粉煤灰再生混凝土正交试验研究.docx
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粉煤灰再生混凝土正交试验研究
粉煤灰再生混凝土正交试验研究
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摘要
本论文通过设计L9（34）的正交实验方案研究了再生骨料掺量、粉煤灰取代水泥量、粉煤灰超量系数和水灰比对粉煤灰再生混凝土28d抗压强度的影响。
通过直观分析与方差分析正交试验结果，分析出了水灰比是影响粉煤灰再生混凝土强度的主要因素，再生骨料掺量、粉煤灰取代水泥量、粉煤灰超量系数是次要因素。
此外，通过正交分析，提出了粉煤灰再生混凝土的最佳配合比。
关键词：
正交设计实验，再生混凝土，配合比，极差分析，方差分析
目录
1引言1
2试验研究思路2
3试验设计3
3.1试验原材料3
3.2正交试验设计4
3.2.1选择因素—水平4
3.2.2利用正交表设计试验4
4试验结果分析5
4.1试验结果记录5
4.2直观分析6
4.3极差分析6
4.4方差分析8
5总结9
参考文献11
致谢12
1引言
目前，随着全球经济的快速发展，造成了自然资源的过度开采与消耗，污染物的大量排放，水污染、大气污染、固体废弃物污染，导致人类赖以生存的大气、水、土地受到严重污染。
专家预测，21世纪初将是我国混凝土结构破坏高潮期。
伴随着结构的破坏，许多建筑物不可避免的要被拆除。
而在拆除建筑物产生的废料中，有一部分是可以再生利用的，且这些拆除的建筑物往往处于建筑工地现场或附近地点，如果将拆除下来的建筑废料进行破碎、分选，加工成不同粒径的碎块，制成再生混凝土骨料，用到新建筑物的重建上，就能从根本上解决大部分建筑废料的处理问题，同时减少运输量和天然骨料使用量[1,2]。
因此，研究再生骨料在混凝土中的利用具有非常积极的意义。
在建筑垃圾中，有大约30％是废混凝土块。
为了减轻污染，要花费用把它们运到郊外。
另一方面，在重建新建筑物时，又要从数十公里甚至几百公里以外运来骨料，运输费用高，大大增加了混凝土的成本。
如果将这些废混凝土回收利用，加工成混凝土骨料，应用于新建筑物的重建上，则能降低混凝土成本，节约资源、能源，保护环境。
高等级公路混凝土路面的修复，要抛弃大量的废混凝土，这些废混凝土不含钢筋，杂质少，很适合就地加工成混凝土骨料，可全部或部分代替天然砂石料，拌制混凝土重新用到路面建设。
废弃混凝土作为新拌混凝土的骨料加以回收利用，国内外在这方面都作了一定的研究，然而与国外研究相比，国内大都集中于一些低强度的再生混凝土配制以及再生骨料性能强化的研究[3,4]。
与天然骨料相比，再生骨料的性能有较大差异。
再生骨料一般是通过对废弃混凝土破碎、筛分、清洗而获得，因此，其不仅含有设计强度等级高低不同的混凝土成分，而且含有许多低密度的建筑材料，如粘土砖、硬化石膏的碎块，甚至含有用于混凝土表面的找平砂浆、用于找平砂浆表面的油漆或各种装饰涂料和其它有机物。
混凝土结构的表面在自然界中已经发生了炭化，或者经过其它腐蚀环境侵蚀后，已经变得松软，特别是十几年前的混凝土结构设计强度较低，因此，很难获得高强再生骨料。
为获得较高强度的再生骨料，需要对破碎的混凝土再生骨料进行机械方式的活化处理，并进行筛分，获得粒径适宜的连续级的配粗集料和细集料。
粉煤灰混凝土技术[5]，是用粉煤灰代替部分水泥生产混凝土的技术。
这种混凝土具有减轻火电厂粉煤灰对环境污染、减少水泥用量、降低混凝土水化热温升的特点，我国早在1959年三门峡大坝混凝土施工中就开始应用，现在已经成为一项较成熟的技术。
本文是将再生混凝土和粉煤灰混凝土这两项技术结合起来，即在再生混凝土的研究中使用粉煤灰，同时解决废渣（废弃混凝土）和废灰（粉煤灰）这两种污染源的处置问题，试图取得更好的经济效益和环境效益。
2试验研究思路
再生混凝土是对废旧混凝土进行加工，使其恢复或部分恢复原有性能，成为新的建材产品，用到新建筑物的重建上。
我国目前对再生混凝土的开发研究，应立足于配制中、低强度等级的混凝土，重点放在节省资源能源、减少废渣废灰污染、降低混凝土成本和改善混凝土施工性方面。
对此，应采用普通原材料、常用水灰比（或水胶比）进行配制。
粉煤灰再生混凝土配比参数多，影响因素广，光凭经验已不能科学地安排试验并选取最佳配比，因此本文借助正交试验设计这一现代应用数学方法，该方法具有“均衡分散性”和“综合可比性”的特点,是研究和处理多因素试验的一种科学方法,按该方法进行混凝土配合比试验,其结果能客观地反映制配规律,较方便地进行配合比优化；利用正交试验设计表安排试验,还能避免盲目性的试验,大幅减少试验次数、缩短研制时间[6]。
本文就是采用正交试验设计法来安排和设计粉煤灰再生混凝土的配比试验方案[7]，分析试验成果，选择最佳配比。
3试验设计
3.1试验原材料
本实验采用的水泥（C）为32.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰（F）为Ⅱ级粉煤灰，细骨料（S）为细度模数2.20的河砂，水（W）为城市自来水，减水剂（NB）为高效减水剂，粗骨料（G）为碎石，废混凝土骨料（WasteConcreteAggregate,简称WCA）,又叫再生骨料（RecycledAggregate），是用旧建筑物上拆下来的混凝土经人工破碎筛分而成。
三种骨料的技术指标[8]见表1。
表1再生混凝土骨料的技术指标
骨料
品种
粒径
（mm）
密度
（g/cm3）
堆积密度
（kg/m3）
吸水率
（%）
压碎值
（%）
S
G
WCA
<5
5-40
5-40
2.61
2.63
2.46
1430
1520
1340
0.80
0.35
2.45
9.6
16.4
3.2正交试验设计
3.2.1选择因素—水平
本文采用粉煤灰超量取代水泥法，研究粉煤灰再生混凝土的配合比。
我们可以从影响粉煤灰再生混凝土强度[9]的众多因素中选取以下四个主要因素：
A-再生骨料掺量，（WCA/（G+WCA）%）
B-粉煤灰取代水泥量（%）
C-粉煤灰超量系数
D-水灰比。
每个影响因素取三个水平，结果列入表2。
表2因素与水平表
再生骨料掺量（A）
粉煤灰取代水泥量（B）
粉煤灰超量系数（C）
水灰比（D）
水平1
水平2
水平3
30
50
70
20
30
40
1.2
1.5
2.0
0.4
0.5
0.6
3.2.2利用正交表设计试验
从表2制定的再生骨料掺量、粉煤灰取代水泥量、粉煤灰超量系数、水灰比的四个因素三个水平情况，可以选用L9（34）正交设计表进行试验，正交设计试验见表3。
表3L9（34）正交试验设计表
试验号
水平组合
因
素
水
平
A
B
C
D
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A1B1C1D1
A1B2C2D2
A1B3C3D3
A2B1C2D3
A2B2C3D1
A2B3C1D2
A3B1C3D2
A3B2C1D3
A3B3C2D1
30
30
30
50
50
50
70
70
70
20
30
40
20
30
40
20
30
40
1.2
1.5
2.0
1.5
2.0
1.2
2.0
1.2
1.5
0.4
0.5
0.6
0.6
0.4
0.5
0.5
0.6
0.4
4试验结果分析
4.1试验结果记录
通过所给定的九种不同的实验条件，测出各组的坍落度和28d强度。
记录实验所得结果，记录结果见表4。
表4不同水平组合混凝土性能试验结果
试验号
水平组合
水泥用量（kg/m3）
粉煤灰（kg/m3）
减水剂（C%）
坍落度（mm）
28d强度（MPa）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A1B1C1D1
A1B2C2D2
A1B3C3D3
A2B1C2D3
A2B2C3D1
A2B3C1D2
A3B1C3D2
A3B2C1D3
A3B3C2D1
390
273
195
260
342
234
312
227
293
118
176
260
98
292
187
156
118
293
0.50
0.25
0.25
0.00
0.50
0.35
0.25
0.25
0.50
175
190
230
102
215
185
120
105
215
31.1
26.0
18.7
23.4
33.9
22.4
23.2
19.0
33.0
4.2直观分析
从表4中所得的九种试验结果进行比较分析，可以看出第5号试验28d抗压强度为33.9MPa，是九种结果中最高的，坍落度为215mm也较大。
相应的水平组合为A2B2C3D1,即再生骨料掺量为50%、粉煤灰取代水泥量为30%、粉煤灰超量系数为2.0、水灰比为0.4的水平组合，它是所有试验中最好的配合比，但它不一定就是最佳配合比。
4.3极差分析
极差是用来划分因素重要程度（关键，重要，一般，次要）的依据，某因素的极差最大，说明该因素的水平改变所引起试验结果的变化最大，即是关键因素。
对不同配比粉煤灰再生混凝土的28d抗压强度结果进行极差分析,考核再生骨料掺量、粉煤灰取代水泥量、粉煤灰超量系数、水灰比四个因素对粉煤灰再生混凝土强度指标的影响程度及最佳组合。
分析结果见表5。
表5极差分析
试验号
A
B
C
D
28d强度（MPa）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
K1
K2
K3
T1
T2
T3
R
1（30%）
1（30%）
1（30%）
2（50%）
2（50%）
2（50%）
3（70%）
3（70%）
3（70%）
75.8
79.7
75.2
25.3
26.6
25.1
1.5
1（20%）
2（30%）
3（40%）
1（20%）
2（30%）
3（40%）
1（20%）
2（30%）
3（40%）
77.7
78.9
74.1
25.9
26.3
24.7
1.6
1（1.2）
2（1.5）
3（2.0）
2（1.5）
3（2.0）
1（1.2）
3（2.0）
1（1.2）
2（1.5）
72.5
82.4
75.8
24.2
27.5
25.3
3.3
1（0.4）
2（0.5）
3（0.6）
3（0.6）
1（0.4）
2（0.5）
2（0.5）
3（0.6）
1（0.4）
98.0
71.6
61.1
32.7
23.9
20.4
12.3
31.1
26.0
18.7
23.4
33.9
22.4
23.4
19.0
33.0
注：
K1为各水平相应的3次试验强度之和，T1为K1的平均值，R为极差。
通过表5的极差计算,可以看出在各个影响因素中,影响粉煤灰再生混凝土28d抗压强度的主次顺序是：
水灰比（D）>粉煤灰超量系数（C）>粉煤灰取代水泥量（B）>再生骨料掺量（A）。
将每个因素的3个强度平均值T1、T2、T3点在图1中画出，可以得到粉煤灰再生混凝土强度与各因素水平关系。
图1粉煤灰再生混凝土强度与各因素水平关系
从图中可以得出如下结论：
（1）水灰比越小，强度越高，以0.4为最好。
（2）粉煤灰超量系数1.5时，强度最高。
（3）粉煤灰取代水泥量30%时，强度最高。
（4）再生骨料掺量50%时，强度最高。
综合起来，当水灰比0.4、粉煤灰超量系数1.5、粉煤灰取代水泥30%、再生骨料掺量50%时，粉煤灰再生混凝土28d抗压强度最高，即A2B2C2D1为最佳配合比水平组合,与直观分析有一定的差异。
4.4方差分析
数据的算术平均值代表了数据的平均水平，反映了数据的集中性，而数据的方差反映了数据的波动性，即数据的分散性。
方差大小表明数据变化的显著程度，而数据变化的显著程度，又反映了因素对指标影响的大小。
由于极差法并不能将由试验条件的改变引起的数据波动和由试验误差引起的数据波动区分开来,因此本文引入方差分析来处理试验结果,并对处理结果进行讨论。
通过计算，所得结果见表6。
表6方差分析表
方差来源
方差S
自由度f
均方S/f
F值
再生骨料掺量A
粉煤灰取代水泥量B
粉煤灰超量系数C
水灰比D
误差
总和
SSA=3.76
SSB=4.28
SSC=16.8
SSD=240.3
SSe=3.76
SSt=268.9
fA=2
fB=2
fC=2
fD=2
fe=2
ft=10
1.88
2.14
8.40
120.2
1.88
FA=1.00
FB=1.14
FC=4.47
FD=63.87
由表6的方差分析结果可知,在给定α=0.05的情况，FD=63.87。
查F分布的表可以得出F0.05（2,2）=19.00，FD=63.87>19.00，即有95%的可信度，说明水灰比D是影响粉煤灰再生混凝土28d强度的主要因素，是显著因素。
而FA=1.00，FB=1.14，FC=4.47的值均小于19.00，说明再生骨料掺量、粉煤灰取代水泥量、粉煤灰超量系数这三个因素是次要因素。
因素C相比于因素A和B而言，它的影响又比较显著。
因此，由F检验因素的主次顺序为：
水灰比D>粉煤灰超量系数C>粉煤灰取代水泥量B>再生骨料掺量A
在选取最佳方案时，水灰比D是显著因素，则先选择D，选择D1方案。
再选取因素C，可得出C2方案，最后比较因素A、B，可分析出它们的最佳方案为A2、B2。
综上可得出最佳配合比水平组合为A2B2C2D1，与直观分析得出的最佳配比水平组合A2B2C3D1也有一定的差异。
5总结
在正交表中,任两列的各水平搭配次数都一样,保证了试验点在因子空间中的均衡分散性,具有很强的代表性。
另外,每列因素在各水平上出现的次数都一样,可最大限度地排除各种干扰,保证有效地进行因子比较。
正交试验用于粉煤灰再生混凝土材料抗压强度试验,一方面可以大大减少试验次数,节省人力物力;另一方面能很好地利用正交试验表分析出影响材料指标的主要因素和次要因素,以及每种因素的合适水平。
在粉煤灰再生混凝土材料试验研究设计中,正确运用数理统计原理,将会对材料的性能研究及工程实践起到重要的指导作用。
在本文中，影响粉煤灰再生混凝土因素的正交试验表明，水灰比是影响粉煤灰再生混凝土强度的主要因素，因此配合比设计时要谨慎选取和严格控制水灰比。
再生骨料掺量、粉煤灰取代水泥量、粉煤灰超量系数是次要因素，工程中可考虑加大再生骨料掺量，甚至全部使用再生骨料，以取得更大的环境效益和经济效益。
粉煤灰再生混凝土28d抗压强度最佳配合比组合为A2B2C2D1，即再生骨料掺量50%、粉煤灰取代水泥30%、粉煤灰超量系数1.5、水灰比0.4。
在未来发展中，废弃混凝土将大量产生，运用科学的实验设计方法将再生混凝土和粉煤灰混凝土这两项技术结合起来，可以生产出高质量的二次建筑材料。
同时，在再生混凝土的研究中使用粉煤灰，不仅可以解决废渣（废弃混凝土）和废灰（粉煤灰）这两种污染源的合理利用问题，而且能取得更好的经济效益和环境效益。
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26-27
致谢
本论文是在指导老师范金禾的悉心指导下完成的。
从论文选题、文献检索和最后论文的撰写成文，范老师都给予了我许多帮助和有益的指点。
在本论文的完成过程中，范老师开阔的眼界和严谨的教学态度让我受益匪浅。
在此，我向范老师表示崇高的敬意和真挚的谢意!
感谢我的家人对我学业的支持、鼓励和帮助，这些年来，正因为有家人的理解和付出，我才能顺利学习。
最后，衷心感谢所有关心，帮助和支持过我的老师、同学和朋友！
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