不同因素交互作用下塑性混凝土性能的優化研究

杜 建，孫寧寧

(1.莒南縣水利局，山東 臨沂 276600；2.莒南縣水務發展集團有限公司，山東 臨沂 276600)

0 引 言

混凝土配合比設計及原材料組成對混凝土不同性能的影響很大，當配合比設計不合理或者原材料選取不當，結構會不同程度的出現裂縫問題，導致抗滲性能下降、抗壓強度嚴重不達標等質量問題，嚴重影響整體結構的穩定性及質量安全性。針對混凝土質量原因導致的問題；開展配合比重新設計驗證工作，委托材料種類、砂率、用水量、水膠比等重點因素重新設計驗證，通過測試抗壓強度、滲透系數、彈性模量及彈強比等關鍵指標，開展混凝土配合比設計工作[1]。

1 工程概況

2020年8月14日，黃河水利委員會黃河水利科學研究院受“山西省晉中市水利建筑工程總公司沁河重點河道治理工程施工05標項目部”委托，根據委托單位提供的水泥、膨潤土、黏土、砂、石子、減水劑等原材料，開展沁河重點段河道治理工程施工05標的混凝土配合比試驗，以保證混凝土強度、抗滲性及彈強比滿足設計要求，試驗時間為2020年8月15日-2020年9月30日。

2 試驗原材料

水泥采用P·O42.5級水泥，初凝時間156min，終凝時間271min，燒失量3.63%，3d抗壓強度24.0MPa，3d抗折強度5.1MPa，氧化鎂含量3.02%；試驗采用河砂，細度模數2.6-2.7，含泥量2.7%，碎石5-25mm連續級配，壓碎指標10%，含泥量0.6%；外加劑為聚羧酸減水劑，含氣量2.2%，減水率24.0%；水為飲用水[2]。

3 正交試驗設計

本次配合比采用正交試驗設計方式確定，試驗因素為水泥摻量、膨潤土摻量、砂率、水膠比4個因素，每種因素設計4個水平，共計16個試驗組合，通過極差和方差分析，確定每種因素的影響規律，得到最優配合比。水平因素表，見表1。

表1 水平因素表

根據水平因素表，L16(45)的正交設計表，見表2所示。

表2 L16(45)的正交設計表

4 混凝土配合比設計

水泥摻量初步確定為38%-50%，膨潤土摻量為18%-30%，砂率為53%-65%，水膠比為0.86-0.98。混凝土配合比，見表3。

表3 混凝土配合比

續表3 混凝土配合比

5 結果與討論

5.1 極差分析

通過計算發現影響抗壓強度最主要的因素為水泥摻量，其次為水膠比、砂率、膨潤土。水泥摻量影響極為顯著，試樣抗壓強度隨著水泥摻量的增加而增大；影響彈性模量最主要的因素為水泥摻量，其次為水膠比、砂率、膨潤土，水泥摻量影響較為顯著；影響彈強比最主要的因素為砂率，其次為水泥摻量、水膠比、膨潤土，砂率影響一般顯著；影響滲透系數最主要的因素為水膠比，其次為膨潤土、砂率、水泥摻量，水膠比影響相對顯著[3-4]。

5.2 方差分析

5.2.1 抗壓強度

根據試驗結果，按照正交試驗結果分析方法，分別對各試樣立方體抗壓強度進行方差分析。其中空列極差R，是作為試驗誤差的估算值。立方體抗壓強度多因素方差分析表，見表4，水泥摻量及水膠比影響極為顯著。

表4 立方體抗壓強度多因素方差分析表

5.2.2 彈性模量

按照正交試驗結果分析方法，分別對各試樣彈性模量進行方差分析。彈性模量多因素方差分析表，見表5，水泥摻量對彈性模量影響極為顯著。

表5 彈性模量多因素方差分析表

5.2.3 彈強比

按照正交試驗結果分析方法，分別對各試樣彈強比進行方差分析。彈強比多因素方差分析表，見表6，砂率對彈強比影響一般顯著。

表6 彈強比多因素方差分析表

續表6 彈強比多因素方差分析表

5.2.4 滲透系數

按照正交試驗結果分析方法，分別對各試樣滲透系數進行方差分析。滲透系數多因素方差分析表，見表7，水膠比對滲透系數影響相對顯著。

表7 滲透系數多因素方差分析表

6 結 論

1)根絕所提供的的原材料，通過混凝土的坍落度及擴展度測試，保證混凝土的和易性，用水量的合理范圍為260-280kg/m3，推薦用水量為270kg/m3。

2)根據滲透系數試驗結果及極差、方差分析，水膠比對滲透系數影響相對顯著，水膠比為0.86-0.90，膠凝材料質量>單方300kg，混凝土滲透系數較好地滿足<1×10-7cm/s的控制標準，推薦水膠比為0.86；根據立方體抗壓強度試驗結果及極差、方差分析，水泥摻量對抗壓強度影響極為顯著，為保證施工配制強度達到2.8-4.3MPa，混凝土的水泥摻量范圍為46-50%，推薦水泥用量為130-150kg/m3；根據彈性模量、彈強比結果及極差、方差分析，水泥摻量對彈性模量影響極為顯著，砂率、水泥摻量、水膠比對彈強比均有影響，本次彈強比測試均滿足要求，按照測試彈強比值450為標準，推薦砂率為53%-57%[5]。

3)通過正交優化試驗，得到最佳混凝土配合比，即水泥用量為145kg/m3，膨潤土用量為94kg/m3，黏土用量為75kg/m3，用水量為270kg/m3，砂子用量為864kg/m3，石子用量為652kg/m3，外加劑摻量為0.2%。