活性掺合料再生混凝土试验结果分析

1.和易性分析

试验在进行配合比设计时，以普通混凝土的配合比设计为标准，拌和物用水量以Z1为基准，试验证明：Z1普通混凝土和易性较好，可满足施工要求。在用水量相同的条件下，再生混凝土坍落度较天然混凝土小，和易性比天然混凝土差。这是因再生粗骨料吸水率为4.2%，而天然骨料吸水率仅为1.0%，再生粗骨料与天然骨料相比表面有旧砂浆附着，粗糙且棱角多，在破碎过程中形成大量微裂缝，这些因素使得其吸水率和吸水速率大大提高，是天然骨料的数倍。虽然粉煤灰和矿渣粉可改善再生混凝土的流动性，但是试验中再生粗骨料对坍落度的影响要大于粉煤灰和矿渣粉，聚丙烯纤维的加入虽然可提高再生混凝土的保水性，但使其流动性变差；所以在本试验配合比情况下粉煤灰、矿渣粉等对混凝土拌合物和易性改善效果不明显。

2.极差和点图分析

根据表6.3分别计算出矿渣粉A、粉煤灰B、引气剂C、聚丙烯纤维D、再生粗骨料E对再生混凝土的含气量、28d抗压强度、90d抗压强度、28d劈拉强度影响的极差值，极差分析结果见表6.4。

表6.4　极差分析表

由极差表6.4中可以得出以下结论。

（1）影响粉煤灰再生混凝土含气量的主次因素为：C＞B＞D＞E＞A，即引气剂掺量＞粉煤灰掺量＞聚丙烯掺量＞再生骨料掺量＞矿渣微粉掺量。

（2）影响粉煤灰再生混凝土28d抗压强度的主次因素为：B＞A＞E＞C＞D，即粉煤灰掺量＞矿渣微粉掺量＞引气剂掺量＞再生粗骨料掺量＞聚丙烯纤维掺量。

（3）影响粉煤灰再生混凝土90d抗压强度的主次因素为：B＞A＞E＞C＞D，即粉煤灰掺量＞矿粉掺量＞引气剂掺量＞再生粗骨料掺量＞聚丙烯纤维掺量。

（4）影响粉煤灰再生混凝土劈拉强度的主次因素为：C＞E＞B＞A＞D，即引气剂掺量＞再生骨料掺量＞粉煤灰掺量＞矿渣微粉＞聚丙烯掺量。

通过点图分析的方法可见各因素水平变化时，相应指标的变化趋势。针对再生混凝土中5种配比因素：矿渣粉A、粉煤灰B、引气剂C、聚丙烯纤维D和再生粗骨料E 的不同水平分别作出含气量、28d抗压强度、90d抗压强度以及28d劈拉强度的趋势图，如图6.1～图6.7所示。

图6.1　含气量点图分析

图6.2　28d抗压强度点图分析

由图6.1可见，再生混凝土含气量随着因素C （引气剂掺量）增加而明显增大，且呈线性增加；因素B （粉煤灰掺量）对含气量影响较大，当掺量为20%时，含气量较大，其余各因素对含气量大小影响不明显。引气剂的主要作用是在混凝土中引入封闭、独立的微小气泡，且在混凝土中被骨料和水泥浆包裹不易消失，对混凝土拌和物起到活化界面的作用，增加混凝土拌和物流动性，可明显改善混凝土抗冻性，但是混凝土抗压强度随着含气量增加而降低。

图6.3　90d抗压强度点图分析

图6.4　28d劈拉强度点图分析

由图6.2可见，再生混凝土早期抗压强度随A （矿渣粉掺量）的增加而增大（当掺量为30%时取得最大值），随B （粉煤灰掺量）增加而降低；28d抗压强度随C （引气剂掺量）增加而降低；因素D （聚丙烯纤维掺量）对抗压强度增强效果不明显；因素E （再生粗骨料掺量）也是影响抗压强度重要因素之一，总体上表现为呈下降趋势。因为再生粗骨料表面旧砂浆与新砂浆之间的粘结是应力薄弱区，而再生粗骨料在加工过程中遭受到了损伤破坏，从而导致再生混凝土的强度随着骨料掺量的增加而降低。粉煤灰再生混凝土存在早期强度较低的问题，因为粉煤灰颗粒对水泥中各种矿物质的早期水化速度有明显影响，粉煤灰颗粒具有吸附Ca2+的作用，从而减慢了C—S—H的结晶与成核，进而阻碍了早期的水化进程。矿渣粉等量取代水泥后可显著改善粉煤灰再生混凝土的早期强度，矿渣粉作用于混凝土的主要作用机理有微骨料效应、微晶核效应、火山灰效应，因为矿渣粉颗粒粒径要远小于粉煤灰颗粒，在粉煤灰再生混凝土中掺入矿渣粉，矿渣粉颗粒和粉煤灰之间良好的“叠加效应”，可以更好地改善再生混凝土中各骨料之间结构的连接，同时起到填充作用，使其内部结构更加致密，使粉煤灰再生混凝土的强度得到改善。粉煤灰再生混凝土与普通混凝土一样后期强度发展较快，这是由于在中后期随着火山灰反应的继续和水化反应的进行，矿渣粉和粉煤灰参与反应也相应越充分，矿渣粉的化学潜能得到较好地释放，可促进粉煤灰再生混凝土中后期强度的发展。

由图6.3可见，再生混凝土90d抗压强度随各因素掺量的变化趋势，因素B （粉煤灰掺量）对再生混凝土的后期抗压强度影响发生了变化，即再生混凝土后期抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而增大，其余几种因素在90d龄期时，对抗压强度的影响趋势与28d时抗压强度变化趋势相同。

由图6.4可知，再生混凝土28d劈拉强度随着5种材料掺量的变化趋势，其中随着A（矿粉掺量）的增加呈线性增加趋势，在矿粉掺量为30%时劈拉强度取得最大值；随B（粉煤灰掺量）增加而呈线性降低；因素C （引气剂掺量）是影响再生混凝土劈拉强度的重要因素，其掺量的增加引起的劈拉强度下降较为明显；因素D （聚丙烯纤维掺量）增加，劈拉强度略有提高；随E （再生骨料掺量）增加，劈拉强度降低，再生骨料掺量为70%时，劈拉强度略有增高。

综上所述，满足再生粗骨料混凝土良好和易性、抗压强度和劈拉强度力学性能要求的最佳组合为A4B4C3D1E2。

图6.5　28d抗折强度点图分析

由图6.5可知：

因素A （矿渣粉掺量）对抗折强度的影响趋势表现为先增大后减小，矿粉掺量为20%时，抗折强度取得最大值，掺量30%时略有减小，最佳掺量为20%。(www.xing528.com)

因素B （粉煤灰掺量）对再生混凝土抗折强度的影响效果不甚明显，属于次要因素，呈先增大后减小的趋势，总体呈上升趋势，但幅度不大。最佳掺量为20%。

因素C （引气剂掺量）是影响抗折强度的不利因素，掺引气剂之后与不掺引气剂试件相比，抗折强度明显降低。

因素D （聚丙烯纤维掺量）是对再生混凝土抗折强度有利因素，但是影响非常小，是5种因素里最次要的因素，表现为缓慢增长，随掺量增加抗折强度提高很小。

因素E （再生骨料掺量）的掺入降低抗折强度，当再生骨料掺量为70%时，抗折强度高于掺量为40%和100%。掺再生骨料的混凝土试件抗折强度比不掺再生骨料的混凝土试件降低了6.3%～7.9%。

再生骨料和引气剂为影响混凝土抗折强度的不利因素。再生骨料因为骨料本身内部微裂隙和旧砂浆的存在，使得骨料之间的胶结力降低，骨料与浆体的结合面比较薄弱，承受拉应力的能力更差。引气剂的加入增大了混凝土内部的孔隙率，同样使得承受拉应力的能力降低。由试验数据可知，矿粉和粉煤灰作为矿物掺合料对混凝土抗折强度有增强效应。一方面，相关研究表明矿粉的活性要由于粉煤灰，矿粉在水化反应中产生的水化产物要比粉煤灰多，这些水化产物可以有效地降低混凝土内部孔隙率，提高混凝土密实度。孔隙率的降低、密实度的提高对于混凝土强度十分有利。另一方面，矿粉和粉煤灰化学成分之间具有互补性，所以当二者作为复合材料使用时，会产生 “超叠加效应”，这对混凝土材料十分有利。

综上所述可知，结合极差分析和点图分析可以得出再生混凝土28d抗折强度最佳组合为A3B3C3D4E3。

图6.6　28d轴心抗压强度点图分析

由图6.6可得如下结论：

因素A （矿渣粉掺量）对轴心抗压强度影响趋势为先增大后减小，当矿粉掺量为20%时，轴心抗压强度取得最大值，矿粉掺量为30%时略有减小，由此可知，矿渣粉可提高再生混凝土轴心抗压强度，提高幅度为9.6%。

因素B （粉煤灰掺量）对28d轴心抗压强度的影响呈线性下降，与不掺粉煤灰的试件相比，粉煤灰掺量为30%，轴心抗压强度下降6.7%。

因素C （引气剂掺量）对轴心抗压强度的影响总体呈曲折下降趋势，引气剂掺量为0.75/万时，强度略有提高，但依旧低于不掺引气剂的轴心抗压强度。随引气剂掺量增加，轴心抗压强度分别下降7.4%、5.9%、10.3%。

因素D （聚丙烯纤维掺量）对轴心抗压强度的影响呈线性上升趋势，即随着聚丙烯掺量增加，轴心抗压强度增加，但是强度增幅不大。

因素E （再生骨料掺量）对轴心抗压强度的影响如图6.6所示呈线性下降。随再生骨料掺量的增加，轴心抗压强度降低。

综上所述，再生骨料、粉煤灰和引气剂3个因素为影响轴心抗压强度的不利因素。矿渣粉和聚丙烯纤维则对轴心抗压强度有利因素。结合极差分析和点图分析可以得出再生混凝土28d轴心抗压最佳组合为A3B2C3D4E2。

图6.7　受压弹性模量点图分析

由图6.7可得如下结论：

因素A （矿渣粉掺量）对静弹性模量的影响趋势为先增大后减小，当矿粉掺量为20%时，试件平均静弹性模量取得最大值34.3GPa，与不掺矿粉试件组相比，弹性模量提高幅度为7.1%。矿粉掺量为10%和30%的试件组静弹性模量均低于矿粉掺量为0的试件组，由此可知，矿渣粉掺量20%为再生混凝土静弹性模量的最佳掺量。

因素B （粉煤灰掺量）对28d静弹性模量的影响呈上升趋势，即再生混凝土静弹性模量随粉煤灰掺量增加而增加，增长幅度分别为0.3%、1.8%、6.0%。

因素C （引气剂掺量）对静弹性模量的影响总体呈曲折下降趋势，引气剂掺量为0.75/万时的静弹性模量略高于掺量为0.5/万时的强度，但依旧低于不掺引气剂的静弹性模量。随引气剂掺量增加，静弹性模量分别下降2.4%、0.9%、7.3%。

因素D （聚丙烯纤维掺量）掺量变化对静弹性模量影响很小，4个水平彼此之间的静弹性模量试验数据非常接近，且不呈现出明显的规律。

因素E （再生骨料掺量）对静弹性模量的影响如图6.7所示呈明显线性下降。静弹性模量随再生骨料掺量增加而降低，降低幅度为8.8%、15.7%、21.3%。

综上所述，再生骨料、引气剂两种因素为影响混凝土静弹性模量的不利因素。矿渣粉和粉煤灰则是影响静弹性模量的有利因素。聚丙烯纤维对静弹性模量几乎无影响。结合极差分析和点图分析可以得出再生混凝土28d静弹性模量最佳组合为A3B4C3D2E2。

3.结论

通过以上对试验数据的分析，可得出如下结论。

（1）满足再生粗骨料混凝土良好和易性、抗压强度和劈拉力学性能要求的最佳正交组合为A4B4C3D1E2；粉煤灰和矿渣粉是影响再生混凝土基本力学性能的重要因素。

（2）再生混凝土中粉煤灰超量取代水泥，其28d抗压和劈拉强度与不掺粉煤灰相比，降低2.6%～8.8%和0.6%～4.7%，28d抗压强度与90d抗压强度比较增长幅度分别为26%、35%、37%、49%，再生混凝土后期强度随粉煤灰掺量增加而增强，当掺量为30%时增幅最大；再生混凝土中掺入矿渣微粉等量取代水泥，28d抗压强度和劈拉强度分别提高4.9%～8.1%和0.4%～4.6%，矿渣粉可增强粉煤灰再生混凝土抗压强度和劈拉强度，改善粉煤灰再生混凝土早期强度低的缺点。

（3）再生混凝土强度随再生粗骨料掺量增加而降低；引气剂可降低再生混凝土抗压强度，相对粉煤灰和矿粉，影响并不十分明显，对再生混凝土劈拉强度的降低作用显著；聚丙烯纤维对再生混凝土抗压强度影响较小，但对劈拉强度有着补强作用。