基于正交設(shè)計(jì)原理泵送混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

摘 要：泵送混凝土由于具有輸送能力強(qiáng)，能連續(xù)作業(yè)，速度快等優(yōu)勢，被廣闊應(yīng)用于工程各領(lǐng)域。坍落度、含氣量和抗壓強(qiáng)度決定著泵送混凝土的工程應(yīng)用，其影響因素主要有：水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量。本文通過設(shè)置正交試驗(yàn)，以坍落度、含氣量和28d抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，采用極差和方差分析確定水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對指標(biāo)影響的顯著性順序；通過回歸分析得到指標(biāo)與水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量的定量關(guān)系。

關(guān)鍵詞：泵送混凝土；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)；坍落度；含氣量；抗壓強(qiáng)度

隨著我國經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的快速發(fā)展，泵送混凝土技術(shù)日益完善，泵送混凝土也被應(yīng)用到工程的各個(gè)領(lǐng)域，對加快我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)揮了重要的作用。泵送混凝土是指具有一定流動(dòng)性的混凝土在壓力泵的作用下，通過管帶輸送到建筑物模板中去的混凝土。泵送混凝土具有輸送能力強(qiáng)，能連續(xù)作業(yè)，速度快及費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。泵送混凝土既可以垂直和水平運(yùn)輸又可以布料桿澆筑，特別是在高層建筑和大體積混凝土建筑的施工中更能體現(xiàn)出其優(yōu)越性，已逐漸成為混凝土施工中的一個(gè)常用的品種。為了保證混凝土的泵送性能，要求混凝土具有一定的流動(dòng)性和良好的粘聚性，影響泵送混凝土可泵性的因素主要有：水灰比、細(xì)砂漿含量、骨料級配、外加劑摻量及粉煤灰摻量等因素。本文基于正交試驗(yàn)，主要研究水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對泵送混凝土坍落度、含氣量及抗壓強(qiáng)度的單獨(dú)影響和交互影響，確定各因素影響的顯著性大小關(guān)系，并初步建立了影響因素與指標(biāo)之間的定量關(guān)系，為泵送混凝土的研究及工程應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥，采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，主要性能見表1；

（2）砂，采用中砂，細(xì)度模數(shù)2.6；

（3）石子，采用卵石，粒徑5～20 mm；

（4）粉煤灰，采用電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰；

（5）泵送劑，采用PA泵送劑，主要性能見表2；

（6）水，拌制混凝土采用實(shí)驗(yàn)室自來水。

表1 水泥的主要性能

品種 細(xì)度/% 初凝時(shí)間/min 終凝時(shí)間/min 安定性 抗折強(qiáng)度/MPa 抗壓強(qiáng)度/MPa

P.O 42.5 0.8 252 336 合格 8.7 49.7

表2 PA泵送劑的主要性能

指標(biāo)名稱 減水率/% 坍落度增加值/% 常壓泌水率/% 含氣量/% 抗壓強(qiáng)度比/%

實(shí)測結(jié)果 16.5 12 85 2.3 96

規(guī)范要求 ≥12 ≥10 ≤100 ≤4.5 ≥85

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

泵送混凝土的性能主要取決于混凝土的水灰比、泵送劑摻量、粉煤灰摻量、細(xì)砂漿含量、骨料級配等因素。本試驗(yàn)通過設(shè)置正交試驗(yàn)，分析水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對泵送混凝土坍落度、含氣量以及抗壓強(qiáng)度的影響，確定各因素影響的顯著性大小，并初步建立影響因素與坍落度、含氣量和28d抗壓強(qiáng)度的定量關(guān)系。正交試驗(yàn)表見表3。

1.3 試件成型與養(yǎng)護(hù)

參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）成型試塊，并將試塊按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

選用水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量3個(gè)影響因素，每個(gè)因素設(shè)置了3個(gè)不同的水平，采用正交試驗(yàn)原理設(shè)置L9（34）正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 正交試驗(yàn)表

編號 水膠比A 粉煤灰摻量/%B 泵送劑摻量/%C 誤差列D 坍落度/cm 含氣量/% 28d抗壓強(qiáng)度/MPa

B1 0.50 （1） 35 （1） 3.0 （1） 1 24.5 3.0 30.1

B2 0.50 （1） 25 （2） 2.5 （2） 2 23.5 1.9 32.8

B3 0.50 （1） 15 （3） 2.0 （3） 3 22.0 1.6 33.4

B4 0.40 （2） 35 （1） 2.5 （2） 3 21.0 2.5 39.5

B5 0.40 （2） 25 （2） 2.0 （3） 1 19.5 1.6 44.3

B6 0.40 （2） 15 （3） 3.0 （1） 2 22.5 2.0 39.8

B7 0.35 （3） 35 （1） 2.0 （3） 2 18.0 1.5 49.2

B8 0.35 （3） 25 （2） 3.0 （1） 3 16.5 2.3 49.7

B9 0.35 （3） 15 （3） 2.5 （2） 1 15.5 1.8 47.1

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 各影響因素極差分析

通過極差分析，可以分清各因素及其交互作用的主次順序，分清哪個(gè)是主要因素，哪個(gè)是次要因素；可確定試驗(yàn)因素的優(yōu)水平和試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)組合；估計(jì)試驗(yàn)誤差的大小。根據(jù)極差 的大小，可以判斷各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次，進(jìn)而確定出試驗(yàn)的最優(yōu)組合。各因素對泵送混凝土坍落度、含氣量及28d抗壓強(qiáng)度極差分析見表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果極差分析表

指標(biāo) 因素 k1 k2 k3 k1/2 k2/2 k3/2 極差Rj 優(yōu)水平 主次順序

坍落度/cm 水膠比A 70.0 63.0 51.0 23.3 21.0 17.0 6.3 A1 ACB

粉煤灰摻量B 63.5 60.5 60.0 21.1 20.2 20.0 1.1 B1

泵送劑摻量C 64.5 60.0 59.5 21.5 20.0 19.7 1.8 C1

含氣量/% 水膠比A 6.5 6.1 5.6 2.2 2.0 1.9 0.3 A1 CBA

粉煤灰摻量B 7.0 5.8 5.4 2.3 1.9 1.8 0.5 B1

泵送劑摻量C 7.3 6.2 4.7 2.4 2.1 1.5 0.9 C1

28 d抗壓強(qiáng)度/MPa 水膠比A 96.3 123.6 146.0 32.1 41.2 48.7 16.6 A3 ABC

粉煤灰摻量B 118.8 126.8 120.3 39.6 42.3 40.1 2.7 B2

泵送劑摻量C 119.6 121.4 126.9 39.9 40.5 42.3 2.4 C3

由表4可知，對于泵送混凝土坍落度，RA>RC>RB，所以各因素坍落度影響的主次順序?yàn)椋核z比→泵送劑摻量→粉煤灰摻量，水膠比對坍落度影響最大，泵送劑摻量影響較小，粉煤灰摻量影響最小，試驗(yàn)最優(yōu)組合為A1C1B1，即水膠比取0.50，泵送劑摻量取3.0%，粉煤灰摻量取35%，；對于泵送混凝土含氣量，RC>RB>RA，所以各因素對含氣量影響的主次順序?yàn)椋罕盟蛣搅俊勖夯覔搅俊z比，泵送劑摻量對含氣量影響最大，粉煤灰摻量影響較小，水膠比最小，試驗(yàn)最優(yōu)組合為C1B1A1，即送劑摻量取3.0%，粉煤灰摻量取35%，水膠比取0.50；對于泵送混凝土28d抗壓強(qiáng)度，RA>RB>RC，所以各因素對28d 抗壓強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋核z比 粉煤灰摻量 泵送劑摻量，水膠比對28d 抗壓強(qiáng)度影響最大，粉煤灰摻量影響較小，泵送劑摻量影響最小，試驗(yàn)最優(yōu)組合為A3B2C3，即水膠比取0.35，粉煤灰摻量取25%，泵送劑摻量取2.0%。

2.2.2 各影響因素回歸分析

為了分析各因素對坍落度、含氣量和28d抗壓強(qiáng)度的影響，找出其與各因素的定量關(guān)系，進(jìn)行回歸分析。利用多元線性回歸建立坍落度、含氣量和28d抗壓強(qiáng)度與水膠比、粉煤灰摻量、泵送劑摻量的線性模型。

（1）各因素對坍落度的影響

由表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著水膠比的減小，泵送混凝土坍落度減小，水膠比由0.50減小到0.35，坍落度減小了27.0%；隨著粉煤灰摻量的降低，泵送混凝土坍落度略有減小，摻量由35%降低到15%，坍落度減小了5.2%；隨著泵送劑摻量的降低，泵送混凝土坍落度降低，摻量由3.0%降低到2.0%，坍落度減小了8.4%。

為直觀顯現(xiàn)各因素對泵送混凝土坍落度的影響，以坍落度值為縱坐標(biāo)，以各因素（即表中A、B、C）為橫坐標(biāo)，得到各因素與坍落度關(guān)系圖，如圖1。

圖1 各因素與坍落度關(guān)系圖

通過回歸分析，得到坍落度與各影響因素的三元一次線性回歸方程為：

（1）

式中：T—坍落度，cm；—水膠比；f—粉煤灰摻量，%；b—泵送劑摻量，%。

（2）各因素對含氣量的影響

由表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著水膠比的減小，泵送混凝土含氣量降低，水膠比由0.50減小到0.35，含氣量降低了13.6%；隨著粉煤灰摻量的降低，泵送混凝土含氣量降低，摻量由35%降低到15%，含氣量降低了21.7%；隨著泵送劑摻量的降低，泵送混凝土含氣量降低，摻量由3.0%降低到2.0%，含氣量降低了37.5%。

各因素與含氣量關(guān)系圖如圖2。

圖2 各影響因素與含氣量關(guān)系圖

通過回歸分析，得到含氣量與各影響因素的三元一次線性回歸方程為：

（2）

式中：H—含氣量，%。

（3）各因素對28d 抗壓強(qiáng)度的影響

由表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著水膠比的減小，泵送混凝土28d抗壓強(qiáng)度增大，水膠比由0.50減小到0.35，抗壓強(qiáng)度增大了51.7%；隨著粉煤灰摻量的降低，泵送混凝土28d抗壓強(qiáng)度略有提高，摻量由35%降低到15%，抗壓強(qiáng)度增大了6.8%；隨著泵送劑摻量的降低，泵送混凝土28d抗壓強(qiáng)度略有提高，摻量由3.0%降低到2.0%，抗壓強(qiáng)度增大了6.0%。各影響因素與28d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖3。

圖3 各影響因素與28d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

通過回歸分析，得到28d 抗壓強(qiáng)度與各影響因素三元一次線性回歸方程為：

（3）

式中：fck，28—泵送混凝土28d抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.2.3 各影響因素方差分析

為了進(jìn)一步分析各因素對坍落度、含氣量和28d抗壓強(qiáng)度影響的顯著性大小，各因素對泵送混凝土各性能進(jìn)行方差分析，方差分析見表5～表7。

表5 坍落度方差分析表

源 III 型平方和 df 均方 F Sig.

校正模型 75.000a 6 12.500 5.556 0.160

截距 3721.000 1 3721.000 1653.778 0.001

A 68.667 2 34.333 15.259 0.062

B 3.167 2 1.583 0.704 0.587

C 3.764 2 1.953 0.924 0.425

誤差 4.500 2 2.250

總計(jì) 3800.500 9

校正的總計(jì) 79.500 8

表6 含氣量方差分析表

源 III 型平方和 df 均方 F Sig.

校正模型 1.733a 6 0.289 2.600 0.304

截距 36.804 1 36.804 331.240 0.003

A 0.136 2 0.068 0.610 0.621

B 0.462 2 0.231 2.080 0.325

C 1.136 2 0.568 5.110 0.164

誤差 0.222 2 0.111

總計(jì) 38.760 9

校正的總計(jì) 1.956 8

表7 28d抗壓強(qiáng)度方差分析表

源 III 型平方和 df 均方 F Sig.

校正模型 437.247a 6 72.874 676.155 0.001

截距 14875.868 1 14875.868 138023.515 0.000

A 413.016 2 206.508 1916.052 0.001

B 12.056 2 6.028 55.928 0.018

C 12.176 2 6.088 56.485 0.013

誤差 0.216 2 0.108

總計(jì) 15313.330 9

校正的總計(jì) 437.462 8

顯著性檢驗(yàn)系數(shù)Sig.的大小表示對指標(biāo)影響的顯著性，Sig.越小，表示影響越顯著。通過表5中顯著性檢驗(yàn)系數(shù)Sig.的大小關(guān)系B >C>A，可以確定出水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對泵送混凝土坍落度影響的顯著性大小順序?yàn)椋核z比>泵送劑摻量>粉煤灰摻量；通過表6可以確定出水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對泵送混凝土含氣量影響的顯著性大小順序?yàn)椋罕盟蛣搅?gt;粉煤灰摻量>水膠比。通過表7可以確定出水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量對泵送混凝土28d抗壓強(qiáng)度影響的顯著性大小順序?yàn)椋核z比>粉煤灰摻量>泵送劑摻量。

3 結(jié)語

3.1 通過分析可以得出影響泵送混凝土坍落度的因素顯著性順序是水膠比 泵送劑摻量 粉煤灰摻量；影響含氣量的因素顯著性順序是泵送劑摻量 粉煤灰摻量 水膠比；影響28d抗壓強(qiáng)度的因素顯著性順序是水膠比 粉煤灰摻量 泵送劑摻量。

3.2 對于泵送混凝土坍落度，水膠比影響最大，水膠比由0.50減小到0.35，坍落度減小了27.0%；對于含氣量，泵送劑摻量影響最大，泵送劑摻量由3.0%降低到2.0%，含氣量降低了37.5%。對于28d抗壓強(qiáng)度，水膠比影響最大，水膠比由0.50減小到0.35，抗壓強(qiáng)度增大了51.7%。

3.3 通過回歸分析得到水膠比、粉煤灰摻量和泵送劑摻量與泵送混凝土坍落度、含氣量和28d抗壓強(qiáng)度之間如公式（1）（2）（3）的定量關(guān)系，為泵送混凝土的工程實(shí)際應(yīng)用提供了一定的參考。

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作者簡介：杜好偉（1976- ），男，工程師，研究方向：混凝土施工配合比。