使用正交試驗法設計高性能混凝土配合比

魏大千

河南省公路工程局集團有限公司（450000）

高性能混凝土是以耐久性作為設計的主要指標,針對不同用途要求，保證混凝土的適用性和強度,并達到高耐久性、高工作性、高體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。高性能混凝土配制的特點是低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的磨細礦物摻合料和高性能外加劑，鋼纖維混凝土是其中的典型代表。鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維形成的一種新型多相復合材料。亂向分布的鋼纖維能有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展及宏觀裂縫的形成，顯著改善混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，大幅度提高混凝土的韌性，改變混凝土脆性易裂的破壞形態(tài)，在荷載、凍融等疲勞因素作用下，因其阻裂能力的提高，明顯延長了其使用壽命。

正交試驗設計(Orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的一種試驗設計方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟的試驗設計方法,正交試驗設計在很多領(lǐng)域的研究中已經(jīng)得到廣泛應用。在2009年的施工中，運用正交試驗法設計鋼纖維混凝土施工配合比,使橋面鋪裝采用的鋼纖維混凝土材料達到設計文件規(guī)定的控制標準:彎拉強度5.5 MPa，抗壓強度≥40MPa。

1 原材料

1）水泥:選用 “同力牌”P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

2）粗集料:按照規(guī)定粗集料粒徑不宜大于鋼纖維長度的2／3；一般為 5～20 mm。 經(jīng)篩分、計算，摻配比例為 4.75～9.5:9.5～19.0=45%：55%,其中針片狀含量 3.8%～5.4%、含泥量0.5%～0.6%、壓碎值 9.5%～11%。

3）細集料:選用河南信陽天然河砂，細度模數(shù)2.7，中砂Ⅱ區(qū)級配，含泥量1.0%～2.6%。

4）水:當?shù)厝诵箫嬘盟?/p>

5）鋼纖維:選用壓痕型鋼纖維，規(guī)格尺寸為RS03062/30-600，長徑比48.5，抗拉強度≥600 MPa。

6）外加劑:UNF-3型高效減水劑，減水率18%～25%，推薦摻量1%。

2 使用正交試驗法設計配合比

影響鋼纖維混凝土性能的因素較多。如混凝土的水灰比、水泥用量、粗集料的最大粒徑、砂率、鋼纖維的長徑比、外觀尺寸及表面形狀、體積率以及混凝土攪拌工藝和澆筑方法等。橋面鋪裝層鋼纖維混凝土配合比設計應滿足設計要求的抗壓強度、彎拉強度和施工要求的均勻性、和易性。根據(jù)工程的要求和材料現(xiàn)狀，經(jīng)過初步分析計算，擬選擇鋼纖維體積率pf、鋼纖維混凝土砂率及水灰比三項內(nèi)容作為正交設計試驗的影響因素，每個因素各制定3個水平，詳見表1。

表1 正交試驗設計的因素與水平表

根據(jù)表1，選擇L9(34)正交試驗設計表（見表2），即表示需作9次試驗,最多可觀察4個因素，每個因素均為3水平。

表2 L9(34)正交試驗設計表

3 試驗結(jié)果及分析

試驗采用60型單臥軸強制式混凝土拌合機,嚴格按照設計配合比計算、精確稱量。先將碎石、鋼纖維摻拌均勻，再加入砂、水泥干拌lmin，最后加入規(guī)定的水和外加劑濕拌2 min。

按照規(guī)范標準檢驗混合料的和易性、坍落度制作試件,靜置24 h后拆模進行標準養(yǎng)護(溫度20±2℃，濕度≥90%)。養(yǎng)護齡期為7 d和28 d。采用SYE—300型數(shù)顯式抗折試驗機、YE—32000數(shù)字液壓式壓力試驗機對試塊進行彎拉及抗壓破型試驗，采集試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果見表3。

對表3得出的試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析計算（詳見表4）。從中可以得出鋼纖維體積率、砂率及水灰比對鋼纖維混凝土的和易性、抗壓強度和彎拉強度指標的影響程度及各因素的最佳組合，為最終選擇施工配合比提供依據(jù)。

據(jù)表4的計算結(jié)果，從和易性分析，對鋼纖維混凝土坍落度影響的大小依次為水灰比、鋼纖維的體積摻率、混凝土砂率，即C3A1B1。水灰比是影響鋼纖維混凝土和易性最重要的因素。為了獲得更加適宜的和易性，需增加單位用水量及單位水泥用量。從抗壓強度分析，對鋼纖維混凝土抗壓強度影響的大小依次為水灰比、鋼纖維的體積摻率、混凝土砂率，其最佳組合為C1A2B1。水灰比也是影響鋼纖維混凝土抗壓強度的主要因素。從抗彎拉強度分析，對鋼纖維混凝土影響的大小依次為鋼纖維的體積摻率、水灰比、砂率，最佳組合為A3C1B2，鋼纖維的體積摻率是鋼纖維混凝土抗彎拉強度最主要的影響因素。試驗結(jié)果表明，由于鋼纖維的彈性模量高于混凝土的彈性模量,因而在鋼纖維摻入體積率≤2%時,鋼纖維混凝土的彎拉強度與鋼纖維摻入體積率正相關(guān)。

表3 試驗結(jié)果

表4 方差分析表

4 確定最佳配合比

采用綜合平衡法分析鋼纖維混凝土各組成材料用量對混凝土各項指標的影響.可以找出最佳配合比。

1）水灰比對抗壓強度和坍落度影響是最大的影響因素。取0.40時抗壓強度最好,但坍落度最低,取0.45時坍落度最大，但抗壓強度最低。綜合考慮抗壓強度、坍落度兩項指標，水灰比最后選取0.43。

2）砂率對三項指標的影響都不是最大的。砂率取40%時，對抗壓強度和坍落度來說，兩項指標均最好。而彎拉強度在砂率取45%時最高。綜合考慮，砂率取40%～45%的中值43%。

3）鋼纖維體積率是鋼纖維混凝土彎拉強度的最大影響因素。取1.5%時彎拉強度最好，當鋼纖維體積率取1.0%時，抗壓強度最大,坍落度和彎拉強度居中,3項指標值均滿足設計及施工要求。當鋼纖維體積率取0.5%時，抗壓強度、彎拉強度均為低值，但也基本滿足設計及施工要求，坍落度指標值最高。從降低成本、節(jié)約資金，同時保證工程質(zhì)量的角度來說，鋼纖維體積率取1.0%，即可滿足各方面指標要求。

通過各因素對3個指標影響的綜合分析,得出較合理的配合比試驗方案。即水灰比0.43、砂率43%、鋼纖維摻入體積率1.0%。結(jié)合工程設計、施工條件及材料的狀況，本著保證質(zhì)量，便于施工和經(jīng)濟合理的原則，經(jīng)過復驗，最后確定鋼纖維混凝土施工配合比（詳見表5）。

表5 鋼纖維混凝土施工配合比

5 結(jié)論

鋼纖維混凝土橋面鋪裝層比普通混凝土抗壓和彎拉強度、抗沖擊韌性、耐久性、抗疲勞等物理力學性能有較大幅度提高，并且早期強度高、耐磨性能好、施工方便、返修率低、減少維修成本，對后期營運、養(yǎng)護也非常有利。而使用正交試驗法設計鋼纖維混凝土配合比也是非常有效的方法，能夠在很多試驗方案中挑選代表性強的少數(shù)幾個試驗方案，并通過對少數(shù)試驗方案的結(jié)果進行分析，推斷出最優(yōu)方案，從而提高工作效率，降低工作成本。