基于正交试验法的混凝土性能影响因素分析

2022-04-14黎钢

湖南交通科技 2022年1期

黎钢

(湖南省路桥建设集团有限公司，湖南长沙 410004)

0 前言

随着高速公路快速发展，混凝土配合比的胶凝材料不再仅限于水泥，而是出现了多种掺和料，不同掺合料各有各的优点[1-4]，再加上高性能外加剂的广泛使用，使得混凝土工作性能的影响因素越来越多[5-6]，如何将各影响因素最大化利用以获得工作性能好、混凝土强度合格的混凝土配合比，对于工程施工意义重大。本文选择水胶比、砂率、外掺料掺量、外加剂掺量等4个对混凝土工作性能及强度影响较大的因素，每因素分3个水平，采用正交试验设计法设计配合比，以期取得最优配合比用于工程施工[7-9]。

1 试验方法

本次试验选用L9(34)正交表，以影响混凝土工作性能和强度的4个重要指标(水胶比、砂率、外掺料掺量、外加剂掺量)进行交叉试验，通过初始坍落度、60 min坍落度、3 d抗压强度、7 d抗压强度、28 d抗压强度极差分析，绘制出参数图表，从而确定最佳水胶比、最佳砂率、最佳外掺料掺量和最佳外加剂掺量，得出混合料的最佳配合比。L9(34)正交表可将27次试验简化为9次。

1.1 试验原材料

原材料选取：P·O42.5级水泥、自产碎石场二级级配碎石[m(5～10 mm)∶m(10～25 mm)=3∶7]、自产II区机制砂、S95级粒化高炉矿渣、聚羧酸高性能外加剂。

1.2 正交设计参数

本配合比选取水胶比、砂率、外掺料掺量、外加剂掺量4个因素，每个因素选取3个水平，选用L9(34)正交表进行配制，如表1所示。

表1 C50配合比正交法设计参数表配合比编号水胶比A砂率B/%矿粉掺量C/%减水剂掺量D/%ZJ-10.34(1)40(1)15(1)1.10(1)ZJ-20.34(1)42(2)20(2)1.20(2)ZJ-30.34(1)44(3)25(3)1.30(3)ZJ-40.36(2)40(1)20(2)1.30(3)ZJ-50.36(2)42(2)25(3)1.10(1)ZJ-60.36(2)44(3)15(1)1.20(2)ZJ-70.38(3)40(1)25(3)1.20(2)ZJ-80.38(3)42(2)15(1)1.30(3)ZJ-90.38(3)44(3)20(2)1.10(1)

1.3 正交材料用量

采用体积法计算各材料用量。各材料密度分别为：水泥3 100 kg/m3；机制砂表观密度2 758 kg/m3，碎石表观密度2 747 kg/m3，矿粉2 880 kg/m3，材料用量如表2所示。

1.4 正交配合比工作性能

考虑混凝土运距及现场实际施工情况，设计坍落度为160～200 mm。经实测，各配合比工作性能如表3所示。

表2 C50配合比正交法设计材料用量kg·m-3配合比编号CSG KW减水剂ZJ-14137381 106731625.34 ZJ-23887741 069971615.82 ZJ-33648121 0331211606.31 ZJ-43677481 122921605.96 ZJ-53447841 0831151615.04 ZJ-63908231 048691615.50 ZJ-73267551 1331091615.21 ZJ-83697951 098651605.64 ZJ-93478311 058871614.78

表3 正交配合比工作性能配合比编号水胶比砂率/%矿粉掺量/%减水剂掺量/%保水性黏聚性捣实ZJ-10.3438151.10优优优ZJ-20.3440201.20优优优ZJ-30.3442251.30优良好良好ZJ-40.3638201.30优良好良好ZJ-50.3640251.10优优良好ZJ-60.3642151.20优优优ZJ-70.3838251.20轻微差一般ZJ-80.3840151.30良好良好一般ZJ-90.3842201.10优优优

2 试验结果及分析

2.1 正交试验数据

2.1.1测定初始坍落度并进行极差分析

混凝土配合比试配后，测定初始坍落度如表4、表5所示。

表4 初始坍落度mmZJ-1ZJ-2ZJ-3ZJ-4ZJ-5ZJ-6ZJ-7ZJ-8ZJ-97012012016590190150200215

表5 极差分析评价指标水胶比砂率矿粉掺量减水剂掺量K1103.3 128.3 153.3 125.0 K2148.3 136.7 166.7 153.3 K3188.3 175.0 120.0 161.7 R85.0 46.7 46.7 36.7

由极差分析可以看出，水胶比对初始坍落度影响最大，最佳组合为A(3)+B(3)+C(2)+D(3)。

2.1.2测定60 min坍落度损失及极差分析

在标准环境下将混凝土静置60 min，测得60 min后的坍落度及计算坍落度损失率如表6、表7所示。

表6 60 min坍落度损失项目ZJ-1ZJ-2ZJ-3ZJ-4ZJ-5ZJ-6ZJ-7ZJ-8ZJ-960 min坍落度/mm60120751658515013016513560 min坍落度损失率0.1430.0000.3750.0000.0560.2110.1330.1750.372

表7 60 min坍落度损失极差分析评价指标水胶比砂率矿粉掺量减水剂掺量K10.173 0.092 0.176 0.190K20.089 0.077 0.124 0.115K30.227 0.319 0.188 0.183 R0.138 0.242 0.064 0.076

由极差分析可以看出，砂率对60 min坍落度损失影响最大，最佳组合为A(2)+B(2)+C(2)+D(2)。

2.1.3测定3 d抗压强度及极差分析

将混凝土配合比试件在标准条件下养护3 d，在规定时间内测得3 d抗压强度如表8、表9所示。

由极差分析可以看出，水胶比对3 d强度影响最大，最佳组合为A(1)+B(3)+C(2)+D(3)。

表8 3 d抗压强度MPaZJ-1ZJ-2ZJ-3ZJ-4ZJ-5ZJ-6ZJ-7ZJ-8ZJ-955.1 57.4 62.2 58.0 53.0 56.5 48.0 54.4 51.6

表9 3 d抗压强度极差分析评价指标水胶比砂率矿粉掺量减水剂掺量K158.2 53.7 55.3 53.2K255.8 54.9 55.7 54.0 K351.3 56.8 54.4 58.2 R6.9 3.1 1.3 5.0

2.1.4测定7 d抗压强度及极差分析

将混凝土配合比试件在标准条件下养护7 d，测得7 d抗压强度如表10、表11所示。

表10 7 d抗压强度MPaZJ-1ZJ-2ZJ-3ZJ-4ZJ-5ZJ-6ZJ-7ZJ-8ZJ-957.164.664.162.561.863.256.356.157.5

表11 7 d抗压强度极差分析评价指标水胶比砂率矿粉掺量减水剂掺量K161.9 58.6 58.8 58.8K262.5 60.8 61.5 61.4 K356.6 61.6 60.7 60.9 R5.9 3.0 2.7 2.6

由极差分析可以看出，水胶比对7 d强度影响最大，最佳组合为A(2)+B(3)+C(2)+D(2)。

2.1.5测定28 d抗压强度及极差分析

将混凝土配合比试件在标准养护条件下养护28 d，测得28 d抗压强度如表12、表13所示。

表12 28 d抗压强度MPaZJ-1ZJ-2ZJ-3ZJ-4ZJ-5ZJ-6ZJ-7ZJ-8ZJ-967.6 71.5 72.1 70.5 66.7 68.5 62.2 67.2 65.0

表13 28 d抗压强度极差分析评价指标水胶比砂率矿粉掺量减水剂掺量K170.4 66.8 67.8 66.4K268.6 68.5 69.0 67.4K364.8 68.5 67.0 69.9R5.6 1.8 2.0 3.5

由极差分析可以看出，水胶比对28 d强度影响最大，最佳组合为A(1)+B(3)+C(2)+D(3)。

2.2 最佳组合选取

根据对各影响因素对初始坍落度、60 min坍落度损失率、不同龄期强度的影响因素分析，以及《公路桥涵施工技术规范》 (JTG TF50—2011)高性能混凝土C50水胶比不大于0.36的相关要求，选取混凝土配合比中水胶比、砂率、掺和料掺量、外加剂掺量的最佳组合。

表14 最佳组合选取初始坍落度最佳组合A(3)+B(3)+C(2)+D(3)60 min坍落度损失最佳组合A(2)+B(2)+C(2)+D(2)3 d抗压强度最佳组合A(1)+B(3)+C(2)+D(3)7 d抗压强度最佳组合A(2)+B(3)+C(2)+D(2)28 d抗压强度最佳组合A(1)+B(3)+C(2)+D(3)最佳组合A(2)+B(3)+C(2)+D(3)

2.3 最佳配合比确定

根据上述组合，选取最佳水胶比为0.36、最佳砂率为44%、最佳掺和料掺量为20%、最佳外加剂掺量为1.3%。

根据试验及经验确定单位用水量为165 kg，采用体积法计算，最终确定基准配合比为mC∶mS∶mG∶mK∶mW∶m减水剂=367∶824∶1048∶92∶165∶5.958。经试验，实测容重为2 495 kg。经试配验证，5 d抗压强度为55.92 MPa，7 d抗压强度为60.71 MPa，28 d抗压强度为64.7 MPa，满足工作性能要求。