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不同因素对再生混凝土抗压强度的影响

更新时间:2009-03-28

再生混凝土的研究对于减少天然集料的开发,发展循环经济,建设高效节能型社会有着重要意义。以往的很多国内外学者都曾致力于再生混凝土基本力学方面研究,但他们的主要关注点在再生粗骨料取代率的不同对混凝土力学性能及变形的影响上。综合其成果显示[1-3,7-12],选用普通混凝土立方体试块的破坏情况作对比,再生混凝土的立方体破坏形态与普通混凝土相似。但由于实验条件不同或再生粗骨料自身内部结构复杂,前者在再生混凝土抗压强度的研究成果方面存在较大差异[4]。通过对以往研究成果的考究,实验选取不同水平的水胶比、再生混凝土取代率、粉煤灰掺量及基体混凝土强度4个因素作为研究变量进行正交实验研究,以期能够提高再生混凝土的抗压强度。

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1 实验概况

1.1 实验原材料

水泥采用冀东P.O 42.5普通硅酸盐水泥,实验选用天然砂,其细度模数为3.12,表观密度为2 780 kg·m-3,粉煤灰采用的是唐山电厂Ⅱ级粉煤灰。实验所用的再生粗骨料(基体混凝土强度等级分为C20、C30、C40、C50)与天然骨料的基本性能见表1。

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1 粗骨料的基本性能

  

骨料类型粒径范围/mm堆积密度/(kg·m-3)表观密度/(kg·m-3)吸水率/%压碎值指标/%天然碎石—5~20147528100.77.2再生混凝土C205~25117026103.8121.7C305~25121226203.5315.0C405~25123226703.9213.9C505~25121227105.9412.7

1.2 实验方案设计

根据选取的正交实验表,进行实验的总分组数为16组,每组有3个试件,主要考虑水胶比、再生混凝土取代率、粉煤灰掺量及基体混凝土强度4个因素在4个不同水平下对再生混凝土抗压强度的影响。实验具体安排见表2。

 

2 实验安排

  

实验号水胶比再生粗骨料取代率/%粉煤灰掺量/%基体混凝土强度Z10.4000C20Z20.453010C20Z30.506020C20Z40.5510030C20Z50.50010C30Z60.55300C30Z70.406030C30Z80.4510020C30Z90.55020C40Z100.503030C40Z110.45600C40Z120.4010010C40Z130.45030C50Z140.403020C50Z150.556010C50Z160.501000C50

1.3 试件制作及养护

方差分析可以准确判断出实验因素对实验指标影响的显著性,实验选用 SPSS 进行方差分析,此统计分析软件可以根据F值的分布表自动输出与其相应的概率P值。可以根据F值的大小来检验极差分析的结果,将P值的大小与显著性水平比较则可以用来判断实验因素的显著性。实验方差分析表见表5。

2 实验结果及分析

2.1 实验结果

从图1中可以直观地看出再生混凝土28 d抗压强度值随着各实验因素不同水平均值的变化趋势。从图中的曲线变化趋势来看,水胶比的增大以及粉煤灰掺量的增加都会对再生混凝土的抗压强度产生消极影响。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较多小孔,混凝土的密实度就会降低,再生混凝土的抗压强度也会因其内部密度减小而降低。由于实验中粉煤灰同质量替代水泥,当混凝土试块制作过程中掺入较多粉煤灰时,作为胶凝材料的水泥量减少,而粘结性较差的粉煤灰量增加,就会影响胶凝材料与粗骨料之间的有效黏结,再生混凝土中就会出现密实度较低的情况,因此粉煤灰掺量与再生混凝土抗压强度的关系呈负相关。再生混凝土抗压强度在再生粗骨料取代率大于30%以后有所提高,其关键原因是,再生粗骨料多孔、低密度,所以其吸水率比较大,尽管实验前对再生粗骨料进行了浸泡预处理,但饱和面干状态并不好辨识,所示实验前再生粗骨料经常会被风干过度。因此在水胶比一定的情况下,再生粗骨料掺量越多,相较于天然骨料,其实际吸水量也就越多,换言之也就是降低了真实的水胶比,水胶比减小,再生混凝土的抗压强度也就会相应提高。图中基体混凝土强度对再生混凝土抗压强度影响趋势显示,基体混凝土强度等级在高于C30以后,再生混凝土的抗压强度有明显提高。主要原因是,基体混凝土强度较低时,附着在旧天然骨料上的水泥砂浆孔隙率较大,加之后期对基体混凝土的破碎,又增多了旧水泥砂浆内部的裂缝,所制得的再生粗骨料密实度明显降低,这就会降低用其制作的再生混凝土的抗压强度。所以基体混凝土强度越大,旧水泥砂浆的密实度也越大,再生混凝土的抗压强度就会提高。当基体混凝土强度为C20时,在再生粗骨料制作过程中,附着在就旧石子上的旧水泥砂浆就会脱落很多,因此制得的再生粗骨料中旧石子含量较多,旧石子与天然骨料的密实度基本相同,所以基体混凝土强度为C20的再生混凝土抗压强度要高于基体混凝土强度为C30的再生混凝土抗压强度。

2.2 数据分析

实验选用SPSS 软件对实验结果进行分析,SPSS 可以对实验结果进行描述性统计分析、探索分析、均值比较与检验,以及数据的方差分析、回归分析等,还能够提供相对高级的多元方差分析和其他较专业的统计分析,例如对数据的生存分析、信度分析等。本实验主要考虑实验结果的均值比较与检验,以及对实验结果的方差分析。

引理2若φj(z)(j=1,2,…,k)为区域D内k个亚纯函数,且φ1,φ2,…,φk线性无关,那么φ1,…,φk的Wronskian行列式〔9〕

极差分析既能显示实验指标在各因素不同水平下的大致趋势走向,又能分析得到各实验因素对实验指标影响的程度大小及各因素最优水平组合。对实验结果的极差分析主要按照下式(1)进行,表示第j列实验因素第m水平相应的实验结果总和的平均值,数值的大小可以用来判定第j列实验因素的最优水平及所有实验因素水平最优组合,表示第j列实验因素的极差,分析结果见表4。图1所示为再生混凝土28 d抗压强度均值变化趋势。

由表5的方差分析结果中的均方值可知,各实验因素的均方值均远远大于误差的均方值,则证明各实验因素对实验指标的影响较大,且方差分析结果中各实验因素对应的P值均小于0.05,即在显著性水平=0.05以及=0.10上,各实验因素对再生混凝土的抗压强度影响显著。方差分析中再生粗骨料取代率所对应的F值要比粉煤灰对应的F值较大,也就表明再生粗骨料取代率对实验指标的影响要略大于粉煤灰对实验指标的影响,这与极差分析结果有些许差别。但两F值之间差值很小,所以并不影响极差分析中最终得到的最优试验因素水平组合。

(1)

 

3 抗压强度

  

实验号基体混凝土强度再生粗骨料取代率/%掺入粉煤灰量/%水胶比28d抗压强度/MPaZ1C20000.4035.29Z2C2030100.4531.54Z3C2060200.5034.17Z4C20100300.5528.75Z5C300100.5030.65Z6C303000.5527.26Z7C3060300.4031.61Z8C30100200.4533.81Z9C400200.5527.51Z10C4030300.5027.88Z11C406000.4536.84Z12C40100100.4038.38Z13C500300.4531.22Z14C5030200.4036.41Z15C5060100.5533.16Z16C5010000.5039.12

 

4 再生混凝土28 d抗压强度极差分析表

  

因素水胶比(A)再生粗骨料取代率(B)粉煤灰掺量(C)基体混凝土强度(D)K135.4231.1734.6332.44K233.3530.7733.4330.83K332.9633.9532.9832.65K429.1735.0229.8734.98极差Rj6.254.254.764.15主次顺序A>C>B>D最优水平A1B4C1D4最优组合A1B4C1D4

  

图1 再生混凝土抗压强度趋势图

实验选用的设备为数显式建材压力实验机,测得实验现象与普通混凝土抗压强度实验测试现象相似,这与肖建庄等[7-8]的实验研究成果基本一致,试块的破坏主要发生在于粗骨料与水泥浆体界限的粘结破坏,粗骨料被劈裂的情况少有发生。实验结果见表3。

用于实验的试件为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块,由于基体混凝土制得的再生粗骨料吸水率较高[5],实验前先将再生粗骨料放入桶中浸泡预湿,再将其放在通风的地方铺平晾晒、风干。为使混凝土搅拌均匀,实验选用干拌法[6],将材料分别按砂、水泥、粉煤灰的先后顺序倒入搅拌机,待其拌合均匀后,再加入粗骨料,继续搅拌均匀,最后将水倒入搅拌机中,搅拌3~5 min,标准养护28 d后按照《普通混凝土力学性能实验方法标准》进行再生混凝土抗压强度实验。

 

5 再生混凝土28 d抗压强度方差分析表

  

方差来源平方和自由度均方FP校正模型217.749a1218.14644.3350.005截距17134.810117134.81041865.3990.000基体混凝土强度34.973311.65828.4830.010再生粗骨料取代率51.882317.29442.2550.006粉煤灰掺量49.449316.48340.2730.006水胶比81.445327.14866.3310.003误差1.22830.409总计17353.78616校正的总计218.97615

3 结论

(1)水胶比对再生混凝土28 d抗压强度的影响最大,粉煤灰掺量与再生混凝土抗压强度呈负相关关系;在再生粗骨料取代率大于30%的情况下,再生混凝土抗压强度随着粗骨料取代率的增加而增高,基体混凝土强度对其影响最小。

(2)在所有实验因素水平中使再生混凝土28 d抗压强度达到最优的组合为:水胶比为0.40,再生粗骨料取代率为100%,粉煤灰掺量为0,基体混凝土强度为C50。

(3)方差分析中由F值的大小得出的结论与极差分析基本一致,从P值得大小来看,在=0.05及=0.10的显著性水平上,4个因素对再生混凝土抗压强度影响显著。

另外,教师随时可以通过网络教学平台了解学生的课前学习情况,对没有及时课前学习的学生进行提醒;鼓励学生互相解答疑问,解答学生无法解决的个别疑问,梳理学生对新知识的共性疑问;查看学生在线测试的答题情况,找出学生答题较差的测试题并分析其原因等。

参考文献

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张丽素,乔京生,张弛,赵江山
《华北理工大学学报(自然科学版)》2018年第02期文献

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