜0.05；粉煤灰掺量F值为 15.30，sig.=9.32×10-5＜0.05。说明各因素水平改变对再生混凝土28 d抗折强度所造成的影响均在误差范围内，即水平间无显著性差异。各影响因素F值由大到小：钢纤维掺量＞粉煤灰掺量＞再生粗骨料掺量。钢纤维掺量的贡献率最大，为66.78%；粉煤灰掺量次之，为14.86%；再生粗骨料掺量的贡献率较小，仅为4.76%。各影响因素对再生混凝土抗折强度影响顺序与极差分析法一致。

2.4 回归模型

2.4.1 模型建立

本文利用1stopt1.5和Origin 9.0对再生混凝土力学性能进行回归分析，考虑钢纤维掺量、再生粗骨料掺量和粉煤灰掺量作为再生混凝土力学性能的影响因素，建立的多元非线性模型如下：

1）抗压强度

其中fcu,0为再生混凝土的抗压强度（Vs=0，Mr=0，Mf=0），本文取 43.0 MPa。

2）劈裂抗拉强度

其中fts,0为再生混凝土的劈裂抗拉强度，本文取2.70 MPa。

3）抗折抗压

其中fcf,0为再生混凝土的抗折强度，本文取4.65 MPa。

2.4.2 模型验证

本文采用文献[20]再生混凝土试验数据，来验证文中式（1）～式（3）的准确性。此时，再生混凝土力学性能的实测值、基于式（1）～式（3）计算值和相对误差列见表13。从表13中可以看出：再生混凝土力学性能的实测值与计算值的最大误差在6.5%之内，说明建立的回归模型具有很好的精度，也说明建立的多元非线性回归模型是合理的。

表 13 再生混凝土力学性能的实测值、计算值和相对误差

2.5 力学性能验证试验

为了验证各因素水平对再生混凝土力学性能（抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度）的影响结果的准确性，本文对4组配合比的再生混凝土的力学性能进行了测试，试验结果如表14所示。

表 14 再生混凝土配合比及力学性能

结合表 7、9、11和14，配合比 10、11和12的力学性能（抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度）均小于小节2.1～2.3中得到的最优组合比的力学性能，验证了正交实验结果的正确性。此外，通过配合比2、11和13对比，可知再生混凝土的力学性能随钢纤维掺量的增加而提高；通过配合比4、11和12对比，可知再生混凝土的抗压强度和抗折强度随再生骨料掺量的增加先提高后减小，劈裂抗拉强度随再生骨料掺量的增加而提高；通过配合比5、10和11对比，可知再生混凝土的抗压强度随粉煤灰掺量的增加先减小后提高，劈裂抗拉强度和抗折强度随粉煤灰掺量的增加而减小。该结果与小节2.1～2.3中得到的结果是一致的，再次验证了正交实验结果的正确性。

2.6 抗冻性试验

为了研究钢纤维-再生骨料-粉煤灰体系对再生混凝土抗冻性能的影响，根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》设计了快速冻融试验，测得每25次冻融循环后试件的质量（ACS-C(AE)电子天平，准确度1 g）和超声波波速（ZBL-U520A非金属超声检测仪），从而计算出质量损失和相对动弹性模量。试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，基于小节 2.1～2.4试验结果，设计抗冻性试验试件的配合比见表15。试件的质量损失和相对动弹性模量与冻融循环次数的关系见图1。

图 1 再生混凝土质量损失和相对动弹性模量与冻融循环次数的关系

表 15 再生混凝土配合比

从图1可知随冻融次数的增加，试件的质量损失逐渐增大。300次冻融循环后，配合比1、配合比2和配合比3的质量损失依次为2.1%，0.6%和0.7%，且0～300次循环内基本保持该趋势。说明不掺钢纤维的再生混凝土质量损失明显大于掺入钢纤维的再生混凝土质量损失，因此钢纤维的掺入可以提高再生混凝土的抗冻性。此外，再生粗骨料掺量为25%的再生混凝土质量损失小于再生粗骨料掺量为50%的再生混凝土质量损失，说明控制再生粗骨料的掺量也可以提高再生混凝土的抗冻性。

由图1可得随冻融次数的增加，试件的相对动弹性模量不同程度逐渐减小。300次冻融循环时，配合比1、配合比2和配合比3的相对动弹性模量依次为15.6%（冻融循环200次时相对动弹性模量为54.1%小于60%，再生混凝土已破坏），95.6%和64.6%，且0～300次循环内基本保持该趋势。说明不掺钢纤维的再生混凝土相对动弹性模量明显小于掺入钢纤维的再生混凝土相对动弹性模量，因此钢纤维的掺入可以提高再生混凝土的抗冻性。此外，再生粗骨料掺量为25%的再生混凝土的相对动弹性模量明显大于再生粗骨料掺量为50%的再生混凝土的相对动弹性模量，说明控制再生粗骨料的掺量也可以提高再生混凝土的抗冻性。该结论与试件质量损失评价参数的评价结果一致。综上所述，钢纤维的掺入和减少再生粗骨料的掺量均可以提高再生混凝土的抗冻性。

3 结束语

1）最优再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度设计组合均为：钢纤维掺量为2%，再生骨料掺量为50%，以及粉煤灰掺量为0；最优再生混凝土的抗折强度设计组合为：钢纤维掺量为2%，再生骨料掺量为25%，以及粉煤灰掺量为0。

2）各因素对再生混凝土的抗压强度影响程度顺序为：粉煤灰掺量＞钢纤维掺量＞再生骨料掺量；各因素对再生混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度影响程度顺序均为：钢纤维掺量＞粉煤灰掺量＞再生骨料掺量。

3）再生混凝土的力学性能随钢纤维掺量的增加而提高，随粉煤灰掺量增加而降低；再生粗骨料掺量对再生混凝土的力学性能影响较小。

4）基于最优再生混凝土组合可知，钢纤维的掺入可提高再生粗骨料的掺量。

5）再生混凝土力学性能回归模型能有效描述多因素对再生混凝土力学性能的影响规律，对工程实践具有一定的指导价值。

6）钢纤维的掺入和减少再生粗骨料的掺量均可以提高再生混凝土的抗冻性。