基于正交试验的双块式轨枕道床板配合比设计

2018-05-09章东方

江西建材 2018年5期

章东方

(中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司,上海市 200070)

当今混凝土不再简单是过去由水泥和水组成的水泥浆体包裹着起骨架作用的砂石,而是随社会发展和环境要求,添加一定掺量的外掺料和外加剂,从而在混凝土拌合物性能、力学性能、耐久性能等方面都有着优异的表现。在混凝土配合比设计选用多项原材料的时候,我们将所有原材料按照不同搭配来进行组合试验分析,其工作量无疑是非常大的。如何尽可能地减少试验次数的同时,获得最优的配合比组合呢？正交试验方法则为我们提供了一个可以优化试验设计和减少重复试验次数的工具,它具有均匀分散性、整齐可比性、简单操作等特点[1]。它首先分析影响配合比设计的主要因素,在每个因素中挑选几个水平数,选择合适的正交表进行表头设计,确定试验方案,分析试验数据,从而得出最优配比组合。

1 配合比用原材料

设计图纸明确了双块式轨枕道床板混凝土强度等级为C40,环境类别为碳化环境,其作用等级为T2,结构设计年限不小于60年。56d收缩率不超过400×10-6,56d电通量小于1500C。结合国内已建项目如武广、成渝和兰新客运专线双块式无砟轨道道床板经验总结,其混凝土配合比以减少混凝土的塑性变形、长期收缩变形、提高混凝土早期抗拉强度为目标,按照“低胶材、低用水量、低坍落度、高含气量”(三低一高)的原则来设计[2]。试验室初步采用水泥、粉煤灰、矿渣粉、细骨料、粗骨料、减水剂、引气剂和拌合用水等原材料,其检测指标如下：①水泥：芜湖海螺低碱水泥,P·O42.5,标准稠度用水量27.1%,比表面积346m2/kg,碱含量0.54%,烧失量2.61%,3d抗压强度24.6MPa,抗折强度5.3MPa,28d抗压强度47.0MPa,抗折强度8.2MPa；②粉煤灰：铜陵电厂,Ⅱ级灰,细度18.6%,烧失量3.14%,需水量比103%；③矿渣粉：安徽朱家桥水泥厂,S95,比表面积403m2/kg,烧失量1.74%,流动度比104%；④细骨料：泾县河砂,Ⅱ区中砂,细度模数2.7,含泥量1.1%；⑤粗骨料：南陵恒鑫,石灰岩,5～31.5mm连续级配碎石(5～16mm∶16～31.5mm=30%：70%)；⑥减水剂：四川柯帅KS-JS标准型聚羧酸高性能减水剂,减水率27%,含气量2.6%,28d抗压强度比150%；⑦引气剂：四川柯帅KS-AE引气剂,减水率8%,含气量6.7%；⑧拌合用水：南陵自来水。

2 影响因子和水平的选择

选取水胶比、粉煤灰掺量、矿渣粉掺量、砂率作为因子,每个因素选取3个不同水平。不考虑因子间交互作用,试验的总自由度f=(3-1)×4=8,选择正交试验表L9(34),可满足要求,见表1。

表1 配合比正交试验表

3 试验方案策划

方案中各配合比的减水剂掺量为胶凝材料总量的1.1%,引气剂掺量为减水剂用量的1.0%。单方混凝土用水量为144kg/m3。假定混凝土容重为2370kg/m3,结合表1采用重量法,分别计算出9组试验号对应的配合比,见表2。

表2 各组配合比原材料用量表

4 试验数据分析

高速铁路双块式轨枕道床板混凝土评价指标很多。本文拟关注现场施工指标1h坍落度损失值ΔSl和7d抗压强度f7,以及关注混凝土结构判定指标56d抗压强度f56、56d电通量Q56和56d收缩率ε56。因此,分别对9组配合比进行以上5个项目的检测,涉及到混凝土拌合物性能、力学性能和耐久性能等指标。其试验结果见表3。

表3 配合比试验结果

正交法数据分析方法一般有两种,分别是极差分析法和方差分析法。本文采用前者,即先计算因子A条件下某一水平i的所有检测结果之和Ki,再求出该水平i的平均值ki=Ki/m,依次计算出因子A其它各水平对应的k值。则因子A的极差RA等于k1到km之间的最大值与最小值的差值,其中m为水平数。计算的极差R愈大,说明对应因子的影响愈明显。如对1h坍落度损失值ΔSl这个指标效果计算考核,具体结果见下表4。

表4 ΔSl极差分析

从表4可以看出,RB>RA>(RC、RD)。其中,极差最大的是因子B,说明因子B(粉煤灰掺量)对ΔSl指标结果的作用影响非常显著。配合比设计和现场施工要求ΔSl越小越好,从各因子中选取k值最小的,即选择A2B1C1D2组合。

同理,依次对f7、f56、Q56、ε56的影响因子进行极差计算分析,其结果分别是：f7∶RA>RB>RD>RC,选择组合A1B1C1D1；f56∶RA>RC>(RB、RD),选择组合A1B2C3D2；Q56∶RA>RB>RD>RC,选择组合A1B3C3D2；ε56∶RB>RA>RD>RC,选择组合A2B3C2D1。

综合上述5个指标的极差分析,因子A中A1出现3次,因子B中B1和B3各出现2次,因子C中C1和C3各出现2次,因子D中D2出现3次。即理论最佳组合A1(B1或B3)(C1或C3)D2。考虑到大掺量的粉煤灰B3或矿渣粉C3虽然对混凝土的结构耐久性有利,但显著影响着混凝土坍落度损失值,特别是运输距离长的现场施工环境。故从施工的便利性上选取适量掺量的粉煤灰B1和矿渣粉C1,即组合A1B1C1D2,对应的指标分别为：水胶比0.36,粉煤灰掺量20%,矿渣粉掺量10%,砂率38%。

但实际施工中,我们选择组合A2B1C1D2,比较这两个组合A1B1C1D2和A2B1C1D2,可以看出：①ΔSl对现场施工的混凝土性能影响较大,ε56对轨枕道床板结构耐久性影响较大,且两个指标均对应着A2；②在同一用水量情况下,前者胶材用量为400kg/m3,后者用量为379kg/m3。显然后者更符合轨枕道床板配合比设计要求“低胶材”原则；③从经济性角度考量,前者单方混凝土经济成本为273.4元,后者仅为266.0元。后者比前者降低了7.4元。下表列举当地原材料价格和两者的单方混凝土成本,见表5。