裘 泳，姜 濤，趙景鋒，王雪軍，杜越峰，徐亦冬

(1.浙江省二建建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315202； 2.浙大寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100； 3.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江 杭州 310015)

0 引言

我國進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程不斷加快，建筑行業(yè)高速發(fā)展，不僅消耗了大量天然砂石等不可再生資源，同時也產(chǎn)生大量廢棄混凝土，不僅占用寶貴土地，而且會引起環(huán)境和社會問題[1]。對廢棄混凝土進(jìn)行循環(huán)再生利用，不僅可解決大量廢棄混凝土處理困難及由此造成的生態(tài)環(huán)境惡化問題，同時也可減少對天然砂石等資源的消耗[2]。清水混凝土是指一次澆筑成型，直接以原始澆筑面或僅以透明保護(hù)劑做保護(hù)性處理后的表面作為結(jié)構(gòu)表面，通過混凝土本色和自身質(zhì)感達(dá)到美觀效果[3]。由于清水混凝土結(jié)構(gòu)一次成型，且在施工過程中不抹灰、不涂料，不僅減少了建筑垃圾，同時也降低了整體造價，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的技術(shù)手段。為充分利用廢棄混凝土，將再生混凝土技術(shù)與清水混凝土技術(shù)相結(jié)合，利用廢棄混凝土破碎加工后得到的再生粗骨料部分或全部替代清水混凝土中天然粗骨料來制備再生骨料自密實(shí)清水混凝土，同時實(shí)現(xiàn)了廢棄混凝土回收利用和減少裝飾材料對環(huán)境的污染，對混凝土可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

由于建筑廢棄物來源廣泛、組成復(fù)雜，導(dǎo)致由不同來源建筑廢棄物破碎得到的再生骨料性能差異巨大，使再生骨料品質(zhì)難以得到有效控制[4]。相比天然粗骨料，再生粗骨料由于表層包裹疏松多孔砂漿，使骨料具有較小堆積密度和表觀密度及較大吸水率[5-6]。故在相同水膠比下，采用再生骨料制備的再生混凝土性能會大大降低，同時再生骨料品質(zhì)也對混凝土性能有一定影響[7]。GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》詳細(xì)規(guī)定了再生粗骨料各種性能指標(biāo)，將混凝土用再生粗骨料按性能要求分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類。本試驗(yàn)采用規(guī)范中Ⅲ類低品質(zhì)再生粗骨料配制再生骨料自密實(shí)清水混凝土，且清水混凝土對混凝土表面性能要求較高，故在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時，不能直接按普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，需通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，確定不同因素對混凝土不同性能指標(biāo)的影響規(guī)律，同時找出每個性能指標(biāo)的顯著性影響因素?；谡辉囼?yàn)結(jié)果，對低品質(zhì)再生骨料清水混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)選并進(jìn)行驗(yàn)證，確定最優(yōu)配合比參數(shù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥為普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)， 產(chǎn)自寧波，粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，產(chǎn)自寧波，性能指標(biāo)如表1所示，細(xì)骨料為普通河砂，產(chǎn)自寧波，符合GB/T 14684—2011《建筑用砂》要求，粒徑級配良好，表觀密度為2 520kg/m3，細(xì)度模數(shù)為1.8；粗骨料為5～16mm連續(xù)級配再生粗骨料，其SEM圖如圖1所示。采用產(chǎn)自江蘇蘇博特新材料股份有限公司PCA-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%。水為自來水。

表1 粉煤灰基本性能指標(biāo) %

圖1 再生粗骨料SEM圖

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1再生粗骨料材料性能測試

再生粗骨料材料性能測試按《混凝土用再生粗骨料》規(guī)定的取樣方式、樣品數(shù)量及試驗(yàn)方案。對再生粗骨料顆粒級配、表觀密度、微粉含量、壓碎指標(biāo)及吸水率[8-9]進(jìn)行測試。再生粗骨料基本性能指標(biāo)如表2所示。

表2 再生粗骨料基本性能指標(biāo)

1.2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于普通自密實(shí)清水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法確定配合比參數(shù)基本范圍，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究水膠比、砂率及膠凝材料含量對再生骨料自密實(shí)清水混凝土不同指標(biāo)性能影響。基于前期探索試驗(yàn)研究，以再生粗骨料全部替代混凝土中天然粗骨料，同時確定粉煤灰摻量為膠凝材料含量的20%，減水劑為膠凝材料含量的1.5%，將水膠比、砂率和膠凝材料含量作為3個影響因素，研究其對再生骨料自密實(shí)清水混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響規(guī)律與顯著性，每個因素選取3個水平，如表3所示。

表3 正交因素水平數(shù)

根據(jù)因素的水平數(shù)，本試驗(yàn)采用L9(34)正交試驗(yàn)表，如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

基于正交試驗(yàn)9個試驗(yàn)組，根據(jù)CCES 02—2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》和JGJ 169—2009《清水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測試每組試驗(yàn)混凝土坍落擴(kuò)展度和7d抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 不同影響因素對再生骨料自密實(shí)清水混凝土工作性能的影響分析

再生骨料自密實(shí)清水混凝土配合比設(shè)計(jì)中，混凝土工作性能主要通過混凝土坍落擴(kuò)展度來體現(xiàn)，因此，對混凝土坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表6所示。

表6 混凝土坍落擴(kuò)展度極差分析

根據(jù)混凝土坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出對應(yīng)各列水平K值和極差R，由表6可知，不同因素對再生骨料自密實(shí)清水混凝土坍落擴(kuò)展度的影響程度依次為：水膠比>砂率>膠凝材料含量。在試驗(yàn)影響因素水平范圍內(nèi)，隨著水膠比增加，再生骨料自密實(shí)清水混凝土坍落擴(kuò)展度逐漸增大，在同等水膠比增幅情況下，混凝土坍落擴(kuò)展度增長幅度明顯減小。這是因?yàn)槌跏茧A段隨著水膠比增加，骨料與膠凝材料黏結(jié)性明顯降低，很大程度上增強(qiáng)了混凝土流動性；而當(dāng)水膠比繼續(xù)增加，混凝土骨料與膠凝材料黏結(jié)性降低至接近臨界值，使得在同樣水膠比增幅情況下，混凝土坍落擴(kuò)展度增幅明顯減小。對于膠凝材料含量的影響，混凝土坍落擴(kuò)展度隨其增加有一定的變化幅度，但相對于水膠比的影響不是很明顯，因?yàn)樵诠橇吓c用水量確定的情況下，膠凝材料含量改變50～100kg/m3，混凝土流動性不會有很大變化。為便于混凝土施工，在考慮混凝土工作性能時選擇不泌水且坍落擴(kuò)展度較大方案，故根據(jù)K值計(jì)算結(jié)果，得出各因素的優(yōu)水平分別為A3，B3，C2，即水膠比為0.36，砂率為51%，膠凝材料含量為530kg/m3。

2.3 不同影響因素對再生骨料自密實(shí)清水混凝土力學(xué)性能的影響分析

再生骨料自密實(shí)清水混凝土配合比設(shè)計(jì)中，混凝土力學(xué)性能主要通過混凝土7d抗壓強(qiáng)度來體現(xiàn)，因此，對混凝土7d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如表7所示。

表7 混凝土7d抗壓強(qiáng)度極差分析

根據(jù)混凝土7d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出對應(yīng)各列水平K值和極差R，可發(fā)現(xiàn)砂率對再生骨料自密實(shí)清水混凝土7d抗壓強(qiáng)度影響最大，其次是水膠比，膠凝材料含量的影響最小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得出砂率在47%增加至49%的過程中，混凝土7d抗壓強(qiáng)度相對有較大增長幅度，這是因?yàn)樯奥实脑黾邮够炷羶?nèi)部部分孔隙得到較好填充，使混凝土成型后更加密實(shí)，從而增強(qiáng)了混凝土抗壓強(qiáng)度；但隨著砂率逐漸增加，混凝土7d抗壓強(qiáng)度反而減小，因?yàn)樯奥实脑黾訉?dǎo)致粗骨料體積占比減小，使混凝土抗壓強(qiáng)度減小。水膠比對再生骨料自密實(shí)清水混凝土7d抗壓強(qiáng)度的影響與普通混凝土較吻合，隨著水膠比增大，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸減小。故根據(jù)K值計(jì)算結(jié)果，得出各因素的最優(yōu)水平分別為A1，B2，C2，即水膠比為0.32，砂率為49%，膠凝材料含量為530kg/m3。

2.4 再生骨料自密實(shí)清水混凝土工作性能及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

為避免誤差列對試驗(yàn)結(jié)果的干擾，還應(yīng)對混凝土坍落擴(kuò)展度和7d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行方差分析，如表8所示。

由表8可知，各因素水平變化所產(chǎn)生的偏差平方和均小于誤差偏差平方和，因此選取顯著性水平α=0.1和α=0.05兩種情況下的臨界值Fα，分別為F0.1(2,2)=9.00，F(xiàn)0.05(2,2)=19.00。根據(jù)F比計(jì)算結(jié)果可知，對于混凝土坍落擴(kuò)展度，水膠比在顯著性水平0.1，0.05上均顯著，而砂率和膠凝材料含量的影響不顯著，與極差分析結(jié)果一致；對于混凝土7d抗壓強(qiáng)度，3個因素所對應(yīng)的F比值均小于臨界值Fα，因此，各因素對混凝土7d抗壓強(qiáng)度的影響均不顯著。

表8 混凝土坍落擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度方差分析

2.5 再生骨料自密實(shí)清水混凝土配合比試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述研究結(jié)果，綜合分析得出最佳設(shè)計(jì)組合為：A2，B3，C2，即水膠比0.34，砂率51%，膠凝材料含量為530kg/m3。選取最佳設(shè)計(jì)組進(jìn)行再生骨料自密實(shí)清水混凝土配制，并對其工作性能及力學(xué)性能以C30混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 最佳設(shè)計(jì)組下拌合物工作性能及力學(xué)性能指標(biāo)

由表9可知，各項(xiàng)性能指標(biāo)測試結(jié)果均滿足技術(shù)要求。試驗(yàn)采用多種不同模板處理工藝，制得的混凝土均達(dá)到清水效果，如圖2所示。

圖2 再生粗骨料自密實(shí)清水混凝土成型效果

3 結(jié)語

通過正交試驗(yàn)，采用L9(34)正交表分析了3種不同因素對再生骨料自密實(shí)清水混凝土工作性能的影響程度，并通過方差分析分析了各因素對各指標(biāo)影響的顯著性，得到如下結(jié)論。

1)對各因素進(jìn)行極差分析，水膠比對再生骨料自密實(shí)清水混凝土坍落擴(kuò)展度影響最大，其次是砂率，膠凝材料含量的影響最??；對7d抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為砂率、水膠比、膠凝材料含量。綜合各因素對再生骨料自密實(shí)清水混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，水膠比對坍落擴(kuò)展度具有顯著性影響，其余因素對混凝土工作性能無顯著性影響。

2)結(jié)合正交設(shè)計(jì)極差分析和方差分析，優(yōu)選出1組工作性能最優(yōu)的配合比，再對此配合比混凝土進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到的試驗(yàn)結(jié)果均滿足技術(shù)要求。