正交设计在聚丙烯混凝土配合比中的运用.pdf

第6 期 2 6 年6 月 广东土 木与 建筑 GU AN GD0NG ARC HI T E CT UR E C I VI L E NGI NE ER I N G N o 6 J U N 2 6 正交设计在聚丙烯混凝土配合比中的运用 黄昊 ( 1 、 广 东省高速公路有限公司 广 州5 1 0 1 0 0 ； 付 志 军 2 、 广东省建筑科学研究院 广州 5 1 0 5 0 0 ) 摘 要 ： 对聚丙烯纤维路 面混凝 土配合 比设 计方法进行研 究， 利用正交法根 据纤维混凝土 的特点对各材料 和参 数进行适 当调 整， 尽可能发挥 聚丙烯纤维的混凝 土改性作用 ， 并 最终确定最佳 配合 比。 关键词 ： 正交方法 ；聚丙烯纤维混凝土 ；弯拉 强度 目前国内外在聚丙烯纤维混凝土配合 比设计方 面尚未有公认的程式化方法 而大多是在经验和试 验基础上发展起来的定性配合 比设计方法。本文研 究提出的聚丙烯纤维混凝土配合比设计方法以普通 混凝土配合 比设计为基础 利用正交法根据纤维混 凝土的特点对各材料和参数进行适当调整 ， 以尽可 能发挥聚丙烯纤维对混凝土的改性作用 。 并最终确 定最佳配合 比。 1 路面混凝土配合比设计 1 1 设计理论 配合比设计和施工控制是影响水泥混凝土路面 质量的重要因素 ， 在原材料相 同的情况下， 若配合比 设计不合理或失控 就会造成路面磨损 、 断板等早期 破损现象。尤其是路面水泥混凝 土属承受 冲击 、 振 动 、 疲劳 、 磨损的动载结构 其控制技术指标为弯拉 强度 、 耐疲劳性 、 耐久性和工作性等 ， 因此其配合比 设计不 同于常规静载结构 。 技术指标和某些要求会 更为严格 ， 必须体现路面受力和使用特点。 考虑到路面混凝土主要以抗弯拉强度作为设计 指标 ， 其水灰 比通常采用经验公式来确定 。但从路 用性能角度 出发 路面混凝土需要重点考虑的因素 很多 ， 如强度 、 耐久性等， 不同工作环境 的混凝土对 耐久性的具体要求又不尽相 同， 需要分别考虑， 此外 还需兼顾体积稳定性 、 工作性( 不同施工方法对工作 性有明显不 同的要求 ) 及经济性等。由于 目前国内 聚丙烯纤维混凝土的研究 尚处 于试验阶段 。 各种材 料尚未有统一的技术指标 。 更无规范性 的配合比设 计方法 。 故要设计出能充分体现路用品质的纤维混 凝土具有一定的难度。 1 2 半经验半理论设计法 这是一种在普通混凝土配合 比设计基础上 ， 对 其中个别参数补充而延伸 出的设计方法 ， 路面混凝 土配合比设计应满足施工工作性 、 强度 ( 主要是抗折 强度 ) 、 耐久性 、 经济性等要求 ， 路面混凝土强度应按 道路交通 等级确定 ， 本文研究依托工程为广东省道 $ 3 5 8线一级公路 设计抗弯拉强度控制值为 5 MP a ， 在初步确定配合 比的基础上进行正交试验 ， 进而确 定纤维改性混凝土各组分的最佳配合 比。 2 配合比选择试验 2 1 试验原材料 水泥为罗浮山牌 4 2 5 R普通硅酸盐水泥， 经测试 各项技术指标合格， 其技术性能见表 1 ； 粉煤灰为广 东产 级粉煤灰 其质量指标符合 3 0 2 0 0 3 1 公 路水泥混凝土路面施工技术规范 的技术要求 ， 主要 物理性能见表 2 ： 粗集料为新淡线沿途石场的石料 ， 其级配见表 3 含泥量 0 6 ； 细集料为淡水河砂场 表 I 试 验 用水 泥 的主 要 性 能 项目 3 d 2 8 d 抗 折强度 ( M P a ) 抗 压强度 ( M I C a ) 细度 ( 筛余 ) ( ) 安定性 凝结时间 5 2 8 0 2 9 4 4 8 - 3 残剩l ： - gl= 1 6 合格 ， 雷 氏夹膨胀值 l m m 初凝 3 h 2 5 m i n ： 终凝 4 h 2 8 m i n 表 2 试验用粉煤灰的主要性能 21 维普资讯 2 O 0 6 年6 月 第6 期 黄 昊 等： 正交 设计在 聚丙烯混 凝土配 比中的 运用 J U N 2 0 0 6 N o 6 表 3粗 集料 筛 分 试 验 结 果 的中砂 ， 含泥量 1 3 ， 级配试验结果见表 4 ； 外掺剂 为广东产 F D N S P高效泵送减水剂 ：聚丙烯纤维采 用美国辅特维纤维 2 2 纤维混凝土配合 比组成与分析 为便于研究正交试验 根据经验确定水泥掺量 为3 6 0 k g m ， 纤维采用常用掺量0 9 k g m ， 粗集料 的级配则参考工地配比的级配， 粗 、 细集料用量采用 假定容重法计算。通过试算获得混凝土配合 比为 ： 水泥 、 水 、 砂子 、 石子 、 辅特维纤维用量分别 为 3 6 0 1 4 4 ， 6 2 3 ， 1 8 2 7 ， 0 9 k g m 。 试拌测得混凝土坍落度为 5 c m由此可知正交 试验中需掺加减水剂 以调整其工作性 使其符合滑 模摊铺施工要求 。根据以上配合比制作 3组试件以 检验抗折强度是否满足设计要求 ， 结果表明 7 d强度 分别为 3 7 8 ， 4 6 6 ， 4 5 0 MP a ， 平均值 4 - 3 1 MP a ； 2 8 d强 度分别为 5 9 2 ， 5 7 2 ， 5 8 9 MP a ，平均值 5 7 8 MP a ； 满 足路面混凝土配合 比设计的弯拉强度要求。 3纤维 混凝土正 交试 验 为了探讨纤维、 粗细骨料、 外加剂等掺量变化对 道路混凝土抗压 、 抗弯拉强度 的影响 研究中设计了 混凝土正交试验方案。参考纤维水泥混凝土试验的 经验资料 ， 正交试 表5 正交因素表 验 中水 泥混凝 土 的配比为 ： 水胶 比 0 4 粉煤 灰掺量 为 等 量 取 代 0 3 0 ， 减水剂掺量 为 0 3 0 5 采 用 的 正 交 试 验 水 平 因素见 表 5 。 22 注 )减水剂用量 为占水泥用量的比例。 表 4河 砂级 配试 验 结 果 表 6试 验 强 度 均值 分 析 u 2 3 1 9 2 2 8 2 2 1 9 2 2 3 4 8 注 ) 为第 f 列 水平 号 2 8 d ： 2 3 8 7 2 2 96 2 3 4 0 2 2 6 8 的 各 值 之 和 ； (s 抗 2 1 6 6 2 3 0 1 2 3 8 6 2 3 8 9 为第 列上水平号 I 出现 折 5 8 5 7 5 4 8 5 8 7 的次数) ， 为第 列因 强 6 2 6 0 6 0 6 0 索取 水 平 i 时 试 验结 果 度 6 0 5 7 5 9 5 7 的平均值； = r - l a x 一 5 4 5 8 6 0 6 0 mi n ； R ， 为第J列 极 R j 2 9 9 1 3 5 2 2 7 1 2 1 差或其所在因数的极差 。 根据正交 因素选择的特点设计 选用 L 1 6正交 试验表， 按照 J T J 0 5 3 9 4 公路工程水泥混凝土试验 规程 的试验方法 ， 获得正交试验水泥混凝土 2 8 d弯 拉强度结果 ， 见表 6 。 根据该结果对弯拉强度进行计 算 ， 求出各因素水平 j 、 相应的平均值 一 K一 +122 及每列的极差 R i 。 维普资讯 2 0 0 6 6 月 第6 期 广东 土木 与建筑 J U N 2 0 0 6 N o 6 4 各正交因素对混凝土弯拉强度的影响 由试验获得的图表( 略 ) 可知 ， 各正交因素对混 凝土 2 8 d抗折强度的影响顺序分别为 ： A粉煤灰 C 纤维 B砂率 D减水剂。 以下就各因素对混凝土 2 8 d 弯拉强度的影响分别进行分析 。 4 1 粉煤灰掺量 随着粉煤灰掺量 的增 大， 弯拉强度呈单峰状分 布， 先增大后减小 ， 说明掺人适 当取代率的粉煤灰 ， 它可与配 比中的水泥起火 山灰作用 ， 有利于提高混 凝土 2 8 d弯拉强度 但其取代率继续增 大至超过与 水泥二次反应的量时反而会使抗折强度有所降低。 4 2 砂率 它对弯拉强度 的影响呈波动状分布 ， 但仍能观 察 出各波峰的最高值 ， 当砂率为 3 4 ( B 2 ) 时 ， 抗折 强度平均值达 6 1 6 MP a 。 由J T G F 3 0 2 0 0 3 ( 公路水泥 混凝土路面施工技术规范 中砂率的范围选定可知 ， 砂率是按总表面积原理进行优选 的， 砂 的细度模数 与吸附法测得的比表面积成反线性关系 。 砂的粗细 还导致最佳砂率的不 同。对混凝土配比而言砂率总 是有着符合其工作性和强度 的最佳砂率 ， 选定砂率 与最佳值相差较大时就会 出现弯拉强度不稳定 、 抗 磨性不足 、 表面平整度不佳等问题。 4 3 纤 维 随着纤维掺量的增大。 抗折强度并未随之增大 ， 甚至在掺加 1 8 k g m ， 时还有小幅回落， 纤维的掺人 相当程度上影响了混凝土的弯拉强度 ， 但掺加辅特 维纤维能提高混凝土的弯拉强度 ， 这主要与这种纤 维的物理性质有关 其双纤维 系统在混凝土中形成 的网状加筋结构一定程度上增强了抗弯拉能力。 4 4 减水剂 掺人减水剂的主要 目的是压制高水灰 比对混凝 土抗磨性和抗滑构造带来的不 良影响 ， 保证配合 比 的施工工作性 。 但并非完全有利于弯拉强度的提高， 适量掺加减水剂有利于混凝土弯拉强度的提高。 考虑混凝土路面对 2 8 d弯拉强度的要求 ， 综合 权衡各正交 因素对混凝土力学性能的影 响。 最终选 定后期试验配 比中粉煤灰掺量 1 0 。 砂率 0 3 4 。由 于纤维为主要研究对象 ， 同时考虑到纤维掺量与力 学性能并 非完全 的线性关系 ，故选定 3个掺量即 0 9 ， 1 3 ， 1 8 k g m 3 作为后期试验研究的纤维掺量。 减 水剂并非影响混凝土力学性能的主要因素 ， 故后期 的减水剂掺量应以满足混凝土工作性为前提。 4结束 语 利用正交法对聚丙烯纤维混凝土配合比进行选 择优化 ， 可确定拟定的因素对强度影响的主次关系 ， 便于选择各 因素不同水平的最优组合。该过程大大 减少 了试验量 ， 节省 了大量 时间和资源并取得 了科 学合理 的结论。正交试验法对工程试验 的优势可总 结为以下几点： 完成试验要求所需的试验次数少； 数据点分布很均匀； 可用相应的极差分析、 方差 分析 、 回归分析等方法对试验结果进行分析 ， 从而引 出许多有价值的结论。 参考文献 1 程庆国主编 全 国第七届纤维水泥与纤维混凝 土学术会 议论文集 C 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 1 9 9 8 2 J T G F 3 0 2 0 0 3 公路水 泥混凝 土路 面施工技术规范 S 维普资讯