基于正交試驗(yàn)方法的裝配式小型水工建筑物混凝土配合比研究

劉建剛，張禮華

（1.常州市武進(jìn)區(qū)水利局，江蘇 武進(jìn) 213100 ；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

1 問題的提出

小型裝配式建筑物由于具有施工簡、工期短、資金少等方面的優(yōu)點(diǎn)，近年來在小型水利工程中得到越來越多的應(yīng)用。但同時(shí)，由于小型水工建筑物面廣量大，且一般地處偏遠(yuǎn)，交通不便，而采用傳統(tǒng)混凝土預(yù)制構(gòu)件存在笨重，運(yùn)輸、安裝不便等問題，依然在一定程度上制約了小型裝配式水工建筑物的推廣。因此，如何尋找一種強(qiáng)度滿足要求條件下，兼具質(zhì)量較輕特性的混凝土預(yù)制構(gòu)件材料，已成為下一步水利發(fā)展的緊迫問題之一。

正交試驗(yàn)方法由于具有“均衡搭配”和“綜合可比性”的特點(diǎn)[1]，多年來得到了極為廣泛的應(yīng)用。材料方面，由于玻璃纖維混凝土具有強(qiáng)度高、韌性大、抗沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)，在隧道、道路、房屋等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用，但目前針對該種材料混凝土的研究主要集中在抗拉、抗剪等力學(xué)性能等方面的研究[2-8]，尚少見到該建筑物應(yīng)用于水工建筑物中，且同時(shí)滿足輕質(zhì)、高強(qiáng)的目的?，F(xiàn)擬根據(jù)裝配式小型水工建筑物的要求，結(jié)合常規(guī)混凝土外摻劑粉煤灰、硅粉，利用正交設(shè)計(jì)方法，開發(fā)出一種適宜配合比的玻璃纖維混凝土，與傳統(tǒng)混凝土相比，滿足輕質(zhì)、高強(qiáng)的要求，以期為小型裝配式水工建筑物的發(fā)展和推廣提供助力。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

一般情況下，小型水工建筑物混凝土強(qiáng)度達(dá)到C25 即可滿足使用要求，特殊情況下需達(dá)到C30 以上。該項(xiàng)試驗(yàn)以C25 為控制指標(biāo)，在傳統(tǒng)混凝土建筑材料的基礎(chǔ)上，通過摻加適宜的耐堿玻璃纖維等外摻劑，使之與傳統(tǒng)混凝土相比，在滿足強(qiáng)度要求的前題下，容重降低10%以上，達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的要求。

2.2 材料選取

該項(xiàng)試驗(yàn)選用材料除包括傳統(tǒng)的混凝土材料外，主要有水泥、黃砂、石子等，還包括外摻劑粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維。

試驗(yàn)用水泥采用南京海螺水泥有限公司生產(chǎn)的海螺牌P·042.5 級普通硅酸鹽水泥，其比表面積≤300，總堿含量≤0.6，28 d 抗壓強(qiáng)度≥42.5。選用常州Ⅱ級粉煤灰，其主要性能為SiO2含量49.5%。硅粉購自常州航艇，其特性為SiO3含量0.41%，CaO 含量0.59%。耐堿玻璃纖維產(chǎn)自河南永興，密度2 700 g/cm3，長度16 mm，抗拉強(qiáng)度1 900 MPa。

對采用不同產(chǎn)地的產(chǎn)品，構(gòu)成材料各項(xiàng)性能可能不完全一致。

2.3 配合比設(shè)計(jì)

為減少試驗(yàn)次數(shù)，規(guī)劃采用正交試驗(yàn)方法，探尋不同外摻劑摻量對混凝土性能的影響。在前人研究的基礎(chǔ)上，確定此次試驗(yàn)粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%，硅粉摻量分別設(shè)定為3%、6%、9%，玻璃纖維摻量分別設(shè)定為1%、2%、3%。由此，構(gòu)造L9（34）型正交表，其因素及水平見表1 所列。

表1 因素與水平一覽表

根據(jù)上述因素和水平，可構(gòu)造正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見表2 列（1）~ 列（4）。

表2 正交表設(shè)計(jì)一覽表

根據(jù)上述正交表，制作混凝土試塊，試塊規(guī)格150 mm×150 mm×150 mm，每組試驗(yàn)制作三塊，總計(jì)27 塊，在恒溫恒氧養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期，測取每一試塊容重后，再進(jìn)行破壞荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)室中取每一組試塊的平均值作為該配合比條件下的試塊容重和強(qiáng)度。

同時(shí)，試驗(yàn)室中按水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.48∶3.63∶0.44 的比例，制備普通混凝土，在同樣條件下養(yǎng)護(hù)，以作對比分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對實(shí)驗(yàn)室試制的每一組試塊測算容重，并采用破壞荷載試驗(yàn)確定其強(qiáng)度，容重和強(qiáng)度平均結(jié)果見表2 列（5）~列（6）。由結(jié)果可知，每一組試塊強(qiáng)度均能滿足C25 強(qiáng)度要求。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 極差分析

3.2.1.1 極差分析

進(jìn)行極差分析的主要目的是：由于粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維均對混凝土強(qiáng)度和容重產(chǎn)生影響，通過極差分析，找出影響上述指標(biāo)的主要因素和次要因素；同時(shí)，分析粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維處于什么水平時(shí)，使混凝土達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的目的。極差分析見表3 所列。

表3 極差分析表

根據(jù)極差分析結(jié)果，試件強(qiáng)度- 因素變化、試件容重-因素變化趨勢見圖1、圖2 所示。

圖1 試件強(qiáng)度- 因素趨勢圖

對試件強(qiáng)度- 因素和試件容重-因素關(guān)系曲線進(jìn)行分析可知：

（1）隨著A 因素（粉煤灰）摻量的不斷加大，混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象，強(qiáng)度由水平1（10%）提升至水平2（20%）時(shí)，相應(yīng)強(qiáng)度提升2.5%，摻量進(jìn)一步提升至水平3（30%）時(shí)，相應(yīng)強(qiáng)度降低3.5%；但同時(shí)，其容重則隨摻量的不斷提升呈現(xiàn)不斷降低的趨勢，當(dāng)摻量由水平1（10%）經(jīng)水平2（20%）提升至水平3（30%）時(shí)，容重分別降低6.0%、7.0%。由于粉煤灰是用來代替水泥的，粉煤灰摻量的不斷增大，對保證混凝土強(qiáng)度不利。

圖2 試件容重- 因素趨勢圖

（2）隨著B 因素（硅粉）摻量的不斷加大，混凝土試件強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，當(dāng)摻量由水平1（3%）經(jīng)水平 2（6%）提升至水平 3（9%）時(shí)，強(qiáng)度先降低2.6%、再提升7.5%；而容重則呈現(xiàn)不斷降低的趨勢，當(dāng)摻量由水平 1（3%）經(jīng)水平 2（6%）至水平 3（9%）時(shí)，容重分別降低7%、22%。說明隨硅粉摻量的不斷加大，對強(qiáng)度的增加是有利的，且不低于2%。

（3）隨著C 因素（耐堿玻璃纖維）摻量的不斷增大，強(qiáng)度和容重均隨之減少，當(dāng)摻量由水平1（3%）經(jīng)水平2（6%）至水平3（9%）時(shí)，強(qiáng)度分別降低1.1%、1.0%；而容重則分別降低2.2%、4.0%。

3.2.1.2 成果

綜合上述極差分析成果，易知：

（1）對強(qiáng)度影響的主次次序是：C＞B＞A；對容重影響的主次次序是：A＞C＞B。

（2）對強(qiáng)度而言，最優(yōu)組合為A2B3C1（要求試塊強(qiáng)度越高越好）；對容重而言，最優(yōu)組合為A3B3C3（要求試塊容重越低越好）。

3.2.2 最優(yōu)配合比確定

以綜合平衡法確定最優(yōu)配合比。

根據(jù)極差分析成果，最優(yōu)強(qiáng)度組合和最優(yōu)容重組合并不一致，因此，尚需對極差結(jié)果進(jìn)一步分析，以找出最優(yōu)配合比，根據(jù)各因素影響主次次序，采用綜合平衡法確定最優(yōu)配合比。

以A（粉煤灰）因素為例，判斷過程如下：由極差分析表易知，A 因素對容重影響最大，而對強(qiáng)度影響最小。對強(qiáng)度而言，隨著摻量的增加，強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加、再減少的現(xiàn)象，因此，A2方案為最優(yōu)選擇。而對于容重而言，呈現(xiàn)摻量越大容重越低的現(xiàn)象，因此，A3為最優(yōu)選擇。為便于比較A2、A3對優(yōu)選結(jié)果的影響，分別以 A2、A3為基準(zhǔn)，在權(quán)重 1∶1，即強(qiáng)度、容重同等重要條件下，判斷A 因素不同摻量時(shí)相對變化幅度，以此確定A 因素最優(yōu)摻量，見表4 所列。

表4 A 因素不同摻量相對變化幅度一覽表

由表4 分析可知，以A2為基準(zhǔn)，摻量A3相對于A2，試件強(qiáng)度減少3.5%（不利），容重減少7.5%（有利）；以A3為基準(zhǔn)，摻量A2相對于A3，強(qiáng)度增加3.7%（有利），但容重增加達(dá)8.1%（不利）。因此，綜合上述分析，A 因素宜選擇A2。

同理，可確定 B 因素（硅粉）、C 因素（耐堿玻璃纖維）最優(yōu)選擇分別為B3、C1，則此試驗(yàn)最優(yōu)配合比為A2B3C1。

根據(jù)上述最優(yōu)配合比，其最優(yōu)試驗(yàn)剛好為第6號試驗(yàn)，即粉煤灰摻量20%、硅粉摻量9%、耐堿玻璃纖維摻量1%時(shí)，可取得較好的強(qiáng)度和容重，其試驗(yàn)結(jié)果為：強(qiáng)度30.5 MPa，容重2 015 kg/cm3。其與普通混凝土（水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.48∶3.63∶0.44）性能比較結(jié)果見表5 所列。

表5 與普通混凝土性能比較表

由表5 可知，與傳統(tǒng)C25 混凝土相比，通過上述優(yōu)選比例添加粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維等，可使混凝土強(qiáng)度提升15.1%，容重減少15.3%，達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的目的。

4 結(jié) 語

（1）在傳統(tǒng)混凝土建筑材料基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)方法，確定粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維等外摻劑的優(yōu)化配合比，在保證混凝土抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，能夠有效降低混凝土容重，從而為裝配式水工建筑物的實(shí)施提供了保障。

（2）在試驗(yàn)中，采用指定產(chǎn)地的產(chǎn)品材料，水泥采用的是南京海螺水泥有限公司生產(chǎn)的海螺牌P·042.5 級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用常州Ⅱ級粉煤灰，硅粉購自常州航艇，耐堿玻璃纖維產(chǎn)自河南永興，由于不同產(chǎn)地產(chǎn)品，其性質(zhì)并不一定相同，甚至差異很大，因而具體推廣應(yīng)用時(shí)，應(yīng)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步調(diào)整適宜的配合比。

（3）優(yōu)選結(jié)果假定混凝土試塊的強(qiáng)度、容重對試驗(yàn)結(jié)果的影響重要性比值為1∶1，如改變兩者的重要性比值，則相應(yīng)結(jié)果可能隨之改變。

（4）通過綜合平衡法確定最優(yōu)配合比，其最優(yōu)結(jié)果剛好為6 號試驗(yàn)，但往往大量工程試驗(yàn)中最優(yōu)配合比并不一定剛好位于已發(fā)生試驗(yàn)中。此時(shí)，尚需根據(jù)所分析的最優(yōu)配合比結(jié)果重新試驗(yàn)，并與已知試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，進(jìn)一步判斷優(yōu)化結(jié)果的合理性。