纳米CaCO3再生砼抗压强度正交试验分析

刘艳萍 闫春岭 秦善勇

摘 要：研究影响再生砼抗压强度的因素，考虑了纳米CaCO3、水胶比、砂率和再生粗骨料掺量4种影响因素，采用L9（34）正交表安排试验，利用极差分析和方差分析两种方法对试验结果进行探讨。结果表明，当纳米CaCO3掺入率为1%时，砼强度最优;水胶比为0.38～0.40时，砼的抗压强度最大;砂率和再生粗骨料取代率对砼抗压强度均出现反弹现象，随其增加先减小再增大。影响砼抗压强度大小的顺序依次分别为：水胶比、再生粗骨料取代率、纳米CaCO3、砂率。

关键词：纳米CaCO3;抗压强度;再生粗骨料;正交试验

中图分类号：TU528.041       文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）01-0131-05

Orthogonal test analysis of compressive strength of Nano-CaCO3 recycled concrete

LIU Yanping1，YAN Chunling2，QIN Shanyong3

（1.Anyang Yongtong Municipal Public Engineering Quality Inspection Co.，Ltd.，Anyang 455000，Henan China;

2.School of Civil and Architectural Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang 455000，Henan China;

3.Anyang Municipal Engineering Department，Anyang 455000，Henan China）

Abstract：In order to study the influence of the factors affecting the compressive strength of recycled concrete，four influencing factors including Nano-CaCO3，water-binder ratio，sand ratio and recycled coarse aggregate content were considered.The orthogonal table L9（34） was used to arrange the test results and the range analysis and variance analysis were conducted to study the test results.The results showed that the concrete strength was optimal when Nano-CaCO3incorporation rate was 1%，so Nano-CaCO3 incorporation had certain positive effect on concrete strength.When the water-binder ratio reached 0.38～0.4，the compressive strength value of concrete was the largest.The sand rate and the replacement rate of recycled coarse aggregates both rebounded on the compressive strength of concrete，which first decreased and then increased as the amount increased.Finally，the order of factors affecting the compressive strength of concrete was drawn：water-binder ratio > the replacement rate of recycled coarse aggregate > Nano-CaCO3 >  sand rate.The research results provide a theoretical basis for the application of recycled concrete.

Key words：nano-CaCO3;compressive strength;recycled concrete;orthogonal test

隨着城镇化进程的发展，基础设施建设如桥梁、隧道和交通工程等建设项目逐年增多，对砼的需求量不断增长。而砼做为一种高用量高碳材，未来低碳化是一种必然趋势。据统计，全球每年砼使用量约175亿t，骨料约占131亿t左右[1]。如此消耗量，让人瞠目结舌。作为骨料中砂和石，与其他矿产资源一样，迟早有一天会消耗殆尽。因此，从资源回收利用的角度出发，向科研技术人员提出了一个全新的研究方向，即把拆除的建筑垃圾加工制备成再生骨料部分或全部代替天然骨料，这样既有利于绿色可持续发展，又减少不必要的环境污染，变废为宝。目前对再生砼的物理性能方面已有学者[2-6]对其进行了相关的研究。与天然骨料相比，再生砼存在压碎性指标差等问题，再生砼在实际工程推广应用中受到了一定的限制，如大部分再生砼应用于非重要性结构或构件中，或者是作为填料，用于公路方面的路基部分。但如何改性再生砼的性能进而推广应用，这又一次对科技人员提出了新的挑战。一些学者就再生骨料物理化学性能方面进行了相应的改性，如采取水泥浆包裹再生骨料与再生骨料进行对比研究，得出水泥浆包裹砼抗压性能有所增加[7]。采用化学试剂对再生粗骨料处理和强化，研究发现了其抗压强度虽然较未处理的砼有所增加，但增加幅度不大[8]。采用微波加热循环法对再生粗骨料进行改性研究[9];对再生砼进行了改性对比试验，即纳米SiO2溶液浸泡再生粗骨料[10];研究了含有纳米SiO2和聚丙纤维砼的基本力学性能，得出由于纳米SiO2填堵了部分砼中的裂隙，从而砼的抗压强度有所提高[11-12]。考虑到加热去浆的复杂性及纳米SiO2的价格高的特点，又考虑混凝土中掺入纳米CaCO3（Nano-calcium carbonate，简称NC）能够加快水泥的水化速率[13-14];同时，NC也有利于增强砼的力学性能[15-16]。但NC在砼中的研究仍处于起步阶段[17]。

通过室内试验，采用重复正交试验，借助方差分析研究了纳米CaCO3（A）、水胶比（B）、砂率（C）和再生粗骨料（C）掺量4种因素对再生砼抗压强度的影响，此研究结果为再生砼的应用提供了参考。

1 室内试验

1.1 试验材料

水泥为P.O42.5R型胶凝材料，性能如表1所示;表2、表3分别列出了细骨料、粗骨料性能。纳米CaCO3（NC）表观密度为460 kg/m，减水剂为PM-2高性能聚羧酸型。

1.2 正交试验方案

本次试验采用4因素3水平的正交表L9（34）安排试验，严格按照试验操作规程进行试样的浇筑、振捣和养护。最后，对养护28 d后的试样采用型号为WEW-1000A万能试验机进行加载试验[17]。

2 结果分析

2.1 试验结果

试验数据的极差和方差分析结果，如表5所示。

2.2 因素分析

纳米CaCO3、水胶比等因素与砼抗压强度的关系如图1所示。

由图1可以得出，纳米CaCO3掺入率为1%时，砼强度最优，因此掺入适量的纳米CaCO3对砼强度有一定的效果;水胶比为0.38～0.40时，此时砼的抗压强度最大。而砂率和再生粗骨料掺量这两种因素比较特殊，二者均引起砼的抗压强度“半波波动”现象，即随其增加先减再增现象，出现这种结果的原因：一是试验本身的真实反应，此外，也可能由于试验的离散而致。下一步将继续深入研究。

3 极差与方差分析

3.1 极差分析

由表5可知，影响砼抗压强度的因素大小依次分别是：B、D、A、C，即水胶比的影响因素最大，砂率最小。

3.2 方差分析

3.2.1 计算总偏差平方和及自由度

不失一般性[18-20]，设试验号为n，r为试验重复数，ST和fT分别为总偏差平方和及总自由度。

ST=∑ni=1∑rj=1x2ij-K2nr，fT=nr-1

式中：K为试验结果的总和;

3.2.2 计算F值

取显著性水平α=0.05，则

Fj=Sj/djSE/dE～Fαdj，dE

通过计算得到FA=37.39，FB=146.29，FC=21.58，FD=84.51，均大于F0.01（2，18）=6.01，结果如表6所示。结果表明，这几种因素均对砼抗压强度有显著的影响，其影响程度的大小顺序与极差分析结果相同。

4 结语

（1）纳米CaCO3掺入率为1%时，砼强度最优;因此掺入适量的纳米CaCO3对砼强度有一定的积极作用;

（2）水胶比为0.38～0.40时，砼的抗压强度最大;而砂率和再生粗骨料掺量这两种因素均引起砼的抗压强度“半波波动”现象，即随其增加先减小再增大现象;

（3）通过试验数据的极差和方差分析得出，影响砼强度因素的大小依次分别为：水胶比、再生粗骨料取代率、纳米CaCO3。

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