基于正交設計原理泵送混凝土配合比設計研究

摘 要：泵送混凝土由于具有輸送能力強，能連續作業，速度快等優勢，被廣闊應用于工程各領域。坍落度、含氣量和抗壓強度決定著泵送混凝土的工程應用，其影響因素主要有：水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量。本文通過設置正交試驗，以坍落度、含氣量和28d抗壓強度為指標，采用極差和方差分析確定水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對指標影響的顯著性順序；通過回歸分析得到指標與水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量的定量關系。

關鍵詞：泵送混凝土；正交試驗設計；坍落度；含氣量；抗壓強度

隨著我國經濟和技術的快速發展，泵送混凝土技術日益完善，泵送混凝土也被應用到工程的各個領域，對加快我國基礎設施建設發揮了重要的作用。泵送混凝土是指具有一定流動性的混凝土在壓力泵的作用下，通過管帶輸送到建筑物模板中去的混凝土。泵送混凝土具有輸送能力強，能連續作業，速度快及費用低等優點。泵送混凝土既可以垂直和水平運輸又可以布料桿澆筑，特別是在高層建筑和大體積混凝土建筑的施工中更能體現出其優越性，已逐漸成為混凝土施工中的一個常用的品種。為了保證混凝土的泵送性能，要求混凝土具有一定的流動性和良好的粘聚性，影響泵送混凝土可泵性的因素主要有：水灰比、細砂漿含量、骨料級配、外加劑摻量及粉煤灰摻量等因素。本文基于正交試驗，主要研究水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對泵送混凝土坍落度、含氣量及抗壓強度的單獨影響和交互影響，確定各因素影響的顯著性大小關系，并初步建立了影響因素與指標之間的定量關系，為泵送混凝土的研究及工程應用提供一定的依據。

1 試驗研究

1.1 試驗原材料

（1）水泥，采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，主要性能見表1；

（2）砂，采用中砂，細度模數2.6；

（3）石子，采用卵石，粒徑5～20 mm；

（4）粉煤灰，采用電廠生產的Ⅱ級粉煤灰；

（5）泵送劑，采用PA泵送劑，主要性能見表2；

（6）水，拌制混凝土采用實驗室自來水。

表1 水泥的主要性能

品種 細度/% 初凝時間/min 終凝時間/min 安定性 抗折強度/MPa 抗壓強度/MPa

P.O 42.5 0.8 252 336 合格 8.7 49.7

表2 PA泵送劑的主要性能

指標名稱 減水率/% 坍落度增加值/% 常壓泌水率/% 含氣量/% 抗壓強度比/%

實測結果 16.5 12 85 2.3 96

規范要求 ≥12 ≥10 ≤100 ≤4.5 ≥85

1.2 試驗設計

泵送混凝土的性能主要取決于混凝土的水灰比、泵送劑摻量、粉煤灰摻量、細砂漿含量、骨料級配等因素。本試驗通過設置正交試驗，分析水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對泵送混凝土坍落度、含氣量以及抗壓強度的影響，確定各因素影響的顯著性大小，并初步建立影響因素與坍落度、含氣量和28d抗壓強度的定量關系。正交試驗表見表3。

1.3 試件成型與養護

參照《水工混凝土試驗規程》（SL352-2006）成型試塊，并將試塊按標準養護條件養護到規定齡期。

2 試驗數據分析

2.1 試驗結果

選用水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量3個影響因素，每個因素設置了3個不同的水平，采用正交試驗原理設置L9（34）正交試驗，試驗結果見表3。

表3 正交試驗表

編號 水膠比A 粉煤灰摻量/%B 泵送劑摻量/%C 誤差列D 坍落度/cm 含氣量/% 28d抗壓強度/MPa

B1 0.50 （1） 35 （1） 3.0 （1） 1 24.5 3.0 30.1

B2 0.50 （1） 25 （2） 2.5 （2） 2 23.5 1.9 32.8

B3 0.50 （1） 15 （3） 2.0 （3） 3 22.0 1.6 33.4

B4 0.40 （2） 35 （1） 2.5 （2） 3 21.0 2.5 39.5

B5 0.40 （2） 25 （2） 2.0 （3） 1 19.5 1.6 44.3

B6 0.40 （2） 15 （3） 3.0 （1） 2 22.5 2.0 39.8

B7 0.35 （3） 35 （1） 2.0 （3） 2 18.0 1.5 49.2

B8 0.35 （3） 25 （2） 3.0 （1） 3 16.5 2.3 49.7

B9 0.35 （3） 15 （3） 2.5 （2） 1 15.5 1.8 47.1

2.2 試驗結果分析

2.2.1 各影響因素極差分析

通過極差分析，可以分清各因素及其交互作用的主次順序，分清哪個是主要因素，哪個是次要因素；可確定試驗因素的優水平和試驗范圍內的最優組合；估計試驗誤差的大小。根據極差 的大小，可以判斷各因素對試驗指標的影響主次，進而確定出試驗的最優組合。各因素對泵送混凝土坍落度、含氣量及28d抗壓強度極差分析見表4。

表4 試驗結果極差分析表

指標 因素 k1 k2 k3 k1/2 k2/2 k3/2 極差Rj 優水平 主次順序

坍落度/cm 水膠比A 70.0 63.0 51.0 23.3 21.0 17.0 6.3 A1 ACB

粉煤灰摻量B 63.5 60.5 60.0 21.1 20.2 20.0 1.1 B1

泵送劑摻量C 64.5 60.0 59.5 21.5 20.0 19.7 1.8 C1

含氣量/% 水膠比A 6.5 6.1 5.6 2.2 2.0 1.9 0.3 A1 CBA

粉煤灰摻量B 7.0 5.8 5.4 2.3 1.9 1.8 0.5 B1

泵送劑摻量C 7.3 6.2 4.7 2.4 2.1 1.5 0.9 C1

28 d抗壓強度/MPa 水膠比A 96.3 123.6 146.0 32.1 41.2 48.7 16.6 A3 ABC

粉煤灰摻量B 118.8 126.8 120.3 39.6 42.3 40.1 2.7 B2

泵送劑摻量C 119.6 121.4 126.9 39.9 40.5 42.3 2.4 C3

由表4可知，對于泵送混凝土坍落度，RA>RC>RB，所以各因素坍落度影響的主次順序為：水膠比→泵送劑摻量→粉煤灰摻量，水膠比對坍落度影響最大，泵送劑摻量影響較小，粉煤灰摻量影響最小，試驗最優組合為A1C1B1，即水膠比取0.50，泵送劑摻量取3.0%，粉煤灰摻量取35%，；對于泵送混凝土含氣量，RC>RB>RA，所以各因素對含氣量影響的主次順序為：泵送劑摻量→粉煤灰摻量→水膠比，泵送劑摻量對含氣量影響最大，粉煤灰摻量影響較小，水膠比最小，試驗最優組合為C1B1A1，即送劑摻量取3.0%，粉煤灰摻量取35%，水膠比取0.50；對于泵送混凝土28d抗壓強度，RA>RB>RC，所以各因素對28d 抗壓強度影響的主次順序為：水膠比 粉煤灰摻量 泵送劑摻量，水膠比對28d 抗壓強度影響最大，粉煤灰摻量影響較小，泵送劑摻量影響最小，試驗最優組合為A3B2C3，即水膠比取0.35，粉煤灰摻量取25%，泵送劑摻量取2.0%。

2.2.2 各影響因素回歸分析

為了分析各因素對坍落度、含氣量和28d抗壓強度的影響，找出其與各因素的定量關系，進行回歸分析。利用多元線性回歸建立坍落度、含氣量和28d抗壓強度與水膠比、粉煤灰摻量、泵送劑摻量的線性模型。

（1）各因素對坍落度的影響

由表4試驗數據可知，隨著水膠比的減小，泵送混凝土坍落度減小，水膠比由0.50減小到0.35，坍落度減小了27.0%；隨著粉煤灰摻量的降低，泵送混凝土坍落度略有減小，摻量由35%降低到15%，坍落度減小了5.2%；隨著泵送劑摻量的降低，泵送混凝土坍落度降低，摻量由3.0%降低到2.0%，坍落度減小了8.4%。

為直觀顯現各因素對泵送混凝土坍落度的影響，以坍落度值為縱坐標，以各因素（即表中A、B、C）為橫坐標，得到各因素與坍落度關系圖，如圖1。

圖1 各因素與坍落度關系圖

通過回歸分析，得到坍落度與各影響因素的三元一次線性回歸方程為：

（1）

式中：T—坍落度，cm；—水膠比；f—粉煤灰摻量，%；b—泵送劑摻量，%。

（2）各因素對含氣量的影響

由表4試驗數據可知，隨著水膠比的減小，泵送混凝土含氣量降低，水膠比由0.50減小到0.35，含氣量降低了13.6%；隨著粉煤灰摻量的降低，泵送混凝土含氣量降低，摻量由35%降低到15%，含氣量降低了21.7%；隨著泵送劑摻量的降低，泵送混凝土含氣量降低，摻量由3.0%降低到2.0%，含氣量降低了37.5%。

各因素與含氣量關系圖如圖2。

圖2 各影響因素與含氣量關系圖

通過回歸分析，得到含氣量與各影響因素的三元一次線性回歸方程為：

（2）

式中：H—含氣量，%。

（3）各因素對28d 抗壓強度的影響

由表4試驗數據可知，隨著水膠比的減小，泵送混凝土28d抗壓強度增大，水膠比由0.50減小到0.35，抗壓強度增大了51.7%；隨著粉煤灰摻量的降低，泵送混凝土28d抗壓強度略有提高，摻量由35%降低到15%，抗壓強度增大了6.8%；隨著泵送劑摻量的降低，泵送混凝土28d抗壓強度略有提高，摻量由3.0%降低到2.0%，抗壓強度增大了6.0%。各影響因素與28d抗壓強度的關系如圖3。

圖3 各影響因素與28d抗壓強度的關系

通過回歸分析，得到28d 抗壓強度與各影響因素三元一次線性回歸方程為：

（3）

式中：fck，28—泵送混凝土28d抗壓強度，MPa。

2.2.3 各影響因素方差分析

為了進一步分析各因素對坍落度、含氣量和28d抗壓強度影響的顯著性大小，各因素對泵送混凝土各性能進行方差分析，方差分析見表5～表7。

表5 坍落度方差分析表

源 III 型平方和 df 均方 F Sig.

校正模型 75.000a 6 12.500 5.556 0.160

截距 3721.000 1 3721.000 1653.778 0.001

A 68.667 2 34.333 15.259 0.062

B 3.167 2 1.583 0.704 0.587

C 3.764 2 1.953 0.924 0.425

誤差 4.500 2 2.250

總計 3800.500 9

校正的總計 79.500 8

表6 含氣量方差分析表

源 III 型平方和 df 均方 F Sig.

校正模型 1.733a 6 0.289 2.600 0.304

截距 36.804 1 36.804 331.240 0.003

A 0.136 2 0.068 0.610 0.621

B 0.462 2 0.231 2.080 0.325

C 1.136 2 0.568 5.110 0.164

誤差 0.222 2 0.111

總計 38.760 9

校正的總計 1.956 8

表7 28d抗壓強度方差分析表

源 III 型平方和 df 均方 F Sig.

校正模型 437.247a 6 72.874 676.155 0.001

截距 14875.868 1 14875.868 138023.515 0.000

A 413.016 2 206.508 1916.052 0.001

B 12.056 2 6.028 55.928 0.018

C 12.176 2 6.088 56.485 0.013

誤差 0.216 2 0.108

總計 15313.330 9

校正的總計 437.462 8

顯著性檢驗系數Sig.的大小表示對指標影響的顯著性，Sig.越小，表示影響越顯著。通過表5中顯著性檢驗系數Sig.的大小關系B >C>A，可以確定出水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對泵送混凝土坍落度影響的顯著性大小順序為：水膠比>泵送劑摻量>粉煤灰摻量；通過表6可以確定出水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對泵送混凝土含氣量影響的顯著性大小順序為：泵送劑摻量>粉煤灰摻量>水膠比。通過表7可以確定出水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對泵送混凝土28d抗壓強度影響的顯著性大小順序為：水膠比>粉煤灰摻量>泵送劑摻量。

3 結語

3.1 通過分析可以得出影響泵送混凝土坍落度的因素顯著性順序是水膠比 泵送劑摻量 粉煤灰摻量；影響含氣量的因素顯著性順序是泵送劑摻量 粉煤灰摻量 水膠比；影響28d抗壓強度的因素顯著性順序是水膠比 粉煤灰摻量 泵送劑摻量。

3.2 對于泵送混凝土坍落度，水膠比影響最大，水膠比由0.50減小到0.35，坍落度減小了27.0%；對于含氣量，泵送劑摻量影響最大，泵送劑摻量由3.0%降低到2.0%，含氣量降低了37.5%。對于28d抗壓強度，水膠比影響最大，水膠比由0.50減小到0.35，抗壓強度增大了51.7%。

3.3 通過回歸分析得到水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量與泵送混凝土坍落度、含氣量和28d抗壓強度之間如公式（1）（2）（3）的定量關系，為泵送混凝土的工程實際應用提供了一定的參考。

參考文獻

[1] 劉英利.泵送混凝土配合比設計方法[J].商品混凝土，2005（2）.

[2] 王志民.淺析泵送混凝土質量控制要點[J].科技信息，2011（5）.

[3] 黃秀霞. 泵送混凝土施工中輸送管堵塞的因素分析及防治[J]. 吉林工程技術師范學院學報，2011（3）.

[4] 陳琳.泵送混凝土配合比設計試驗研究[J].科技信息，2008（28）.

[5] 楊華美，楊華全，王迎春，嚴建軍. 粉煤灰摻量對泵送混凝土碳化及抗凍性的影響[J]. 人民長江，2010（2）.

[6] 中華人民共和國水利部.SL 352—2006 水工混凝土試驗規程[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[7] 劉丹.納米SiO2對RPC力學性能影響的試驗研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2012.

[8] 宋志斌，張永順，趙鴻儒.透水性混凝土路面磚材料的正交試驗研究[J].混凝土，2007（4）.

[9] 許毓明.泵送混凝土配合比設計研究[J].廣東建材，2009（4）.

作者簡介：杜好偉（1976- ），男，工程師，研究方向：混凝土施工配合比。