再生骨料透水混凝土配合比研究

再生骨料透水混凝土配合比研究

姚瑞,纪轶

河南水利与环境职业学院 河南省郑州市 450000

摘要：为了响应国家建设“海绵城市”的要求，推进再生骨料透水混凝土的实际应用，设计4水平的正交试验正交试验，分析再生骨料取代率、硅灰掺量、聚丙烯纤维掺量和可再分散乳胶粉掺量等4个因素不同水平作用下对再生骨料透水混凝土抗压强度、抗折强度、有效孔隙率和透水系数等性能的影响，得出正交试验条件下再生骨料透水混凝土的最优配合比。

关键字：再生骨料；透水混凝土；正交试验

0 引言

据统计，我国每年新增建筑垃圾大约在15～20亿t[1-3]，目前建筑垃圾来源主要是废旧建筑物拆迁、道路更新以及建筑施工等产生的碎砖、废旧混凝土块、钢筋混凝土梁柱等，成分比较复杂，所以需要对其进行分类回收，经过破碎筛分后作为再生骨料代替部分天然骨料进行资源化利用[4-6]。十八大之后，国家大力推进生态文明建设，走可持续发展的道路，传统的资源利用方式急需被改变。将建筑垃圾资源化处理后获得的再生骨料用于制作透水混凝土，不仅可以为建筑垃圾的处理提供有效途径，还能够缓解城市中存在的上述问题。从生态环境保护、社会经济效益、“海绵城市”建设等方面考虑，都是有积极意义的，可以起到1+1>2的效果。

本文通过正交试验，研究再生骨料取代率、硅灰掺量、聚丙烯纤维掺量、可再分散乳胶粉掺量对再生骨料透水混凝土配合比的影响，并得出正交试验条件下再生骨料透水混凝土的最优配合比。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验使用的骨料分为由岩石破碎而成的天然骨料和由建筑垃圾破碎而成的再生骨料，材性见表1.1；水泥为河南天瑞水泥集团有限公司的天瑞牌普通硅酸盐水泥；试验所用掺合料主要有硅灰、粉煤灰、聚丙烯纤维和可再分散乳胶粉，上述掺合料的物理性能指标分别见表1.2～1.5。

表1.1  骨料的基本物理性能指标

表1.2  硅灰相关技术指标

表1.3  粉煤灰相关技术指标

表1.4  聚丙烯纤维相关技术指标

表1.5  可再分散乳胶粉相关技术指标

1.2 试件设计及制作

试验设置再生骨料取代率、硅灰掺量、聚丙烯纤维掺量和可再分散乳胶粉掺量等4个因素，每个因素有4个变化水平，保持设计孔隙率为15%不变，减水剂掺量为0.5%，经前期适配合理水灰比控制在0.21左右。采用正交试验研究再生骨料透水混凝土抗压强度、抗折强度、有效孔隙率和透水系数的变化规律以及上述4个因素对再生骨料透水混凝土相关性能的影响程度，确定最佳配合比。

本试验4个变化因素分别为再生骨料取代率、硅灰掺量、聚丙烯纤维掺量和可再分散乳胶粉掺量，分别记作A、B、C和D，另外设置一列空列记作E，每个因素有4个变化水平，试验因素水平设置情况如表3.1所示。

表2.1  试验因素水平表

1.3 试验方法

试件的立方体抗压强度试验、抗折强度试验参照国家标准GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，试验所用的仪器分别为济YAW-2000B型压力试验机、WDW-100型电子式万能试验机；孔隙率试验参照行业标准CJJ/T 253-2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》进行；透水系数试验参照行业标准CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》[62]中使用定水头法测定透水系数的试验方法自制试验仪器，如图1.1所示。

图1.1  自制透水系数试验装置

2 试验分析方法

层次分析法是一种将定性和定量相结合的一种决策思维方法。它可以将复杂的问题进行分解，使之成为易于理解的各个组成因素的层次结构。而正交试验的目的就是寻找各个因素之间的主次顺序及最优方案，也就是得出因素及因素各水平的影响权重。利用层次分析法对数据进行统计分析，不仅能得出各因素主次顺序及最优方案，而且可以得出因素各水平对试验结果的影响权重。

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度分析

（1）7天抗压强度分析

按照层次分析法的计算方法计算各因素不同水平对再生骨料透水混凝土7d抗压强度的影响权重，将影响权重按因素类别绘制成柱形图，如图3.1所示。

由图3.1可知，4个因素中对再生骨料透水混凝土7d抗压强度影响程度最大的是再生骨料取代率；其次是硅灰掺量，但是其影响程度远低于再生骨料取代率的影响程度；紧接着是可再分散乳胶粉掺量，聚丙烯纤维掺量的影响程度最弱。因此仅改变聚丙烯纤维掺量对提高再生骨料透水混凝土7d抗压强度作用不明显。由图可知最佳试验配合比为A1B3C3D1。图中：A-再生骨料取代率；B-硅灰掺量；C-聚丙烯纤维掺量；D-可再分散乳胶粉掺量；E-空列，下同。

图3.1  各因素不同水平对再生骨料透水混凝土7d抗压强度的影响权重

（2）28天抗压强度分析：

各因素对再生骨料透水混凝土28d抗压强度的影响权重按因素类别绘制成柱形图，如图3.2所示。

从图3.2中可以发现，再生骨料取代率对28d抗压强度影响程度最大；其次是硅灰掺量和聚丙烯纤维掺量，这两个因素的影响程度差别不大，但是远低于再生骨料取代率的影响程度；可再分散乳胶粉掺量的影响程度最低，改变可再分散乳胶粉掺量对提高再生骨料透水混凝土28d抗压强度作用不明显。层次分析获得的最佳试验配合比为A1B3C3D1。

图3.2  各因素不同水平对再生骨料透水混凝土28d抗压强度的影响权重

3.2  抗折强度分析

各因素不同水平对再生骨料透水混凝土抗折强度的影响权重按因素类别绘制成柱形图，如图3.3所示。

由图3.3可知，再生骨料取代率对再生骨料透水混凝土抗折强度影响程度最大；硅灰掺量和聚丙烯纤维掺量的影响程度相差不大，但是两者的影响程度与再生骨料取代率相比仍然有较大差距；可再分散乳胶粉掺量的影响程度最低，但与硅灰掺量相比差距不太大。由图可知最佳试验配合比为A1B3C4D4。

图3.3  各因素不同水平对再生骨料透水混凝土抗折强度的影响权重

3.3  有效孔隙率分析

各因素不同水平对再生骨料透水混凝土有效孔隙率的影响权重计按因素类别绘制成柱形图，如图3.4所示。

由图3.4可知，硅灰掺量对再生骨料透水混凝土有效孔隙率的影响程度最大，可再分散乳胶粉掺量的影响程度紧随其后，与硅灰掺量影响程度差距不大，再生骨料取代率的影响程度略低于可再分散乳胶粉掺量的影响程度，聚丙烯纤维掺量的影响程度最低，且其掺量水平的变化对有效孔隙率的影响不明显。因此改变再生骨料透水混凝土有效孔隙率，可以从硅灰掺量、粉煤灰掺量或再生骨料取代率这3个因素入手。由图可知最佳试验配合比为A1B1C2D4。

图3.4  各因素不同水平对再生骨料透水混凝土有效孔隙率的影响权重

3.4  透水系数分析

将各因素不同水平对再生骨料透水混凝土透水系数的影响权重进行计算，将影响权重按因素类别绘制成柱形图，如图3.5所示。

由图3.5可知，硅灰掺量对再生骨料透水混凝土透水系数影响程度最大，再生骨料取代率的影响程度略低于硅灰掺量的影响程度，可再分散乳胶粉掺量的影响程度排第3位，聚丙烯纤维掺量的影响程度最低。硅灰掺量、粉煤灰掺量和再生骨料取代率这3个因素对透水系数的影响程度都很明显，因此改变再生骨料透水混凝土透水系数可以从这3个因素入手。由图判定的最佳试验配合比为A1B1C3D4。

图3.5  各因素不同水平对再生骨料透水混凝土透水系数的影响权重

3.5  试验结果拟合分析

3.5.1  7天抗压强度与28天抗压强度之间的关系

对再生骨料透水混凝土7d抗压强度和28d抗压强度进行线性拟合，如图3.6所示，得到拟合关系式（3.1），其相关系数为0.95。

（3.1）

式中：—再生骨料透水混凝土28天立方体抗压强度(MPa)；

—再生骨料透水混凝土7天立方体抗压强度(MPa)。

图3.6  7d抗压强度与28d抗压强度关系曲线

3.5.2  28天抗压强度与抗折强度之间的关系

对再生骨料透水混凝土28d抗压强度和抗折强度进行线性拟合，如图3.7所示，拟合得到相关系数为0.91的关系式（3.2）。

（3.2）

式中：—再生骨料透水混凝土抗折强度(MPa)；

—再生骨料透水混凝土28天立方体抗压强度(MPa)。

图3.7  28d抗压强度与抗折强度关系曲线

3.5.3  有效孔隙率与透水系数之间的关系

对再生骨料透水混凝土有效孔隙率和透水系数进行线性拟合，如图3.8所示，拟合得到相关系数为0.92的关系式（3.3）。

（3.3）

式中：—再生骨料透水混凝土透水系数(mm/s)；

—再生骨料透水混凝土有效孔隙率(%)。

图3.8  有效孔隙率与透水系数关系曲线

4  结论

基于4水平正交试验通过层次分析对再生骨料透水混凝土的7d抗压强度、28d抗压强度、抗折强度、有效孔隙率和透水系数的影响因素及水平进行综合分析研究，确定各因素的最优水平，主要结论有以下几个方面：

（1）通过分析发现，再生骨料取代率对抗压强度和抗折强度的影响程度均最大，对有效孔隙率的影响程度排第3位，对透水系数的影响程度排第2位；硅灰掺量对有效孔隙率和透水系数的影响程度最大，对抗压强度的影响程度排第2位，但远小于再生骨料取代率的影响程度，对抗折强度的影响程度排第3位且与聚丙烯纤维掺量的影响程度差距很小；聚丙烯纤维掺量对7d抗压强度和28d抗压强度的影响程度存在差异，但影响程度都偏小，对抗折强度的影响程度较大，对有效孔隙率和透水系数的影响程度均很小；可再分散乳胶粉掺量对抗压强度和抗折强度的影响不大，对有效孔隙率和透水系数的影响很明显。

（2）通过对7d抗压强度和28d抗压强度、28d抗压强度和抗折强度以及有效孔隙率和透水系数的试验结果进行拟合分析，均得到相关系数较高的拟合关系式。

（3）以抗压强度和透水系数为主要影响指标，综合分析4个因素对2个主要指标的影响程度，确定最优配合比为：再生骨料取代率为30%，硅灰掺量为4.7%，聚丙烯纤维掺量为0.6%，可再分散乳胶粉掺量为7%。

参考文献

 [1]蔡风雷. 谈建筑垃圾的资源化利用[J]. 山西建筑, 2019,45(04):192-194.

[2]董继东, 王海潮, 王硕南. 我国建筑垃圾现状及合理化回收利用建议[J]. 绿色环保建材, 2019(01):22-23.

[3]杨永山, 薄文斐. 建筑垃圾再利用现状[J]. 建材与装饰, 2018(46):160-161.

[4]甘福, 周脉席, 濮琦. 再生粗骨料及再生混凝土性能研究进展[J]. 混凝土与水泥制品, 2018(09):102-107.

[5]贺春鹏, 付兴国, 孙相博, 等. 混凝土用再生粗骨料性能研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2019(02):98-100.

[6]李秋义等. 混凝土再生骨料[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.