基于正交分析的高性能混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

王業(yè)剛，王有志

（山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南250061）

0 引言

高性能混凝土以高強(qiáng)性、高工作性和高耐久性能被專家稱為21世紀(jì)混凝土，是混凝土技術(shù)的主要發(fā)展方向[1]。我國不僅為高性能混凝土組織了多項(xiàng)重大研究課題[2]，而且因其在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的巨大優(yōu)勢(shì)逐漸得到推廣應(yīng)用。近年來，大跨徑、大噸位橋梁結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)對(duì)混凝土性能要求越來越高，但由于混凝土原材料就近取材和性能離散性的特點(diǎn)，必須對(duì)當(dāng)?shù)馗咝阅芑炷僚渲频目尚行蚤_展試驗(yàn)研究,選擇合適的原材料及工程需要的最佳配合比。

本文就是在濟(jì)寧某大型橋梁建設(shè)的背景下進(jìn)行的試驗(yàn)研究，所選試驗(yàn)配合比是在滿足高工作性和耐久性的前提下，重點(diǎn)考察并解析出影響混凝土強(qiáng)度的主要因素，優(yōu)化施工配合比，為魯西地區(qū)配制高性能混凝土的可行性和合理性提供試驗(yàn)依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)原材料及正交試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料選擇

水泥：魯南水泥有限公司生產(chǎn)的“中聯(lián)”牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰：采用運(yùn)河電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，其物理性能見表1。

表1 粉煤灰的技術(shù)指標(biāo) %

表2 L9（34）正交試驗(yàn)因素水平表

粗集料： 采用嘉祥石料場生產(chǎn)的5～10mm、10～25mm碎石，級(jí)配比例(5～10)∶(10～25)=30∶70；

細(xì)集料：采用泗河級(jí)配良好的Ⅱ區(qū)中砂；

外加劑：采用山東省建筑科學(xué)研究院NJ-C聚羧酸外加劑。

1.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)高性能混凝土配置的技術(shù)性能要求，采用粉煤灰和高效減水劑NC-J的雙摻技術(shù)進(jìn)行C50強(qiáng)度等級(jí)的配合比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用制作因素水平表的正交設(shè)計(jì)方法，本次正交試驗(yàn)的考核目標(biāo)是7d、28d強(qiáng)度，以量化的形式表示。

根據(jù)試驗(yàn)研究的主次及目的，選取影響高性能混凝土強(qiáng)度的基本因素，并對(duì)各因素水平選取合適的值。試驗(yàn)采用L9(34)正交試驗(yàn)表，具體指標(biāo)和取值見表2。

2 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

混凝土配合比試驗(yàn)方案及結(jié)果見表3。

2.2 數(shù)據(jù)極差分析

7d和28d混凝土抗壓強(qiáng)度分析結(jié)果見表4，

混凝土強(qiáng)度各因素的極差與強(qiáng)度的關(guān)系分析如圖1所示。

表3 L9（34）正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

表4 7d、28d抗壓強(qiáng)度的極差分析表

圖1 極差結(jié)果分析圖

由表4及圖1的極差分析可以得到以下結(jié)論:

（1）7d強(qiáng)度各因素的影響程度由高到低的順序是：粉煤灰摻量、水膠比、外加劑摻量、用水量，即A>B>D>C，計(jì)算分析最好的試驗(yàn)條件是：A1B1D1C2。

（2）影響28d強(qiáng)度的因素有所變化：由高到底的順序是：水膠比、粉煤灰摻量、用水量、外加劑摻量，即B>A>C>D；計(jì)算分析最好的條件是：B2A2C2D1。

分析其主要原因：7d時(shí)粉煤灰的活性基本沒有被激發(fā)，所以這時(shí)粉煤灰摻量的影響比較大；28d時(shí)粉煤灰的活性得到了發(fā)揮，對(duì)強(qiáng)度提高起一定的作用,因此粉煤灰摻量的影響不再是主要因素。

（3）當(dāng)粉煤灰摻量從16.3%、20%到30%變化時(shí)，在水膠比相同的條件下，對(duì)于7d立方體抗壓強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度不斷降低，隨著水膠比的增大，降低趨勢(shì)有所減小；對(duì)于28d立方體抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的加大先增加后減小。

2.3 數(shù)據(jù)方差分析

在正交設(shè)計(jì)的極差法直觀分析中，用各因素列的極差大小表示各因素對(duì)指標(biāo)影響的主次順序；計(jì)算量小，可以直觀的描述問題，但是極差法沒有把試驗(yàn)過程中由于試驗(yàn)條件的改變引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)以及由試驗(yàn)過程誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)嚴(yán)格的區(qū)別開；無法判斷所考察因素的作用是否顯著。為了彌補(bǔ)極差分析的這些不足，可采用方差分析的方法[3]。

7d和28d抗壓強(qiáng)度方差分析結(jié)果見表5。對(duì)于四因素三水平L9（34）基礎(chǔ)正交設(shè)計(jì)，由于設(shè)計(jì)時(shí)無空列，并且沒有選擇更大樣本容量的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其誤差自由度為零，原理上無法做顯著性檢驗(yàn)分析，但是為了進(jìn)行方差的比較分析，一般將其中的一個(gè)因素作為誤差項(xiàng)（一般選擇極差最小的因素）來進(jìn)行定量分析。

從7d抗壓強(qiáng)度的方差分析得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)偏差平方和的大小可知各因素的影響順序?yàn)椋篈>B>D>C，與極差分析結(jié)果是一致的。

（2）由方差分析采用的F比值來分析顯著性影響，可知粉煤灰摻量的影響顯著，水膠比有影響但不顯著。

（3）選擇最優(yōu)配合比組合：方差分析觀點(diǎn)認(rèn)為，只需對(duì)顯著性因素控制選擇，對(duì)于不顯著的因素，原則上可選在試驗(yàn)范圍內(nèi)的任意一個(gè)水平[4]。粉煤灰摻量最大的K值對(duì)應(yīng)的水平為1，即首先確定A1；結(jié)合7d強(qiáng)度的極差分析結(jié)果，相同粉煤灰摻量的情況下，隨著水膠比和用水量的增大，混凝土早期強(qiáng)度卻減小，因此要保證大摻量粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度，盡量選用較小的水膠比，結(jié)合K值，所以確定B1C1或B1C2；減水劑摻量對(duì)強(qiáng)度的影響并不顯著，又考慮到減水劑會(huì)影響坍落度的經(jīng)時(shí)損失率[5]，所以選擇D1，因此，由方差分析得出的影響7d強(qiáng)度的最優(yōu)組合為A1B1D1C1或A1B1D1C2，與極差分析基本一致。

表5 方差分析表

從28d抗壓強(qiáng)度的方差分析得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)偏差平方和的大小可知各因素的影響順序?yàn)椋築>A>C>D，與極差分析結(jié)果是一致的。

（2）由方差分析，水膠比對(duì)28d強(qiáng)度影響較為顯著，粉煤灰摻量對(duì)28d強(qiáng)度影響一般顯著，用水量和外加劑對(duì)影響不顯著。

3 試驗(yàn)綜合分析結(jié)論

（1）粉煤灰摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響程度隨著時(shí)間的發(fā)展發(fā)生變化，在7d時(shí)粉煤灰的活性得不到發(fā)揮，其強(qiáng)度主要由水泥提供，隨著粉煤灰摻量的增加其強(qiáng)度逐漸降低，粉煤灰成為影響強(qiáng)度因素的第一要素；28d粉煤灰的活性得到了一定的發(fā)揮，水膠比成為影響強(qiáng)度因素的第一要素，抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的加大先增加后減小，粉煤灰摻量在16.3%～20%之間時(shí)，對(duì)28d強(qiáng)度最為有利。

（2）水膠比無論在早期還是后期對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響均較大，控制水膠比是達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度的最好選擇。為了保證混凝土的早期強(qiáng)度應(yīng)盡量采用低水膠比，最好控制在0.3～0.33之間。

（3）減水劑對(duì)早期強(qiáng)度影響較大，對(duì)后期強(qiáng)度影響程度減小，考慮到減水劑會(huì)影響坍落度的經(jīng)時(shí)損失率，建議控制在1.2%～1.7%之間；另外分析也表明，用水量對(duì)28d強(qiáng)度的影響程度增加。

（4）綜合極差和方差分析結(jié)果，對(duì)于考核7d抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)配合比為A1B1D1C2，即粉煤灰摻量16.3%、水膠比0.3、用水量149kg/m3、外加劑摻量1.2%；對(duì)于考核28d抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)配合比為B2A2C2D1，即粉煤灰摻量20%、水膠比0.33、用水量149kg/m3、外加劑摻量1.2%。

（5）試驗(yàn)表明，所選濟(jì)寧地區(qū)的原材料能夠配出符合工程需要的高性能混凝土，其工作性、立方體抗壓強(qiáng)度均能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求。

[1]吳宗偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[2]張明征.高性能混凝土的配制與應(yīng)用[M].北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

[3]鄭少華，姜奉華.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2004.

[4]張曉丹，楊曉光，何錦云.大摻量粉煤灰混凝土早后期強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].煤炭工程，2007（5）：96-99.

[5]戴秋菊.大摻量粉煤灰混凝土的試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2007，26（3）：612-619.