王立偉， 萬(wàn)珊

(四川理工學(xué)院建筑工程學(xué)院， 四川自貢643000)

基于正交試驗(yàn)橡膠混凝土力學(xué)性能影響因素研究

王立偉， 萬(wàn)珊

(四川理工學(xué)院建筑工程學(xué)院， 四川自貢643000)

橡膠混凝土由于在某些性能上的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。影響其性能的主要因素有：水灰比、橡膠細(xì)度和橡膠摻量。采用正交試驗(yàn)方法，以抗壓和抗折強(qiáng)度為性能指標(biāo)，通過回歸分析和極差方差分析確定抗壓和抗折強(qiáng)度影響因素的顯著性大小，得出了水灰比影響最大，橡膠細(xì)度和摻量有一定影響。其為工程實(shí)踐提供一定的參考。

橡膠混凝土；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)；抗壓強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度

引言

隨著我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)和橡膠工業(yè)的快速發(fā)展，廢舊輪胎和橡膠制品不斷增多。廢橡膠填埋后不易自然降解，對(duì)環(huán)境的污染較大，焚燒又會(huì)造成大氣污染，廢舊橡膠的處理已經(jīng)成為嚴(yán)重的社會(huì)問題。橡膠混凝土是把橡膠研磨成粉狀或顆粒作為一種混凝土摻合料而添加到水泥混凝土中配制而成的新型混凝土。研究表明[1-2]，橡膠混凝土韌性較好，可以很好地解決混凝土的脆性問題，另外還具有輕質(zhì)、彈性減震、降噪隔音、透氣透水等優(yōu)點(diǎn)，因此把廢舊橡膠作為建材回收利用不僅可以改善混凝土原有的缺陷，而且實(shí)現(xiàn)了廢舊橡膠的無(wú)污染處理，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。但是由于橡膠的摻入會(huì)造成混凝土抗壓、抗折等性能的下降，對(duì)于橡膠對(duì)混凝土抗壓、抗折性能的影響規(guī)律，目前的研究結(jié)果并不一致：有研究結(jié)果表明，橡膠的摻入對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響不大[3]；也有結(jié)果表明，橡膠的摻入使混凝土的強(qiáng)度大幅度下降[4]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)橡膠混凝土的研究尚處于初步階段。在研究橡膠混凝土力學(xué)性能的影響因素時(shí)，大部分考慮單一因素變化對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能的影響，忽略了不同因素之間對(duì)橡膠混凝土力學(xué)性能的交互影響和加速影響[5]?；谶@一考慮，本文通過設(shè)置正交試驗(yàn)，研究水灰比、橡膠細(xì)度和橡膠摻量對(duì)橡膠混凝土抗壓、抗折性能的單獨(dú)影響、交互影響及加速影響，并初步確定各因素影響的顯著性大小關(guān)系，為以后橡膠混凝土的研究提供一定的依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1試驗(yàn)材料

(1)水泥：采用P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，主要性能見表1。

(2)砂：采用中砂，細(xì)度模數(shù)2.8。

(3)橡膠：采用8目、16目和24目三種細(xì)度的橡膠顆粒。

(4)石子：采用人工碎石，粒徑5-10 mm占45%，10-20 mm占55%。

(5)減水劑：采用山西凱迪建材有限公司生產(chǎn)KDNOF-1高效減水劑。

(6)水：拌制混凝土采用實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

表1 水泥的主要物理性能

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

橡膠混凝土的性能主要取決于混凝土的水灰比、橡膠的細(xì)度以及橡膠的摻量等因素[6]。本試驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)原理，分析水灰比、橡膠細(xì)度和橡膠摻量對(duì)橡膠混凝土抗壓和抗折性能的影響，并對(duì)各因素采用極方差分析，確定各因素對(duì)抗壓和抗折性能影響的顯著性大小。正交試驗(yàn)表見表2。

1.3試件成型與養(yǎng)護(hù)

參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL352-2006)成型試塊，并將試塊按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期[7]。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

選用3因素3水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)表

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 各因素對(duì)7 d 抗壓強(qiáng)度的影響

水灰比是影響普通混凝土強(qiáng)度的主要因素。由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著水灰比的增大，橡膠混凝土7 d抗壓強(qiáng)度降低，水灰比由0.35增大到0.55，抗壓強(qiáng)度降低了32.6%；隨著所摻入橡膠細(xì)度的增大，7 d抗壓強(qiáng)度降低，橡膠細(xì)度由8目增大到24目，抗壓強(qiáng)度降低了7.0%；隨著橡膠摻量的增大，7 d抗壓強(qiáng)度降低，摻量由3%增大到9%，抗壓強(qiáng)度降低了16.2%。由于各影響因素具有不同的單位量綱，為方便直觀比較各因素與7 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，采用相對(duì)數(shù)值分析法，將量綱進(jìn)行同一歸化。各影響因素與7 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示(橫坐標(biāo)為各影響因素不同取值與各自最大值相除的歸化值)。

圖1 各因素與7d抗壓強(qiáng)度正交分析點(diǎn)圖

試驗(yàn)編號(hào)為1、5和9的三組試驗(yàn)作為驗(yàn)證試驗(yàn)。依據(jù)表2中其他六組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過回歸分析，得到7 d抗壓強(qiáng)度與各影響因素的三元一次線性回歸方程為：

fck,7=-55.16a-0.29b-1.20c+61.32

(1)

式中：fck,7為7 d抗壓強(qiáng)度(MPa)；a為水灰比；b為橡膠細(xì)度(目)；c為橡膠摻量(%)。

2.2.2 各因素對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的影響

由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)，水灰比由0.35增大到0.55，28d抗壓強(qiáng)度降低了27.3%；橡膠細(xì)度由8目增大到24目，28 d抗壓強(qiáng)度降低了4.6%；橡膠摻量由3%增大到9%，28 d抗壓強(qiáng)度降低了11.6%。各影響因素與28 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 各因素與28 d抗壓強(qiáng)度正交分析點(diǎn)圖

通過回歸分析，得到28 d抗壓強(qiáng)度與各影響因素的三元一次線性回歸方程為：

fck,28=-46.54a-0.11b-1.14c+62.49

(2)

式中：fck,28為28 d抗壓強(qiáng)度(MPa)。

2.2.3 各因素對(duì)28 d抗折強(qiáng)度的影響

由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)，水灰比由0.35增大到0.55，28d抗折強(qiáng)度降低了25.0%；橡膠細(xì)度由8目增大到24目，28 d抗折強(qiáng)度降低了8.5%；橡膠摻量由3%增大到9%，28 d抗折強(qiáng)度降低了14.3%。各影響因素與28 d抗折強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 各因素與28 d抗折強(qiáng)度正交分析點(diǎn)圖

通過回歸分析，得到28 d抗折強(qiáng)度與各影響因素的三元一次線性回歸方程為：

fu,28=-5.71a-0.003b-0.13c+7.99

(3)

式中：fu,28為28 d抗折強(qiáng)度(MPa)。

2.2.4 回歸方程驗(yàn)證分析

將編號(hào)1、5和9三組試驗(yàn)作為驗(yàn)證試驗(yàn)，回歸方程計(jì)算的預(yù)測(cè)值及與實(shí)際值的差值和相對(duì)誤差見表3。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值比較

2.2.5 橡膠細(xì)度和橡膠摻量對(duì)抗壓和抗折強(qiáng)度的影響分析

橡膠混凝土抗壓和抗折性能與普通混凝土有較大的差別，摻入橡膠會(huì)使混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度降低。造成抗壓和抗折強(qiáng)度下降的原因主要有：(1)橡膠顆?？煽醋鍪腔炷林蟹植嫉奈⑿】障?，摻入橡膠顆粒相當(dāng)于增加了混凝土的空隙率，密實(shí)度降低，從而造成混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度降低[8]。(2)橡膠顆粒是非均勻的、憎水的，摻人使水泥水化產(chǎn)物變得不完整[9]；另外由于橡膠顆粒表面為非極性，水泥基體為極性，兩者相容性較差，因而使橡膠顆粒-水泥基體不能很好地結(jié)合，從而造成混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度的降低[10]。

3 各影響因素的極方差分析

3.1各影響因素的極差分析

極差Rj反應(yīng)的是第j個(gè)因素的水平變動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度。Rj越大，說明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因此也越重要。

根據(jù)極差Rj的大小，可以判斷各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次。各因素對(duì)橡膠混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗折強(qiáng)度的極差分析見表4，其中，A為水灰比，B為橡膠細(xì)度，C為橡膠摻量，D為誤差列。

表4 試驗(yàn)結(jié)果極差分析表

由表4可知，對(duì)于7 d和28 d抗壓強(qiáng)度，RA>RC>RB，所以各因素對(duì)7 d和28 d抗壓強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋篈→C→B，即：水灰比→橡膠摻量→橡膠細(xì)度，水灰比對(duì)7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的影響最大，橡膠摻量影響較小，橡膠細(xì)度影響最小；對(duì)于28 d抗折強(qiáng)度，RA>RB>RC，所以各因素對(duì)28 d抗折強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋篈→B→C，即：水灰比→橡膠細(xì)度→橡膠摻量，水灰比對(duì)28 d抗折強(qiáng)度影響最大，橡膠細(xì)度影響較小，橡膠摻量影響最小。

為了進(jìn)一步分析各因素對(duì)7 d、28 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗折強(qiáng)度的顯著性大小，再進(jìn)行方差分析。

3.2各影響因素的方差分析

各因素對(duì)橡膠混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗折強(qiáng)度的方差分析見表5，其中，A為水灰比，B▽為橡膠細(xì)度，C為橡膠摻量，D為誤差列，D▽為誤差列，∑為總和。同時(shí)，各因素在10%水平以上為較為顯著，記以“*”；在5%水平以上為顯著，記以“**”；在1%水平以上為極為顯著，記以“***”。

表5 試驗(yàn)結(jié)果方差分析表

由表4、表5可知，通過對(duì)各影響因素的極差和方差分析，所得到的結(jié)論是一致的：水灰比和橡膠摻量對(duì)7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度有比較顯著的影響；水灰比和橡膠細(xì)度對(duì)28 d抗折強(qiáng)度有比較顯著的影響。影響7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的因素顯著性順序?yàn)椋核冶取鹉z摻量→橡膠細(xì)度，水灰比對(duì)7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的影響最顯著，橡膠摻量影較顯著，橡膠細(xì)度影響最小；影響28 d抗折強(qiáng)度的因素顯著性順序?yàn)椋核冶取鹉z細(xì)度→橡膠摻量，水灰比對(duì)28 d抗折強(qiáng)度影響最顯著，橡膠細(xì)度影響較顯著，橡膠摻量影響最小。

4 結(jié)論

(1)通過分析可以得出影響橡膠混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的因素顯著性順序是水灰比→橡膠摻量→橡膠細(xì)度；影響28 d抗折強(qiáng)度的因素顯著性順序是水灰比→橡膠細(xì)度→橡膠摻量。隨著水灰比的增大，抗壓和抗折強(qiáng)度普遍下降較快；隨著橡膠摻量的增大，抗壓強(qiáng)度有一定的降低，抗折強(qiáng)度略有降低；隨著橡膠細(xì)度的增大，抗壓強(qiáng)度略有降低，抗折強(qiáng)度有一定的降低。

(2)在實(shí)踐中，影響橡膠混凝土性能的可能因素較多，可以采用本文的方法研究其他因素對(duì)橡膠混凝土性能的影響，以此為工程實(shí)踐提供一定的參考。

[1] 郭燦賢,黃少文,徐玉華.用于水泥混凝土的廢輪胎膠粉的改性方法研究[J].混凝土,2006(1):60-62.

[2] 李麗娟,謝偉鋒,劉 鋒,等.高溫作用后高強(qiáng)橡膠混凝土的性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2007,6(10):692-698.

[3] 董建偉,袁 琳,朱 涵.橡膠集料混凝土的試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用[J].混凝土,2006(7):69-71.

[4] 廖正環(huán),曾玉珍.廢舊輪胎在國(guó)外道路工程中的應(yīng)用[J].國(guó)外公路,2000,22(1):39-42.

[5] 薛 凱,朱涵等.橡膠膨脹混凝土抗裂性能和力學(xué)性能研究[J].混凝土與水泥制品,2014(1):12-14.

[6] 屈 妍.橡膠集料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].混凝土,2012(2):96-98.

[7] SL352-2006,水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].

[8] 楊春峰,楊 敏.廢舊橡膠混凝土力學(xué)性能研究進(jìn)展[J].混凝土,2011(12):98-109.

[9] 王 俊,白 英,郭 帥.橡膠混凝土力學(xué)性能的分形研究[J].混凝土,2012,33(2):117-120.

[10] 梁金江,何壯彬,覃 峰,等.橡膠粉改性水泥混凝土引氣性能試驗(yàn)分析的研究[J].混凝土,2011(1):98-100.

Research on the Influence Factors of Rubber Concrete’s Mechanical Properties Based on Orthogonal Experiment

WANGLiwei,WANShan

(School of Architecture and Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

Because of some performance advantages, rubber concrete has a broad space for development and application prospect. The main factors affecting its performance are water cement ratio, rubber fineness and rubber dosage. This paper adopts orthogonal experiment, takes the compressive strength and flexural strength as performance indexes, determines the significance of the main factors affecting the compressive strength and flexural strength by regression analysis and variance analysis, and a conclusion is obtained: the influence of water-cement ratio is significant, the rubber fineness and rubber dosage have little influence. The paper’s results can provide a certain reference for the engineering practice.

rubber concrete; orthogonal experiment design; compressive strength; flexural strength

2014-05-14

王立偉(1975-)，男，四川自貢人，講師，主要從事結(jié)構(gòu)工程方面的研究，(E-mail)18869483@qq.com

1673-1549(2014)06-0063-05

10.11863/j.suse.2014.06.16

TU99

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