废玻璃粉混凝土配合比正交试验研究.pdf

2 0 1 4年 第 6 期 (总 第 2 9 6 期 J Nu mb e r 6 i n 2 01 4 ( To t a l No 2 9 6) 混 凝 土 Co nc r e t e 预拌混凝土 RE ADY M I XED CONCRETE d o i ： 1 0 3 9 6 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 6 0 3 0 废玻璃粉混凝土配合比正交试验研究 李松 。甘元初 ，柯国军 ，曾超 ( 南华大学 城市建设学院，湖南 衡阳 4 2 1 0 0 1 ) 摘要： 采用正交试验原理对废玻璃粉混凝土最佳配合 比进行正交试验研究 ， 试验采用废玻璃粉掺量 、 水胶 比、 砂率 、 粒径 4变 量因素 3 水平进行正交试验研究对抗压强度的影响， 根据试验数据结果分别采用绝对数值法与相对数值法的多项式拟合线性回 归 ， 分别研究 了各单因素对抗压强度的影响， 并定量分析了各个 因素影响的显著性 。 研究表明水胶比、 玻璃粉掺量是影响抗压强 度的主要因素 ， 粒径与砂率是次要因素并且正交法适用于不同变量因素玻璃粉混凝土配合比的设计。 关键词： 玻璃混凝土；正交试验；配合 比；抗压强度 中图分类号： T U 5 2 8 0 6 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 1 0 5 0 3 W a s t e g l a s s p o w d e r c o n c r e t e m i x o r t h o g on a l e x p e r i me n t L S o n g ， G A N Y u a n c h u ， KE G u o j u n ， Z E N G C h a o ( S c h o o l o f Ur b a nC o n s t r u c t i o n， Un i v e r s i t yo f S o u t hCh i n a ， He n g y a n g4 2 1 0 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ba s e d o n t h e pr i n c ipl e o f o r t ho go n a l t e s t r e s e a r c h wa s t e g l a s s p o wde r c o nc r e t e o pt i mu m mi x o r t ho g o n a l p i l o t s t ud y i n g Th e t e s t i n g u s e w a s t e g l a s s p o w d e r c o n t e n t ， w a t e r c e me n t r a t i o ， s a n d r a t i o ， s i z e f o u r v a r i a b l e f a c t o r s a n d t h r e e l e v e l s o r t h o g o n a 1 t e s t s tu d yin g O i l c o mp r e s s i ve s t r e ng t hAc c o r d i n g t o t h e r e s u l t s o f the t e s t d a t a we r e u s e d i n a b s o l u t e a nd r e l a t i ve v a l u e me tho d o f po l y n o mi a l fit t i ng l i ne a r r e g r e s s i on me t h od a nd e xa mi n e d t he i mp a c t o fs i ng l e f a c t o r o n t h e c o mp r e s s i ve s e n g t h a n d q ua n t i t a t i v e an a l ys i s of t he v a r i o us f a c t o r s tha t a ffe c t i n g s i g ni fic a n t S t ud y i n g h a v e s h o wn t h a t wa t e r - c e me n t r a t i o a n d g l a s s p o wde r d o s a g e i s the ma i n f a c t o r t h a t a ffe c t i n g c omp r e s s i v e s t r e n g t h a n d t h e pa r t i c l e s i z e a n d s a nd r a t i o i s a s e c o nd a r y f a c t o r Pa r t i c u l a r l y o r t h o g o na l f a c t o r s a p p l y t o d i ffe r e n t v a r i a bl e s g l a s s c o n c r e t e mi x d e s i g n K e y wor d s ： g l a s s c o n c r e t e ； o r t h o g o n a l ； mi x； c o mp r e s s i v e s t r e n gth 混凝土是现代城市中使用最广泛的一种建筑材料之一， 据估计我国每年在混凝土结构上的使用费用为 2 0 0 0 亿元 以上_ I- 2 。 废玻璃是城市垃圾 中的重要组成部分 ， 随着城镇 化的发展我国废弃物中的废玻璃 日益增多， 约占固体垃圾 的 6 1 1 3 1 ， 据 国际环境部 门统计 ， 全球垃圾 中有 7 为 废玻璃 ， 废玻璃 的再利用可以减 少土地资源浪费从 而保 护环境 ， 而且还可以节约资源与能源实现环境与经济效益 的双赢。 废玻璃应用于混凝土制品最早在西方发达 国家开始 研究 ， 废玻璃应用一般 分为 3 种途径 ： 用作生产水泥 的 原料 ； 用作混凝土( 或砂浆 ) 的粗骨料或细 骨料 ； 用作 掺合料 。 目前对废玻璃的应用主要是将废玻璃粉作骨料掺 入混凝土中研究其力学性能与工作性能 ， T o p c u m 研究 认为 玻璃粉代替天然砂的玻璃混凝土满足混凝 土的使用要求 。 废玻璃代替 1 0 0 天然细骨料与天然骨料混凝土具有 一样 的抗压强度 。 Me a 1 1 、 杨凤玲 8 1 等认为细玻璃骨料制成 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 2 2 9 基金项目：国家自然科学基金项目( 5 1 3 7 8 2 4 7 ) 的混凝土 ， 其 早期 的混凝 土性能不佳 ， 但是后 期混凝 土的 力学性能得到 了较大的提高 。 废玻璃作为水泥的掺料也是 废玻璃的应用途径之一并且有着可观的经济效益 ， 废玻璃 粉混凝土配合 比正交试验以抗压强度为指标 ， 系统研究 了 玻璃粉掺量、 水灰比、 砂率 、 粒径 4 变量因素对此性能的影 响 ， 定性定量研究 了各独立 因素和多因素对抗压强度 的影 响， 结果表 明废玻璃粉混凝土存在最佳配合 比。 1 试验 原材料与方 法 1 1 试 验 原 理 本试验采用液压材料试验机 ， 为能测 出更好结果据相 似原理 ， 采 用几何 相似和数学相 似进行试验 ， 各个性 能指 标 的测试在条件上完全一致 。 混凝土采用 C 3 0等级为研 究对象 ， 抗压试件 尺寸为 1 5 0 m mx l 5 0 minx 1 5 0 m m 的立方 体， 标准养护 2 8 d ； 采用 3 水平正交试验， 研究玻璃粉掺 量 、 水胶比 、 砂率 、 粒径 4因素对抗压强度的影 响。 1 2 原材料 水泥采用 P O 4 2 5 级水泥； 骨料用砂采用湘江河砂， 表观 1 05 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 密度 2 6 0 0 k g m3 石子采用湘江卵石 ， 表观密度2 6 1 0 k g m ， 最大粒径为 2 0 m m， 玻璃粉作水泥掺料掺加 ， 使用 自来水 ， 各个 因素变量变化见表 1 。 表 1 因素水平变化表 1 3试 验 方 法 1 _ 3 1 试验用配合料取定 为了提高试验准确性， 对使用的砂子与石子含水率进 行测试 ， 测得砂子含水率为 5 3 ， 石子含水率为 2 3 ， 采用 多次投料水泥包裹法搅拌成型， 试验用配合料用量见表 2 。 表 2 试验用配合比 1 3 2 抗压强度的测定与取值 混凝土试块抗压强度 的测定采用 中国建材装 备总公 司无锡建筑材料仪器机械厂生产的 NY L 2 o 0 0 D型压力 试验机 。 抗压强度取值方法按 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土 力学性能试验方法标准 中的以下原则取定【 o l ： ( 1 ) 三个试 件测值 的算 术平均 值作 为该 组试件 的强 度值 。 ( 2 ) 三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间 值的差超过 中间值的 1 5 时 则把最大及最小值一并舍除 ， 取 中间值作为该组 的抗压强度值。 ( 3 ) 如最大值和最小值与中间值的差均超过中间值 的 1 5 ， 则该组试件的抗压强度结果无效。 各组取值结果见表 3 。 表 3 抗压强度结果取值 MP a 1 06 从表 3中可以看出组号中的标准值都是有效的， 组号 4 中 4 6 x 1 5 = 6 9 ( 4 6 3 8 4 1 = 7 5 9 ) ， 故标准值取 4 6 ， 其余各 组均是平均值。 2 正交试验数据处理 2 1 正 交试验 直观分析 取抗压强度标 准值进行正交试验分析计算 ， 其计算的 结果见表 4 。 因为各个独立 因素 ( 玻璃粉掺量 ) 、 W C 、 S 、 r 对抗压强度的影 响为 9 节点 ， 基于简化计算与避免数据的 离散误差的 目的 ， 故采用 2 阶多项式拟合 回归分析 以研究 各独立因素对强度的影响； 依据线性回归的理论研究 4因 素对强度的影 响， 由线性 回归分析各 自变量系数 的大小和 正负来判断各因素的显著性网 。 表 4 正交试验直观分析计算表 2 2 强度的回归分析 2 。 2 1 独立因素对强度 的回归分析 设玻璃粉掺量 、 水胶 比、 砂率与粒径对抗压 强度 的影 响函数分别分 or ( A L ) 、 ( W C ) 、 or ( s ) 、 o - ( r ) ， 则 or ( A L ) 多项 式的拟合函数为【 l l 1 ： 2 or ( a L) = o ( A L) ( 1 ) 0 式 中： a o 、 拟合系数 。 从表 4中得 ： ( A L) = 一 2 2 5 0 ( ) 2 + 6 5 0 ( AL ) + 3 1 3 5 ( 2) 同理可得 ： or ( w c ) = 一 8 2 5 ( W C ) 2 + I O 0 ( W C ) + 5 0 _ 3 ( 3 ) or( s P ) = 一 3 2 o ( s P ) 42 4 0 ( S p ) + 2 9 4 ( 4 ) o r ( r ) = 1 5 6 4 d - 5 6 4 r 十 3 7 0 ( 5 ) 2 2 2 各独立 因素强度的显著性 回归分析 由于各独立量纲的不 同， 而又要各独立因素进行同 向 对比， 故可采用相对数值法进行分析。 由表 4分别计算 4因 素相对变化量所引起 的强度 的绝对变化值见表 5 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 5 各因素相对变化量引起强度的绝对变化值 设 A L 、 W C 、 S 、 r 对强度的 回归方程为 ： ( A L ， q， 5 P ， r 1 ) = 6 n + 6 + 6 z c 】 + 6 3 s P + 6 r ( 6 ) 式中 ： b o , b 、 b 2 , b 、 b 回归系数 ： A L 、 W c 、 s d、 r 玻璃粉掺量 、 水胶比、 砂率 、 粒 径的相对改变量 。 令 ： q t = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 l O 0 0 0 5 0 0 0 l 2 5 2 0 3 3 - 3 2 5 2 0 3 3 _ 3 2 5 2 0 1 9 0 9 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 7 5 21 -2 1 1 7 5 9 0 9 【 6 6 6 7 4 0 0 - 5 7 1 4 6 6 7 0 4 0 - 5 7 1 7 = 6 o b b z b 3 6 4 r a = - 7 8 8 - - 4 4 7 1 6 0 8 - 1 3 3 7 - - 4 7 1 8 8 3 - 5 6 2 - 7 4 5 1 求解由表 5形成的超定方程组 = 的最小二乘广 义解后有【 l2 _ ： 1 7 ( A L ， W C 】 ， S P ， r ) = 一 0 9 W 63 0 2 5 A L + 0 0 4 5 r + 0 0 5 + 1 1 1 7 ( 7 ) 从表 4 的正交试验直观分析结果 与式 ( 1 ) ( 7 ) 的强度 回归分析结果对比可知： ( 1 ) 当玻璃粉掺量在 1 0 2 0 时抗 压强度 有定的 减小但减小得不很 明显 ， 当掺量超过 2 0 时减小的幅度增 大； 抗压强度主要是 由于水泥浆体与骨料面的咬合摩擦力 与黏结强度所影响 ， 其水泥浆体 的抗压强度与界面厚度也 会影响界面黏结强度 ； 水泥浆体的抗压强度 由水胶 比决定 ， 故 当水胶 比一定时 ， 玻璃粉掺量 的增大必然导致水泥浆体 黏结点的减少而引起 咬合摩擦力与黏结强度的不 够 ； 当掺 量在 1 0 2 0 时由于掺量变化不够明显所 以抗压强度减 小得很少 ， 当掺量超过 2 0 n ， 原来 的水泥浆体接触的面 黏结进而快速发展成为点黏结 ， 使得抗压强度迅速减小 。 ( 2 ) 随着水胶 比的增加抗压强度减小 的幅度 比较 大 ， 当水胶 比为 0 4时抗压强度的值最大， 由此可知水胶 比对玻 璃混凝土 的抗压强度起决定 因素 ， 这也符合所有类型混凝 土中水胶 比所起的作用 。 ( 3 ) 随着砂率的增大 ， 抗压强度先增大后减小 ， 最佳砂 率是 3 6 ； 抗压强度取决于水泥浆体与骨料面的作用 ， 当水 泥用量一定时， 水泥浆体与骨料的咬合界面接触强度必然 存在一个最大值， 相对应也就存在一个最佳砂率取值， 这也 吻 合了式( 4 ) 二 次曲线 的变化规律 ， 所 以抗压强度先增 大 后减小 ， 最佳砂率为 3 6 。 ( 4 ) 随着研磨时间的增大 ， 玻璃粉 的粒径越来越小 ， 抗 压强度有较大的增加 ； 玻璃混凝土 的抗 压强度 由水泥浆体 与骨料之间的咬合力与黏结作用所定 ， 混凝土 的孔 隙直径 大小与水泥浆体的密实度有关 ， 当玻璃粉粒径大小变化时 ， 其玻璃混凝土孔 隙直径随之变化 。 随着玻璃粉粒径的越来 越小 ， 水泥浆体与骨料 的咬合接触点面会增大 ， 使 咬合 的 摩擦力与黏结强度增加 ， 抗压强度增大 。 ( 5 ) 各独立 因素对抗压强度 的影 响顺序 为 ： 水胶 比一 玻璃粉掺量一粒径一砂率 。 3结论 ( 1 ) 水胶 比和玻璃粉掺量是影响废玻璃粉混凝土抗压 强度 的主要 因素 ， 粒径与砂率次之。 ( 2 ) 各独立 因素对抗压强度 的影 响顺 序为 ： 水胶 比一 玻璃粉掺量一粒径一砂率 ； 本次试验最佳配合 比是 1 0 2 0 的玻璃粉掺量 ， 0 4的水胶 比， 3 6 的砂率 ， 研磨 3 5 ra i n 的粒径 。 ( 3 ) 废玻璃粉混凝土 的配合 比设计应该根据需要 的性 能要求进行考虑 ， 关键 因素依据抗压强度确定 。 ( 4 ) 实际 中影响玻璃混凝土性能 的因素 较多 ， 本试验 的方法适合研究多因素的影 响性能来确定最佳配合比。 参考文献 ： 1 邢峰 滨海大气环境下氯离子对混凝土材料的作用研 究【 D 】 深 圳 ： 深圳大学 2 刘光焰， 王晓峰 废弃玻璃骨料氯离子渗透Jl生试验研究 J 1 混凝 土， 2 0 1 2 ， 1 2 ( 1 2 ) 【 3 J3 刘连新 利用废玻璃研 制轻粗骨料及轻混凝士 【 J l _ 新型建筑材 料， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 1 6 1 7 4 】TO P C I B， C AN B AZ MP r o p e r t i e s o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g w a s t e g l a s s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 2 ) ： 2 6 7 2 7 4 5 柯国军， 柏纪平， 谭大维 瘦玻璃用于水泥混凝土的研究进展 南华大学学报： 自然科学版， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 3 ) ： 9 6 1 0 2 6 王凤池 ， 王志攀 ， 张庆博 ， 等 玻璃混凝土的抗侵蚀性能f J 1 济南 大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 3 ， 4 ( 4 ) 7 7 ME T WAL L Y I M I n v e s t i g a t i o n s o n t h e p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e ma d e wi t h b l e n de d f i n e l y mi l l e d wa s t e g l a s s Ad v a n c e s i n S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 1 ) ： 4 7 5 3 【 8 杨凤玲 ， 嵇银行， 李玉寿， 等 废玻璃细骨料混凝土的试验研究l J l _ 混凝土， 2 0 1 1 ( 9 ) ： 8 1 8 6 9 钱 波， 程鹏 ， 李淮旭 ， 等 基于相似正交试验的透水性混凝土配 合比研究 J 1 混凝土 ， 2 0 0 9 ， 5 ( 5 ) 【 1 0 中 尔杰 数值分析 M - E 京： 高等教育出版社 ， 2 0 0 1 ： 8 7 9 9 1 1 】 王沫然 MA T L A B与科学计算 M 京 ： 电子工业出版社 ， 2 0 0 5 ： 1 5 - 46 作者简介： 联系地址： 联系电话 ： 李松( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。通讯作者： 甘元初。 湖南省衡阳市蒸湘区常胜西路 2 8 号 南华大学城市 建设学院( 4 2 1 0 0 1 ) 1 58 7 4 79 0 2 9 5 1 0 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m