基于正交試驗(yàn)的雙塊式軌枕道床板配合比設(shè)計(jì)

章東方

(中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司,上海市 200070)

當(dāng)今混凝土不再簡(jiǎn)單是過去由水泥和水組成的水泥漿體包裹著起骨架作用的砂石,而是隨社會(huì)發(fā)展和環(huán)境要求,添加一定摻量的外摻料和外加劑,從而在混凝土拌合物性能、力學(xué)性能、耐久性能等方面都有著優(yōu)異的表現(xiàn)。在混凝土配合比設(shè)計(jì)選用多項(xiàng)原材料的時(shí)候,我們將所有原材料按照不同搭配來(lái)進(jìn)行組合試驗(yàn)分析,其工作量無(wú)疑是非常大的。如何盡可能地減少試驗(yàn)次數(shù)的同時(shí),獲得最優(yōu)的配合比組合呢？正交試驗(yàn)方法則為我們提供了一個(gè)可以優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)和減少重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)的工具,它具有均勻分散性、整齊可比性、簡(jiǎn)單操作等特點(diǎn)[1]。它首先分析影響配合比設(shè)計(jì)的主要因素,在每個(gè)因素中挑選幾個(gè)水平數(shù),選擇合適的正交表進(jìn)行表頭設(shè)計(jì),確定試驗(yàn)方案,分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),從而得出最優(yōu)配比組合。

1 配合比用原材料

設(shè)計(jì)圖紙明確了雙塊式軌枕道床板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,環(huán)境類別為碳化環(huán)境,其作用等級(jí)為T2,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限不小于60年。56d收縮率不超過400×10-6,56d電通量小于1500C。結(jié)合國(guó)內(nèi)已建項(xiàng)目如武廣、成渝和蘭新客運(yùn)專線雙塊式無(wú)砟軌道道床板經(jīng)驗(yàn)總結(jié),其混凝土配合比以減少混凝土的塑性變形、長(zhǎng)期收縮變形、提高混凝土早期抗拉強(qiáng)度為目標(biāo),按照“低膠材、低用水量、低坍落度、高含氣量”(三低一高)的原則來(lái)設(shè)計(jì)[2]。試驗(yàn)室初步采用水泥、粉煤灰、礦渣粉、細(xì)骨料、粗骨料、減水劑、引氣劑和拌合用水等原材料,其檢測(cè)指標(biāo)如下：①水泥：蕪湖海螺低堿水泥,P·O42.5,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.1%,比表面積346m2/kg,堿含量0.54%,燒失量2.61%,3d抗壓強(qiáng)度24.6MPa,抗折強(qiáng)度5.3MPa,28d抗壓強(qiáng)度47.0MPa,抗折強(qiáng)度8.2MPa；②粉煤灰：銅陵電廠,Ⅱ級(jí)灰,細(xì)度18.6%,燒失量3.14%,需水量比103%；③礦渣粉：安徽朱家橋水泥廠,S95,比表面積403m2/kg,燒失量1.74%,流動(dòng)度比104%；④細(xì)骨料：涇縣河砂,Ⅱ區(qū)中砂,細(xì)度模數(shù)2.7,含泥量1.1%；⑤粗骨料：南陵恒鑫,石灰?guī)r,5～31.5mm連續(xù)級(jí)配碎石(5～16mm∶16～31.5mm=30%：70%)；⑥減水劑：四川柯帥KS-JS標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸高性能減水劑,減水率27%,含氣量2.6%,28d抗壓強(qiáng)度比150%；⑦引氣劑：四川柯帥KS-AE引氣劑,減水率8%,含氣量6.7%；⑧拌合用水：南陵自來(lái)水。

2 影響因子和水平的選擇

選取水膠比、粉煤灰摻量、礦渣粉摻量、砂率作為因子,每個(gè)因素選取3個(gè)不同水平。不考慮因子間交互作用,試驗(yàn)的總自由度f(wàn)=(3-1)×4=8,選擇正交試驗(yàn)表L9(34),可滿足要求,見表1。

表1 配合比正交試驗(yàn)表

3 試驗(yàn)方案策劃

方案中各配合比的減水劑摻量為膠凝材料總量的1.1%,引氣劑摻量為減水劑用量的1.0%。單方混凝土用水量為144kg/m3。假定混凝土容重為2370kg/m3,結(jié)合表1采用重量法,分別計(jì)算出9組試驗(yàn)號(hào)對(duì)應(yīng)的配合比,見表2。

表2 各組配合比原材料用量表

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

高速鐵路雙塊式軌枕道床板混凝土評(píng)價(jià)指標(biāo)很多。本文擬關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)施工指標(biāo)1h坍落度損失值ΔSl和7d抗壓強(qiáng)度f(wàn)7,以及關(guān)注混凝土結(jié)構(gòu)判定指標(biāo)56d抗壓強(qiáng)度f(wàn)56、56d電通量Q56和56d收縮率ε56。因此,分別對(duì)9組配合比進(jìn)行以上5個(gè)項(xiàng)目的檢測(cè),涉及到混凝土拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能等指標(biāo)。其試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 配合比試驗(yàn)結(jié)果

正交法數(shù)據(jù)分析方法一般有兩種,分別是極差分析法和方差分析法。本文采用前者,即先計(jì)算因子A條件下某一水平i的所有檢測(cè)結(jié)果之和Ki,再求出該水平i的平均值ki=Ki/m,依次計(jì)算出因子A其它各水平對(duì)應(yīng)的k值。則因子A的極差RA等于k1到km之間的最大值與最小值的差值,其中m為水平數(shù)。計(jì)算的極差R愈大,說明對(duì)應(yīng)因子的影響愈明顯。如對(duì)1h坍落度損失值ΔSl這個(gè)指標(biāo)效果計(jì)算考核,具體結(jié)果見下表4。

表4 ΔSl極差分析

從表4可以看出,RB>RA>(RC、RD)。其中,極差最大的是因子B,說明因子B(粉煤灰摻量)對(duì)ΔSl指標(biāo)結(jié)果的作用影響非常顯著。配合比設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工要求ΔSl越小越好,從各因子中選取k值最小的,即選擇A2B1C1D2組合。

同理,依次對(duì)f7、f56、Q56、ε56的影響因子進(jìn)行極差計(jì)算分析,其結(jié)果分別是：f7∶RA>RB>RD>RC,選擇組合A1B1C1D1；f56∶RA>RC>(RB、RD),選擇組合A1B2C3D2；Q56∶RA>RB>RD>RC,選擇組合A1B3C3D2；ε56∶RB>RA>RD>RC,選擇組合A2B3C2D1。

綜合上述5個(gè)指標(biāo)的極差分析,因子A中A1出現(xiàn)3次,因子B中B1和B3各出現(xiàn)2次,因子C中C1和C3各出現(xiàn)2次,因子D中D2出現(xiàn)3次。即理論最佳組合A1(B1或B3)(C1或C3)D2?？紤]到大摻量的粉煤灰B3或礦渣粉C3雖然對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性有利,但顯著影響著混凝土坍落度損失值,特別是運(yùn)輸距離長(zhǎng)的現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境。故從施工的便利性上選取適量摻量的粉煤灰B1和礦渣粉C1,即組合A1B1C1D2,對(duì)應(yīng)的指標(biāo)分別為：水膠比0.36,粉煤灰摻量20%,礦渣粉摻量10%,砂率38%。

但實(shí)際施工中,我們選擇組合A2B1C1D2,比較這兩個(gè)組合A1B1C1D2和A2B1C1D2,可以看出：①ΔSl對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的混凝土性能影響較大,ε56對(duì)軌枕道床板結(jié)構(gòu)耐久性影響較大,且兩個(gè)指標(biāo)均對(duì)應(yīng)著A2；②在同一用水量情況下,前者膠材用量為400kg/m3,后者用量為379kg/m3。顯然后者更符合軌枕道床板配合比設(shè)計(jì)要求“低膠材”原則；③從經(jīng)濟(jì)性角度考量,前者單方混凝土經(jīng)濟(jì)成本為273.4元,后者僅為266.0元。后者比前者降低了7.4元。下表列舉當(dāng)?shù)卦牧蟽r(jià)格和兩者的單方混凝土成本,見表5。

表5 單方混凝土計(jì)算表

5 結(jié)論

(1)結(jié)合實(shí)際,采用正交分析選用的最優(yōu)配合比組合能夠滿足高速鐵路上雙塊式軌枕道床板混凝土施工,實(shí)現(xiàn)了其拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能等項(xiàng)目的目標(biāo)要求。

(2)正交分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇很重要,其選擇不同,得到的結(jié)論也可能不同。

(3)極差分析得到的結(jié)果還應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況來(lái)綜合分析考量,從而選取最佳組合。

[1]吳小峰,黃小玲.正交試驗(yàn)法在混凝土配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].廣東建材,2016(7)：6-8．

[2]楊永明.CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道道床板裂縫成因分析及控制措施[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2015(4)：17．