基于正交試驗(yàn)法的混凝土性能影響因素分析

黎 鋼

(湖南省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 前言

隨著高速公路快速發(fā)展，混凝土配合比的膠凝材料不再僅限于水泥，而是出現(xiàn)了多種摻和料，不同摻合料各有各的優(yōu)點(diǎn)[1-4]，再加上高性能外加劑的廣泛使用，使得混凝土工作性能的影響因素越來(lái)越多[5-6]，如何將各影響因素最大化利用以獲得工作性能好、混凝土強(qiáng)度合格的混凝土配合比，對(duì)于工程施工意義重大。本文選擇水膠比、砂率、外摻料摻量、外加劑摻量等4個(gè)對(duì)混凝土工作性能及強(qiáng)度影響較大的因素，每因素分3個(gè)水平，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)配合比，以期取得最優(yōu)配合比用于工程施工[7-9]。

1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)選用L9(34)正交表，以影響混凝土工作性能和強(qiáng)度的4個(gè)重要指標(biāo)(水膠比、砂率、外摻料摻量、外加劑摻量)進(jìn)行交叉試驗(yàn)，通過(guò)初始坍落度、60 min坍落度、3 d抗壓強(qiáng)度、7 d抗壓強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度極差分析，繪制出參數(shù)圖表，從而確定最佳水膠比、最佳砂率、最佳外摻料摻量和最佳外加劑摻量，得出混合料的最佳配合比。L9(34)正交表可將27次試驗(yàn)簡(jiǎn)化為9次。

1.1 試驗(yàn)原材料

原材料選?。篜·O42.5級(jí)水泥、自產(chǎn)碎石場(chǎng)二級(jí)級(jí)配碎石[m(5～10 mm)∶m(10～25 mm)=3∶7]、自產(chǎn)II區(qū)機(jī)制砂、S95級(jí)?；郀t礦渣、聚羧酸高性能外加劑。

1.2 正交設(shè)計(jì)參數(shù)

本配合比選取水膠比、砂率、外摻料摻量、外加劑摻量4個(gè)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，選用L9(34)正交表進(jìn)行配制，如表1所示。

表1 C50配合比正交法設(shè)計(jì)參數(shù)表配合比編號(hào)水膠比A砂率B/%礦粉摻量C/%減水劑摻量D/%ZJ-10.34(1)40(1)15(1)1.10(1)ZJ-20.34(1)42(2)20(2)1.20(2)ZJ-30.34(1)44(3)25(3)1.30(3)ZJ-40.36(2)40(1)20(2)1.30(3)ZJ-50.36(2)42(2)25(3)1.10(1)ZJ-60.36(2)44(3)15(1)1.20(2)ZJ-70.38(3)40(1)25(3)1.20(2)ZJ-80.38(3)42(2)15(1)1.30(3)ZJ-90.38(3)44(3)20(2)1.10(1)

1.3 正交材料用量

采用體積法計(jì)算各材料用量。各材料密度分別為：水泥3 100 kg/m3；機(jī)制砂表觀密度2 758 kg/m3，碎石表觀密度2 747 kg/m3，礦粉2 880 kg/m3，材料用量如表2所示。

1.4 正交配合比工作性能

考慮混凝土運(yùn)距及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，設(shè)計(jì)坍落度為160～200 mm。經(jīng)實(shí)測(cè)，各配合比工作性能如表3所示。

表2 C50配合比正交法設(shè)計(jì)材料用量kg·m-3配合比編號(hào)CSG KW減水劑ZJ-14137381 106731625.34 ZJ-23887741 069971615.82 ZJ-33648121 0331211606.31 ZJ-43677481 122921605.96 ZJ-53447841 0831151615.04 ZJ-63908231 048691615.50 ZJ-73267551 1331091615.21 ZJ-83697951 098651605.64 ZJ-93478311 058871614.78

表3 正交配合比工作性能配合比編號(hào)水膠比砂率/%礦粉摻量/%減水劑摻量/%保水性黏聚性搗實(shí)ZJ-10.3438151.10優(yōu)優(yōu)優(yōu)ZJ-20.3440201.20優(yōu)優(yōu)優(yōu)ZJ-30.3442251.30優(yōu)良好良好ZJ-40.3638201.30優(yōu)良好良好ZJ-50.3640251.10優(yōu)優(yōu)良好ZJ-60.3642151.20優(yōu)優(yōu)優(yōu)ZJ-70.3838251.20輕微差一般ZJ-80.3840151.30良好良好一般ZJ-90.3842201.10優(yōu)優(yōu)優(yōu)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1.1測(cè)定初始坍落度并進(jìn)行極差分析

混凝土配合比試配后，測(cè)定初始坍落度如表4、表5所示。

表4 初始坍落度mmZJ-1ZJ-2ZJ-3ZJ-4ZJ-5ZJ-6ZJ-7ZJ-8ZJ-97012012016590190150200215

表5 極差分析評(píng)價(jià)指標(biāo)水膠比砂率礦粉摻量減水劑摻量K1103.3 128.3 153.3 125.0 K2148.3 136.7 166.7 153.3 K3188.3 175.0 120.0 161.7 R85.0 46.7 46.7 36.7

由極差分析可以看出，水膠比對(duì)初始坍落度影響最大，最佳組合為A(3)+B(3)+C(2)+D(3)。

2.1.2測(cè)定60 min坍落度損失及極差分析

在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下將混凝土靜置60 min，測(cè)得60 min后的坍落度及計(jì)算坍落度損失率如表6、表7所示。

表6 60 min坍落度損失項(xiàng)目ZJ-1ZJ-2ZJ-3ZJ-4ZJ-5ZJ-6ZJ-7ZJ-8ZJ-960 min坍落度/mm60120751658515013016513560 min坍落度損失率0.1430.0000.3750.0000.0560.2110.1330.1750.372

表7 60 min坍落度損失極差分析評(píng)價(jià)指標(biāo)水膠比砂率礦粉摻量減水劑摻量K10.173 0.092 0.176 0.190K20.089 0.077 0.124 0.115K30.227 0.319 0.188 0.183 R0.138 0.242 0.064 0.076

由極差分析可以看出，砂率對(duì)60 min坍落度損失影響最大，最佳組合為A(2)+B(2)+C(2)+D(2)。

2.1.3測(cè)定3 d抗壓強(qiáng)度及極差分析

將混凝土配合比試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)3 d，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測(cè)得3 d抗壓強(qiáng)度如表8、表9所示。

由極差分析可以看出，水膠比對(duì)3 d強(qiáng)度影響最大，最佳組合為A(1)+B(3)+C(2)+D(3)。

表8 3 d抗壓強(qiáng)度MPaZJ-1ZJ-2ZJ-3ZJ-4ZJ-5ZJ-6ZJ-7ZJ-8ZJ-955.1 57.4 62.2 58.0 53.0 56.5 48.0 54.4 51.6

表9 3 d抗壓強(qiáng)度極差分析評(píng)價(jià)指標(biāo)水膠比砂率礦粉摻量減水劑摻量K158.2 53.7 55.3 53.2K255.8 54.9 55.7 54.0 K351.3 56.8 54.4 58.2 R6.9 3.1 1.3 5.0

2.1.4測(cè)定7 d抗壓強(qiáng)度及極差分析

將混凝土配合比試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d，測(cè)得7 d抗壓強(qiáng)度如表10、表11所示。

表10 7 d抗壓強(qiáng)度MPaZJ-1ZJ-2ZJ-3ZJ-4ZJ-5ZJ-6ZJ-7ZJ-8ZJ-957.164.664.162.561.863.256.356.157.5

表11 7 d抗壓強(qiáng)度極差分析評(píng)價(jià)指標(biāo)水膠比砂率礦粉摻量減水劑摻量K161.9 58.6 58.8 58.8K262.5 60.8 61.5 61.4 K356.6 61.6 60.7 60.9 R5.9 3.0 2.7 2.6

由極差分析可以看出，水膠比對(duì)7 d強(qiáng)度影響最大，最佳組合為A(2)+B(3)+C(2)+D(2)。

2.1.5測(cè)定28 d抗壓強(qiáng)度及極差分析

將混凝土配合比試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，測(cè)得28 d抗壓強(qiáng)度如表12、表13所示。

表12 28 d抗壓強(qiáng)度MPaZJ-1ZJ-2ZJ-3ZJ-4ZJ-5ZJ-6ZJ-7ZJ-8ZJ-967.6 71.5 72.1 70.5 66.7 68.5 62.2 67.2 65.0

表13 28 d抗壓強(qiáng)度極差分析評(píng)價(jià)指標(biāo)水膠比砂率礦粉摻量減水劑摻量K170.4 66.8 67.8 66.4K268.6 68.5 69.0 67.4K364.8 68.5 67.0 69.9R5.6 1.8 2.0 3.5

由極差分析可以看出，水膠比對(duì)28 d強(qiáng)度影響最大，最佳組合為A(1)+B(3)+C(2)+D(3)。

2.2 最佳組合選取

根據(jù)對(duì)各影響因素對(duì)初始坍落度、60 min坍落度損失率、不同齡期強(qiáng)度的影響因素分析，以及《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》 (JTG TF50—2011)高性能混凝土C50水膠比不大于0.36的相關(guān)要求，選取混凝土配合比中水膠比、砂率、摻和料摻量、外加劑摻量的最佳組合。

表14 最佳組合選取初始坍落度最佳組合A(3)+B(3)+C(2)+D(3)60 min坍落度損失最佳組合A(2)+B(2)+C(2)+D(2)3 d抗壓強(qiáng)度最佳組合A(1)+B(3)+C(2)+D(3)7 d抗壓強(qiáng)度最佳組合A(2)+B(3)+C(2)+D(2)28 d抗壓強(qiáng)度最佳組合A(1)+B(3)+C(2)+D(3)最佳組合A(2)+B(3)+C(2)+D(3)

2.3 最佳配合比確定

根據(jù)上述組合，選取最佳水膠比為0.36、最佳砂率為44%、最佳摻和料摻量為20%、最佳外加劑摻量為1.3%。

根據(jù)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)確定單位用水量為165 kg，采用體積法計(jì)算，最終確定基準(zhǔn)配合比為mC∶mS∶mG∶mK∶mW∶m減水劑=367∶824∶1048∶92∶165∶5.958。經(jīng)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)容重為2 495 kg。經(jīng)試配驗(yàn)證，5 d抗壓強(qiáng)度為55.92 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度為60.71 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為64.7 MPa，滿(mǎn)足工作性能要求。

2.4 配合比應(yīng)用

該配合比應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)30 m T梁預(yù)制，其施工出機(jī)坍落度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)抵澆筑現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)工作性能滿(mǎn)足混凝土泵送要求，澆筑體表面光潔，無(wú)蜂窩麻面現(xiàn)象，外觀質(zhì)量滿(mǎn)足規(guī)范要求。其7 d抗壓強(qiáng)度最低值達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度92%，28d抗壓強(qiáng)度最低值達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度115%。

3 結(jié)論

1) 正交法設(shè)計(jì)配合比可以極大地提高試驗(yàn)效率，且具有很強(qiáng)的代表性。采用正交試驗(yàn)法可以有效地將各影響因素的不利影響降到最低，高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，并獲得最優(yōu)配合比。

2) 在水膠比、砂率、外摻料摻量、外加劑摻量4個(gè)因素中，水膠比對(duì)初始坍落度影響最大，砂率對(duì)60 min坍落度損失影響最大，水膠比對(duì)3、7、28 d強(qiáng)度影響最大，因此砂率和水膠比不宜過(guò)大，外摻料對(duì)后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)大。

3) 通過(guò)工程應(yīng)用證明，正交法設(shè)計(jì)的配合比應(yīng)用效果良好，水膠比、砂率、外摻料摻量、外加劑摻量4個(gè)因素達(dá)到了最佳比例。