正交法設(shè)計(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)中提出≥C60 強(qiáng)度值的混凝土為高強(qiáng)混凝土，而在實(shí)際生產(chǎn)中，C60 段以上混凝土設(shè)計(jì)多采用預(yù)估水膠比，往往缺乏實(shí)際的可操作性，并且沒有指出高強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)過程中明確影響混凝土強(qiáng)度各種原因及因素。本文采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，通過正確選擇影響因素，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中找出關(guān)鍵條件，使高強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)少走彎路，達(dá)到滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)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(xiàng)指標(biāo)，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(yàn)設(shè)計(jì)；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(shí)還應(yīng)注明外加劑的使用量。混凝土配合比設(shè)計(jì)的基本要求是滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級(jí)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(duì)混凝土耐久性的要求并達(dá)到符合經(jīng)濟(jì)性的原則。

1 設(shè)計(jì)原則因素分析

混凝土配合比首先要滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，而影響強(qiáng)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(hù)條件的影響。因此，混凝土配合比設(shè)計(jì)受材料內(nèi)因及環(huán)境外因的共同作用。其難點(diǎn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)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(hù)條件，這些因素在相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定，只要認(rèn)真完善并執(zhí)行也可以形成同一個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)，將誤差限定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。

因此，本文僅討論配合比計(jì)算中各材料間的相互比例而產(chǎn)生的一些參數(shù)，對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原理

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種解決多因素、多水平對(duì)比試驗(yàn)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(yàn)因素中挑選具有正交性質(zhì)的因素和水平指標(biāo)，通過均衡搭配組合，使用那些具有代表性、典型性的組合進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。涵蓋各個(gè)因素組合的情況，極大的減少了試驗(yàn)次數(shù)，用少而有代表性的試驗(yàn)反映出全面情況，提高了工作效率。

2.2 特點(diǎn)

（1）考察因素及水平合理，分布均勻。（2）不需要進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，誤差便可估算出來，且計(jì)算精度高。（3）可找出主要因素，便于進(jìn)一步試驗(yàn)。（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(jì)影響因素試驗(yàn)中，可利用正交表的優(yōu)點(diǎn)，大幅降低試驗(yàn)的數(shù)量并保證試驗(yàn)質(zhì)量。

2.3 應(yīng)用步驟

混凝土配合比設(shè)計(jì)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(jì)為分析對(duì)象，其應(yīng)用步驟如下：

（1）明確試驗(yàn)對(duì)象的目的，確定考核指標(biāo)。

（2）挑因素，選擇合適的正交表，選水平，制定水平表，確定試驗(yàn)方案。

（3）對(duì)使用結(jié)果進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法的混凝土配合比設(shè)計(jì)的影響因素分析。

本文選擇 C60 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)作為分析對(duì)象，該配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C60，坍落度為 (200±30)mm，無嚴(yán)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(jì)來借鑒。

3.1 原材料質(zhì)量及品種

（1）水泥：中聯(lián)，28d 抗壓強(qiáng)度為 50.9MPa。

（2）砂：天然河砂，2.7，Ⅱ級(jí)，含泥量 0.7%，泥塊含量 0.2%。

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

（4）粉煤灰：周縣，Ⅰ級(jí)，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(yàn)設(shè)計(jì)

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

表1　因素水平表

由于影響因素為四個(gè)，每個(gè)因素有三個(gè)水平，因此選擇L9(34)正交表，將進(jìn)行 9 次試驗(yàn)，試驗(yàn)計(jì)劃見表 2。

畫出趨勢(shì)圖，計(jì)算完極差后，對(duì)于定量性水平的因素，畫出強(qiáng)度和坍落度的關(guān)系圖，如圖 1、圖 2。

由于在同一坐標(biāo)值中不好表達(dá)，所以選擇用趨勢(shì)圖表示。從正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)后的方案結(jié)果中可以看出，試驗(yàn)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(duì)于每列因素，有各個(gè)水平的結(jié)果之和，其它因素各個(gè)水平出現(xiàn)次數(shù)量是相同的，保證了在各個(gè)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(yàn)中相應(yīng)作用的大小，極差大的因素說明它的三個(gè)水平對(duì)考核指標(biāo)所造成的差別大，通常是重要因素。本設(shè)計(jì)中因素的主次順序?qū)?qiáng)度為A>C>D>B，對(duì)坍落度來說順序?yàn)?B>A>C>D。上述關(guān)系也可以從趨勢(shì)圖中反映出來，對(duì)強(qiáng)度 A，因素圖形波動(dòng)最大，是主要因素。C 因素圖形波動(dòng)較小，是次要因素，而其它兩個(gè)因素的圖形波動(dòng)最小是第三和第四位的影響因素。經(jīng)過計(jì)算可得出較好的強(qiáng)度組合為 A3B3C1D3。

最佳坍落度的確定：通過直線觀察趨勢(shì)圖和計(jì)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(qiáng)度影響因素圖

圖2　坍落度影響因素趨勢(shì)圖

5 最佳配合比的確認(rèn)

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(yàn)的第 8號(hào)試驗(yàn)，結(jié)果也是 9 個(gè)試驗(yàn)中效果最好的。

6 結(jié)論

本文提出將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用于 C60 混凝土配合比設(shè)計(jì)中，該方法較好地減少了試驗(yàn)工作中的工作量，并得到所需要的試驗(yàn)結(jié)論。本文將 C60 混凝土配合比設(shè)計(jì)中的因素歸納為：水膠比、砂率、摻合料用量和混凝土相對(duì)應(yīng)的容重，并在此基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)結(jié)果得出了水膠比和砂率在混凝土配合比設(shè)計(jì)中占有較為重要的位置，是配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)著重給予考慮的主要因素，而且通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)看出，容重也同樣在配合比設(shè)計(jì)中占有一席之地，它對(duì)混凝土的強(qiáng)度和坍落度的控制起到一定的影響，也應(yīng)該在設(shè)計(jì)中加以完善。同時(shí)在本次正交混凝土配合比的試驗(yàn)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?cè)诮窈蟮墓ぷ髦校ㄟ^正交設(shè)計(jì)方法引用其它因素和水平，提高混凝土配合比設(shè)計(jì)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(yàn)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(jì)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(hào)（277102）

李勇（1969—），男，工程師，檢測(cè)主任。