正交法設(shè)計C60混凝土配合比的案例

李勇

（山東省棗莊市建筑材料科學(xué)研究所，山東 棗莊 277102）

正交法設(shè)計C60混凝土配合比的案例

李勇

（山東省棗莊市建筑材料科學(xué)研究所，山東 棗莊 277102）

TGJ 55—2011 標準中提出≥C60 強度值的混凝土為高強混凝土，而在實際生產(chǎn)中，C60 段以上混凝土設(shè)計多采用預(yù)估水膠比，往往缺乏實際的可操作性，并且沒有指出高強混凝土的設(shè)計過程中明確影響混凝土強度各種原因及因素。本文采用正交設(shè)計試驗方法，通過正確選擇影響因素，統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)，從中找出關(guān)鍵條件，使高強混凝土的設(shè)計少走彎路，達到滿足設(shè)計強度的要求，也滿足工作性的要求，并在生產(chǎn)中通過掌握關(guān)鍵因素的各項指標，可更好的控制混凝土質(zhì)量，使建筑物的安全耐久性得以保證。

正交試驗設(shè)計；影響因素；水平；混凝土配合比

0 前言

混凝土配合比是指水泥混凝土中膠凝材料、水、砂及骨料之間的比例關(guān)系，有時還應(yīng)注明外加劑的使用量。混凝土配合比設(shè)計的基本要求是滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的強度等級要求，滿足混凝土施工所需要的和易性，滿足工程所在環(huán)境對混凝土耐久性的要求并達到符合經(jīng)濟性的原則。

1 設(shè)計原則因素分析

混凝土配合比首先要滿足設(shè)計的強度要求，而影響強度的因素很多，其中包括：（1）原材料因素的影響；（2）配合比的因素；（3）成型及養(yǎng)護條件的影響。因此，混凝土配合比設(shè)計受材料內(nèi)因及環(huán)境外因的共同作用。其難點在于將其各方面因素協(xié)調(diào)好、控制好。另外，材料因素是可控因素，只要在選擇上制定一個標準，嚴格執(zhí)行，并且最大優(yōu)選合格材料，可在一定范疇內(nèi)選擇。還有就是澆筑成型及養(yǎng)護條件，這些因素在相關(guān)的標準中有明確的規(guī)定，只要認真完善并執(zhí)行也可以形成同一個設(shè)計平臺，將誤差限定在一個較小的范圍內(nèi)。

因此，本文僅討論配合比計算中各材料間的相互比例而產(chǎn)生的一些參數(shù)，對混凝土配合比設(shè)計的影響包括水膠比、摻合料、砂率、混凝土容重等因素，從中找到影響最大、組合最優(yōu)的因素水平。

2 正交試驗設(shè)計

2.1 原理

正交試驗設(shè)計是一種解決多因素、多水平對比試驗的數(shù)學(xué)方法，它依據(jù)數(shù)學(xué)原理，根據(jù)正交性從大量的試驗因素中挑選具有正交性質(zhì)的因素和水平指標，通過均衡搭配組合，使用那些具有代表性、典型性的組合進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點。涵蓋各個因素組合的情況，極大的減少了試驗次數(shù)，用少而有代表性的試驗反映出全面情況，提高了工作效率。

2.2 特點

（1）考察因素及水平合理，分布均勻。（2）不需要進行重復(fù)試驗，誤差便可估算出來，且計算精度高。（3）可找出主要因素，便于進一步試驗。（4）因素越多，水平越多，因素之間交互作用越多，正交表的作用越大。在混凝土配合比設(shè)計影響因素試驗中，可利用正交表的優(yōu)點，大幅降低試驗的數(shù)量并保證試驗質(zhì)量。

2.3 應(yīng)用步驟

混凝土配合比設(shè)計優(yōu)劣的影響因素較多，是許多影響因素共同作用的結(jié)果，如前所述，主要的影響因素可歸納為：水膠比、摻合料用量、砂率、混凝土容重。以混凝土配合比設(shè)計為分析對象，其應(yīng)用步驟如下：

（1）明確試驗對象的目的，確定考核指標。

（2）挑因素，選擇合適的正交表，選水平，制定水平表，確定試驗方案。

（3）對使用結(jié)果進行分析。

3 試驗設(shè)計

基于正交試驗設(shè)計法的混凝土配合比設(shè)計的影響因素分析。

本文選擇 C60 普通混凝土配合比設(shè)計作為分析對象，該配合比設(shè)計強度等級 C60，坍落度為 (200±30)mm，無嚴重泌水現(xiàn)象，可泵性好，該案例可作為一般普通混凝土配合比設(shè)計來借鑒。

3.1 原材料質(zhì)量及品種

（1）水泥：中聯(lián)，28d 抗壓強度為 50.9MPa。

（2）砂：天然河砂，2.7，Ⅱ級，含泥量 0.7%，泥塊含量 0.2%。

（3）石：碎石，5～20mm，連續(xù)級配，含泥量 0.2%，泥塊含量為 0。

（4）粉煤灰：周縣，Ⅰ級，需水量比 94%。（5）礦粉：滕縣，S95，活性指數(shù) 101%。

（6）高性能減水劑：減水率 31%，含固量 3.5%。（7）水：飲用水。

3.2 正交試驗設(shè)計

根據(jù)實際情況：混凝土強度首先考慮強度要求，水膠比分為 0.33、0.30、0.27 三個水平，其它各因素的水平選配都選擇為 3 個水平，具體影響因素和水平指標設(shè)置如表 1。

表1　因素水平表

由于影響因素為四個，每個因素有三個水平，因此選擇L9(34)正交表，將進行 9 次試驗，試驗計劃見表 2。

畫出趨勢圖，計算完極差后，對于定量性水平的因素，畫出強度和坍落度的關(guān)系圖，如圖 1、圖 2。

由于在同一坐標值中不好表達，所以選擇用趨勢圖表示。從正交試驗設(shè)計后的方案結(jié)果中可以看出，試驗條件均衡分散在水平的組合中因而具有代表性，比較容易出現(xiàn)好的條件，具備有均衡分散性，對于每列因素，有各個水平的結(jié)果之和，其它因素各個水平出現(xiàn)次數(shù)量是相同的，保證了在各個水平的效果中，最大限度的排除干擾，因而具有有效的可比性。

4 結(jié)果分析

極差 R 的大小是用來衡量試驗中相應(yīng)作用的大小，極差大的因素說明它的三個水平對考核指標所造成的差別大，通常是重要因素。本設(shè)計中因素的主次順序?qū)姸葹锳>C>D>B，對坍落度來說順序為 B>A>C>D。上述關(guān)系也可以從趨勢圖中反映出來，對強度 A，因素圖形波動最大，是主要因素。C 因素圖形波動較小，是次要因素，而其它兩個因素的圖形波動最小是第三和第四位的影響因素。經(jīng)過計算可得出較好的強度組合為 A3B3C1D3。

最佳坍落度的確定：通過直線觀察趨勢圖和計算的方法可以得出上述四種組合條件的因素主次作用，即 B>A>C>D，B 為主要因素，A 為次要因素，C 和 D 為較小的次要因素，較好的坍落度組合為：B2A3C1D2。

圖1　強度影響因素圖

圖2　坍落度影響因素趨勢圖

5 最佳配合比的確認

由上述的組合條件并考慮因素的主次作用，用綜合平衡法選出最優(yōu)的組合條件為 A3B2C1D3，恰好是本次試驗的第 8號試驗，結(jié)果也是 9 個試驗中效果最好的。

6 結(jié)論

本文提出將正交試驗設(shè)計方法，應(yīng)用于 C60 混凝土配合比設(shè)計中，該方法較好地減少了試驗工作中的工作量，并得到所需要的試驗結(jié)論。本文將 C60 混凝土配合比設(shè)計中的因素歸納為：水膠比、砂率、摻合料用量和混凝土相對應(yīng)的容重，并在此基礎(chǔ)上，通過試驗結(jié)果得出了水膠比和砂率在混凝土配合比設(shè)計中占有較為重要的位置，是配合比設(shè)計中應(yīng)著重給予考慮的主要因素，而且通過設(shè)計試驗看出，容重也同樣在配合比設(shè)計中占有一席之地，它對混凝土的強度和坍落度的控制起到一定的影響，也應(yīng)該在設(shè)計中加以完善。同時在本次正交混凝土配合比的試驗過程中，也感受到影響混凝土配合比因素還有很多，需要從業(yè)者同仁們在今后的工作中，通過正交設(shè)計方法引用其它因素和水平，提高混凝土配合比設(shè)計的水平，適應(yīng)我國綠色、生態(tài)化建設(shè)工程的需要。

[1] 編寫組．正交試驗法[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1976.

[2] 高占彥．正交及回歸設(shè)計方法[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1988．

［通訊地址］山東省棗莊市市中區(qū)振興南路 79 號（277102）

李勇（1969—），男，工程師，檢測主任。