(1)水泥:选用江苏省扬州市绿杨水泥厂生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,密度为2.95 g/cm³.

(2)粗骨料:采用再生碎石骨料,所用的骨料由废弃混凝土破碎、筛分、水洗及烘干而成,粒径为5～16 mm单级配,其中粒径为5～10 mm与粒径为10～16 mm的再生粗骨料的质量比为3:17.经实验测试得出:骨料的表观密度ρ为2 722 kg/m³,紧密堆积密度ρ_G为1 462 kg/m³,紧密堆积空隙率V_c为46%.

(3)硅灰:平均粒径:0.1～0.3 μm,容重1 670 kg/m³,其中SiO₂质量百分含量为97.35%.

(4)拌和用水:扬州市自来水公司自来水.

(5)增稠剂:采用羟丙基甲基纤维素醚,粒径270～380 μm,密度:1.39 g/cm³.

(6)减水剂:采用聚羧酸高效减水剂,减水率为20%,添加量为胶材的1%,对钢筋无锈蚀.

选取目标孔隙率、水胶比、硅灰掺量及增稠剂掺量作为影响因素,其中硅灰、增稠剂以胶材质量的百分比外掺,每个因素选择四个水平,因素水平见表1.试验采用正交表L₁₆(4⁴),安排16组试验组合.

表1 正交试验因素及水平
Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

因植生型再生混凝土本质上是多孔混凝土,其配合比计算可采用绝对体积法方法^[5],即:胶结材浆体体积+粗骨料体积+目标孔隙体积=1 m³,考虑本试验中涉及到硅灰外掺料,按照掺量换算对应的体积计入胶结材料体体积,具体步骤可按公式(1)～(7)^[7]计算得到.

(1)单位体积粗骨料用量的计算,为

W_G=α·ρ_G(1)

式中:W_G为单位立方米粗骨料用量(kg/m³); ρ_G为修正系数,本文取0.98.

(2)单位立方米胶结材浆体体积的计算,为

V_p=[1-α·(1-V_c)-R_void]·1 000(2)

式中:V_P为胶结材浆体体积(L/m³); V_C为骨料紧密堆积空隙率(%); R_void为设计目标孔隙率(%).

(3)单位立方米胶材用量的计算(考虑外掺料),为

式中:W为单位立方米胶材用量(kg/m³); W_c为单位立方米水泥用量(kg/m³); W_s为单位立方米外掺料用量(kg/m³); R_W/C为水灰(胶)比; ρ_c为水泥密度(kg/m³); ρ_s为外掺料密度(kg/m³); β₁为外掺料质量百分比参量(%).

(4)单位立方米水用量的计算,为

W_w=W·R_w/c(6)

式中:W_w为单位立方米水用量(kg/m³).

(5)单位立方米添加剂用量的计算,为

W_t=β₂·W(7)

式中:W_t为单位立方米添加剂用量(kg/m³); β₂为添加剂质量百分比参量(%).

按上述步骤,分别设计计算16组的试验配合比用量,结果见表2.

测定试件有效孔隙率、立方体抗压强度、pH值三个性能考察指标.有效孔隙率测定,试件采用边长为100 mm×100 mm×100 mm立方体试件,2个试件为一组,按下式计算得出其有效孔隙率.

A=[1-(M₂-M₁)/(ρ_wV)]×100%(8)

式中:A为试件有效孔隙率,%; M₁为浸泡在水中并吸水饱和后水中的重量,kg; M₂为试件烘干后放置于(20±2)℃、相对湿度(60±5)%条件下24 h后称量其空气中重量,kg; V为采用游标卡尺测量并计算所得的试件外观体积,cm³; ρ_w为水的密度,kg/cm³.

抗压强度按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019,测定28 d立方体抗压强度.

测定pH值:将边长100 mm立方体在标准养护条件下养护至28 d,将其破碎,充分研磨,过0.08 mm筛,称取10 g准备好的粉体试样,到入100 ml的蒸馏水,每隔约5 min振动均匀一次,2 h之后用滤纸过滤,使用酸碱仪测定滤液的pH值.按上述试验方法,测得各组试件的考察指标值,见表2.

为综合分析各因素水平下的指标值,将表2中各因素水平下的指标平均值整理,见表3.将表2中各组指标观测值进行极差分析和方差分析,见表4、表5.根据表3绘制出各考察指标的趋势图,见图1～图3.从表3～表5和图1～图3可知:

表2 正交设计、配合比安排及考察指标数值表
Tab.2 Numerical table of orthogonal design, mix proportion arrangement and evaluation index

表3 各因子水平组下的考察指标平均值
Tab.3 The mean value of the indexes under each factor level group

表4 各考察指标的极差值及因子主次顺序
Tab.4 The range and factor order of each index

表5 各考察指标方差分析
Tab.5 Theanalysis of variance of each index

图1 实测孔隙率趋势图
Fig.1 The measured porosity of trend map

图2 抗压强度趋势图
Fig.2 The compressive strength of trend map

图3 pH值趋势图
Fig.3 The pH of trend map

(1)实测孔隙率与目标孔隙率存在着特别显著关系.当目标孔隙率25%时,达到最小实测孔隙比22.68%,目标孔隙率40%时,达到最大实测孔隙比36.98%,随着目标孔隙率的增大,实测孔隙率随着显著增大,显著成正相关关系.水胶比对实测孔隙率影响不显著,数值保持在30%左右,变化幅度较小,基本成水平直线分布,随着水胶比的增大,实测孔隙率略有增大.硅灰掺量对实测孔隙率影响微乎其微,数值保持在30%左右,变化幅度较小,基本成水平直线分布.增稠剂添量对实测孔隙率影响不显著,随着增稠剂添量的增大,实测孔隙率略有下降;

(2)28 d抗压强度与目标孔隙率存在特别显著关系.当目标孔隙率25%时,达到最大抗压强度13.80 MPa,目标孔隙率40%时,达到最小抗压强度6.10 MPa,随着目标孔隙率的增大,28 d抗压强度随着显著减小,成负相关关系.水胶比对抗压强度影响不显著,强度保持10 MPa左右,变化幅度小,基本成水平直线分布; 硅灰掺量对抗压强度微乎其微,变化幅度小,数值保持10 MPa左右,基本成水平直线分布.增稠剂添量对抗压强度影响不显著,随着增稠剂添量的增加,抗压强度存在下降的趋势;

(3)pH值与目标孔隙率存在特别显著关系,目标孔隙率25%时,pH值达到最大值10.60,目标孔隙率40%时,pH值达到最大值9.61,随着目标孔隙率的增大,pH值随着显著减小,成负相关关系.水胶比对pH值影响不显著,数值保持在10左右,变化幅度小,基本成水平直线分布; 随着水胶比的增大,pH值有所减小.硅灰掺量对pH值存在显著关系,变化幅度大,当硅灰掺量为0%时,存在最大值10.59; 当硅灰掺量7%,存在最小值9.93,显著成负相关关系,原因是硅粉中含有大量SiO₂,能和混凝土Ca(OH)₂继续发生反应生成新的水化硅酸钙,减少Ca(OH)₂含量,从而降低混凝土碱性.增稠剂添量对pH值影响微乎其微,变化幅度小.