正交試驗法在蕭山機場道面混凝土配合比設計中的應用

徐向成

（民航機場建設工程有限公司）

0 前言

配合比設計作為機場道面混凝土施工最重要的一個環節，其科學性、合理性以及經濟性將直接影響水泥混凝土的施工質量和造價[1]。以蕭山國際機場三期飛行區場道工程項目為背景，結合正交試驗法對其設計彎拉強度為5.0MPa的道面混凝土進行配合比設計，并驗證其可行性。

1 項目概況

道面采用水泥混凝土結構，具體參數為：新建道面水泥混凝土面層不低于5.0MPa。水泥混凝土道面分塊的基本尺寸選用5.0m×4.5m、5.0m×4.0m、4.5m×4.5m以及4.5m×4.0m等，厚度分為40mm、28～40mm、28mm三種?；炷良夹g指標要求見表1。

表1 混凝土設計指標要求

2 原材料選擇及檢測結果

2.1 水泥

依據民航規范要求，可選用旋窯生產的P·R水泥、P·I、P·II水泥或P·O水泥，但具有早強性能的水泥不應使用。

膠凝材料選用安徽海螺水泥股份有限公司寧國水泥廠生產的P·Ⅱ52.5級硅酸鹽水泥，其物理力學性能檢測結果和化學分析檢測結果均及格。

2.2 細集料

細集料應耐久、潔凈、質地堅硬，細度模數宜在2.6～3.2區間。細集料采用九江貿通供應鏈管理有限公司供應的黃砂。經檢測砂的級配良好、細度模數適中，級配在中砂(Ⅱ區）范圍之內，細度模數為2.8。依照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）進行試驗，試驗結果均及格。

2.3 粗集料

粗集料可采用碎石或破碎卵石，其母材強度需滿足規范要求，且破碎后應具有耐久、耐磨、潔凈等特點。

粗集料采用九江市玉巖礦業有限公司生產的4.75～9.5mm、9.5～19.0mm、16.0～31.5mm三種規格的合成級配碎石。通過試驗確定摻配比例為20%∶30%∶50%。依照《公路工程集料試驗規程》進行試驗，試驗結果均合格，滿足《民用機場飛行區場道工程質量檢驗評定標準》（MH 5007-2017）、《民用機場水泥混凝土面層施工技術規范（第一修訂案）》（MH 5006-2015）粗集料的技術指標要求。

2.4 外加劑

水泥混凝土外加劑的品種及含量應根據施工條件和使用要求，并通過水泥混凝土配合比試驗選用。

外加劑采用山西赫爾特建筑工程有限公司生產的緩凝型高效減水劑。通過試驗及廠家推薦摻量確定摻量為水泥用量的2.0%。依照《混凝土外加劑》（GB 8076-20 08）進行試驗，試驗結果均合格，滿足MH 5007-2017、MH 5006-2015中外加劑的技術指標要求。

2.5 水

符合現行《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）的飲用水，可作為拌和水泥混凝土、沖洗集料及養生用水。

混凝土拌和用水選用機場自來水。依照《混凝土用水標準（附條文說明）》（JGJ 63-2006）進行試驗，試驗結果均合格。

3 混凝土配合比計算

3.1 配制強度

依照民航規范要求，混凝土的配制強度應增加10%～15%（即乘1.10～1.15）。依照設計文件要求，本工程道面水泥混凝土設計強度fr≥5.0。

3.2 確定水泥用量

根據民航相關規定：每立方米混凝土中水泥用量應≥310kg/m3。有抗凍要求的地區，采用的水泥強度等級為42.5時，每立方米混凝土中水泥用量應≥330kg/m3；采用的水泥強度等級為52.5時，每立方米混凝土中水泥用量應≥320kg/m3。

由于本次配合比選擇的水泥強度等級為52.5，本次試配選擇320kg/m3、325kg/m3、330kg/m3水泥用量進行試配。

3.3 確定水灰比

道面混凝土的28d設計彎拉強度要求應≥5.0MPa，根據MH 5006-2015第4.1.6 條規定，混凝土的水灰（膠）比應符合表2的規定。水灰（膠）比決定混凝土強度及耐久性，水灰（膠）比的大小直接影響混凝土強度的大小。

表2 水泥混凝土最大水灰（膠）比

本次試配水灰比選擇0.39、0.40、0.41。

3.4 確定砂率

采用合適的砂率，在其他條件不變的情況下可以使混凝土拌合物具有優秀的工作性能，且抗折強度最佳。影響砂率的因素很多，包括粗細集料的產地、粒徑大小、級配以及水灰比和施工要求的性能等。本次試驗根據民航規范要求，結合現場實際施工經驗，選用中粗砂，砂率選擇29%、30%、31%。

3.5 確定配合比參數

根據上面分析的機場場道混凝土面層的諸多技術要求和配合比設計要點來看，主要影響參數為水灰比、水泥用量和砂率。為了分析各個參數對混凝土強度的影響，本次按照L9（34）正交表設計配合比試驗。選擇的因素及各因素的水平見表3。

表3 正交試驗因素和水平明細

所得的試驗計劃表見表4。

表4 正交試驗計劃

3.6 確定適配配合比

采用絕對體積法，經試驗測定碎石表觀密度為2.655kg/m3，砂表觀密度為2.604kg/m3，水泥密度為3.12kg/m3；以C0、W0、S0、G0分別表示1m3混凝土中水泥、水、砂、碎石的用量（kg），以ρc、ρw、ρs、ρg分別表示水泥、水的密度和砂、碎石的表觀密度（g/cm3），10α表示混凝土中空氣體積，則：

C0/ρc+W0/ρw+S0/ρs+G0/ρg+10α=1

式中：α為混凝土含氣量，%，在不使用引氣型外加劑時可取1。

另：砂率=Sp=S0/（S0+G0）×100%。

根據上述公式計算配合比見表5。

表5 試驗配合比 （㎏/m3）

根據計算所得的配合比進行了試配，每組分別成型7d和28d試件各一組。在規定的齡期檢測了相應的強度。并且為了研究各因素對混凝土強度的影響大小，對數據進行方差分析，以得出各因子水平變化引起的結果變化的顯著性。具體計算結果見表6。

表6 方差分析

4 試驗結論

通過方差分析表可以看出，因子C的作用不顯著，即砂率是影響混凝土抗折強度的次要因素，考慮到施工的和易性，選擇砂率31%，即C3。另外可以看出因子B的作用顯著，因子A的作用比較顯著，即影響混凝土彎拉強度的最主要因素為水灰比，其次為水泥用量。從統計表可以看出K13＞K12＞K11，K21＞K22＞K23。所以最優的選擇為A3B1C3。即水泥用量330㎏/m3，水灰比為0.39，砂率31%，但因為機場混凝土為干硬性混凝土，考慮到現場施工的和易性及經濟性，參考強度檢測結果，本次道面混凝土配合比選擇組合A2B2C3，即水泥用量325㎏/m3，水灰比為0.40，砂率31%。

按照上述選定的配比，再次成型20組（10組測量7d強度、10組測量28d強度）試件，并在對應齡期測定其抗彎拉強度，得出選定的配比其28d強度可以穩定滿足設計要求。故本次選定道面混凝土配合比為組合A2B2C3，即水泥用量325kg/m3，水灰比為0.40，砂率31%。具體數據見表7。

表7 試驗室理論配合比

5 結束語

通過正交試驗法設計的該道面配合比強度性能可以滿足項目要求。后續將結合現場實際施工進一步驗證其工作性能，為后續機場道面混凝土配比設計提供經驗。