采用Design—Expert软件优化透水混凝土配合比设计.pdf

轩 建巍 全 国 中 文 核 心 期 刊 采用 D e s i g n — E x p e r t 软件优化 透水混凝土配合比设计 徐仁崇 ， 刘君秀 ， 曾冲盛 ， 蔡振哲 ( 1 ． 厦门市建筑科学研究 院集 团股份有 限公 司， 福建 厦 门3 6 1 0 0 4 ； 2 ． 厦 门天润锦龙建材有 限公司 ， 福建厦门3 6 1 0 0 9 ) 摘要 ： 采用D e s i g n - E x p e r t 7 ．0 软件对透水混凝士配合比进行了方案设计和试验结果分析。 结果表明， 在成型方式相同的情况下， 水 泥用量、骨料级配和粒 径是影响透水混凝土 透水性和抗雎 强度 的主要因素，而水灰 比对 多孔透 水混凝土 的性 能影响较小 ；使用 D e s i g n — E x p e r t 7 ．0 软件可以 有效的分析不同因素对透水混凝土性能的影响， 通过数据分析建立模型， 可以 得到透水混凝土的优化配合比。 关键词 ： D e s i g n ～ E x p e ~7 ． 0 ； 透水混凝土： 配合比； 优化 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 6 2 。 T P 3 9 1 ． 7 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 — 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 0 7 — 0 0 1 7 — 0 4 Opt i mal de s i g n o f p e rv i ous c o nc r e t e pr o por t i o n us i n g De s i g n— - Exp e r t s o f t wa r e XU R e n c h o n ~， L I U J u n x i u ， Z E N G C h o n g s h e ， C A I Z h e n z h e ( 1 ． X i a me n Ac a d e my o f B u i l d i n g R e s e a r c h G r o u p C o ． L t d ． ， X i a me n 3 6 1 0 0 4 ， F u j i a n ， C h i n a ： 2 ． X i a me n T i a n mn J i n l o n g B u i l d i n g Ma t e r i a l C o ．L t d ． ， Xi a me n 3 6 1 0 0 9 ， F u j i a n ， C h i n a ) 随着混凝土生产技术不断进步，人们不仅利用混凝土的 结构性能， 也在逐渐追求其功能性、 生态性和智能性等。透水 混凝土是目 前国内外开发应用的生态功能混凝土的重要品种 之一， 与普通混凝土相比， 它具有连续孔隙及高透水性。透水 路面既能增大城市地面的透水、 透气性， 调节城市空气的温湿 度、 维持地下土壤的水位， 又可以吸收噪声， 对调节城市气候、 保持生态平衡具有良好效果『 j1 。目前国内还没有统一合理的 透水混凝土配合比设计方法， 一般情况下， 透水混凝土的主要 性能指标是透水系数和抗压强度，而影响透水混凝土性能的 因素较多， 且许多因素相互关联【 z - 引 。 本文采用D e s i g n — E x p e ~ 7 ． 0 软件对透水混凝土的配合比进行优化设计， 同时分析各因 素对透水混凝土性能的影响。 D e s i g n — E x p e r t 7 ． 0 是由美国S t a r — E a s e公司开发、 可以应 用于各类多因素试验设计和分析的试验设计软件系统，可以 对试验数据进行统计分析、 曲线拟合， 还可以建立数学模型， 预测试验结果， 进一步得到试验最优化配方。 透水混凝土的配 合比设计不同于以强度为目标的普通混凝土配合比设计， 因 此要得到满足设计需求的透水混凝土配合比需要进行大量的 基金项 目： 厦门市科技计划资助项 目( 3 5 0 2 Z 2 0 1 0 0 0 4 4 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 9 — 1 2 — 2 8 ； 修订 日期 ： 2 0 1 0 — 0 2 — 2 3 作者简介 ： 徐仁 崇， 男， 1 9 8 2年生 ， 山东威海 人 ， 助理工 程师 ， 硕 士 ， 主 要从事高性能混凝土的性能研究与应用工作 。 地址： 厦 门市湖滨南路 6 2号， 电话： 0 5 9 2 — 2 2 7 3 7 0 6 ， E — ma i l ： z x 2 9 3 1 @1 6 3 ． t o m。 探索试验。而采用 D e s i g n — E x p e a 7 ． 0 软件设计方法， 可以合 理的安排试验设计， 减少试验次数， 并可以根据试验结果分析 现有因素对测试结果的影响， 进而建立数学模型， 通过预测结 果， 得到现有试验条件下的最优化配合比方案。 1 试验 1 ． 1 原材料 水泥： 4 2 ． 5 级普通硅酸盐水泥， 福建三德水泥股份有限公 司产； 碎石： 采用粒径分别为5 ～ 1 0 m m 、 5 ～ 2 0 m m和 1 0 ～ 2 0 fi l m 的3 种花岗 岩碎石， 厦门海沧顺信建材厂产， 表观密度为2 6 5 0 k g ／ m ，紧密堆积密度分别为1 4 5 0 、 1 5 3 0 和 1 5 2 0 k g ／ m ；减水 剂： 福建科之杰新材料有限公司生产的P o i n t 一 4 0 0 S 聚羧酸缓 凝高效减水剂， 掺量为1 ． 5 ％， 减水率为2 4 ％； 水： 自来水。 1 ． 2 试验方法 1 ． 2 ． 1 试 样 制备 工艺 透水混凝土采用以下的制备工艺：①在卧式搅拌机中将 石子与5 0 ％的水预拌3 0 S ， 然后倒入水泥， 继续搅拌6 0 S ， 最 后加入剩下5 0 ％的水和减水剂，搅拌6 0 S ，整个搅拌过程共 1 5 0 S ：②将混凝土装入 1 5 0 m m x l 5 0 m m x l 5 0 m m的试模， 在 振动台上振动6 — 8 s ， 然后用q b 4 0 m m的铁棒“ 滚压” 成型面直 至平整，最后再振动2 3 s ；③试模放入标准养护室养护2 d 后拆模， 试件继续在标准养护室养护至龄期。 1 ． 2 ． 2孔 隙率 的测 定 将试件在水中浸泡2 4 h 后在水中测试试件的质量m ． ， NE W BUI L Dl NG M ATE RI AL S 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐仁崇， 等： 采用 D e s i g n — E x p e ~软件优化透水混凝土配合比设计 然后将试件风干 2 4 h 后测其质量m ， 根据公式( 1 ) 计算混凝 土的孔隙率E ， 为试件体积。 E ： l 1 一 l 1 0 0 ％ ( 1 ) 【 J 1 ． 2 - 3 抗压 强度 的测试 透水混凝土的抗压强度按G B J 8 1 —8 5 《 普通混凝土力学 性能试验方法》 进行测试。 1 ． 2 ． 4透 水 系数 的测试 采用“ 固定水位高度法” 州 测试透水混凝土的透水系数。 先将被测试块4 个侧面用净浆密封， 使成型面作为测试表面， 测试透水仪中水位由1 8 0 m m降至0 时( h = 1 8 0 m m ) 所用时间 t ， 透水系数v = h ／ t 。 1 ． 3 试验设计 影响透水混凝土强度及透水性能的主要因素有水泥用 量、 石子粒径及级配、 水灰比和成型密实方法等[5 1 。在前期探 索性试验基础上，本试验采用 D e s i g n — E x p e r t 7 ． 0软件中的 T a g u c h i 程序， 选择水泥用量、 石子级配和水灰比作为影响因 素进行正交试验， 表 1 为正交试验的因素和水平表。 表 1 试 验影响因素及水平 2 试验结果及分析 2 ． 1 试验结果 根据试验设计的因素和水平，进行透水混凝土的配合比 设计，并测试透水混凝土的孔隙率、 2 8 d 抗压强度和透水系 数， 配合比 及试验结果见表2 。 表 2 试验配合比及试验结果 1 8 新型建筑材料 2 0 1 0 ． 7 2 ． 2 各因素对透水混凝土性能的影响 通过D e s i g n — E x p e rt 7 ．0软件分析各因素对透水混凝土 透水系数及2 8 d 抗压强度的影响， 结果见表3 。 表 3 试验结果方差分析 2 ． 2 ． 1 水 泥用量 的影响 从表3 可以看出， 水泥用量对透水混凝土透水系数和2 8 d 抗压强度的影响都最大，图l 为水泥用量对透水系数及2 8 d 抗压强度的影响趋势。 莹 憩 螺 器 水泥用量／ ( k g ／ 1113 ) ( a ) 水 用 量 ／( k g ／ ta 。 ) ( b ) 图 1 水泥用量对透水混凝土性能的影响 由图1 可以看出， 随着水泥用量的增加， 透水混凝土的透 水系数逐渐降低， 但2 8 d 抗压强度却逐渐提高。这是因为透 水混凝土的强度受水泥浆体的粘结强度及粘结面积影响较 大， 随着水泥用量增加， 混凝土内部骨料间的粘结面积及粘结 点数量增加， 透水混凝土的强度自 然提高； 但是水泥用量的增 加， 会造成混凝土内部骨料间原本连通的孔隙数量减少、 孔径 变小，甚至堵塞孔隙，从而导致透水混凝土中的透水通道减 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐仁崇， 等： 采用 D e s i g n — E x p e r t 软件优化透水混凝土配合 比设计 少， 加之水泥浆体具有一定的流动性， 水泥用量的增加将使混 凝土孔隙被堵塞的几率增大， 因此， 透水混凝土的透水系数随 水泥用量的增加下降明显。 2 ． 2 ． 2 水 灰 比的影 响 在本试验中 水灰比在0 ． 2 7 — 0 ． 3 3 时， 水灰比对透水混凝 士的透水系数和 2 8 d 抗压强度影响较小。 图2为水灰比对透 水混凝土性能的影响。 ∞ 疆 怨 2 3． O0 l O． 0O - _ - 。 ’ 。一- -一_- 一，- -， 一一一一一一 一 - - 一 ● 0 ． 3 0 水灰比 ( a ) 0 ． 3 O 0 ． 3 3 水灰 比 ( b ) 图 2 水灰 比对透水混凝土性能的影响 由图2 可见， 水灰比在0 ． 2 7 和0 ． 3 3时， 透水混凝土的透水 系数和2 8 d 抗压强度较为接近， 而水灰比为0 ． 3 0时， 透水混 凝土的透水系数略有降低， 但 2 8 d 抗压强度却略有提高。 与普通混凝土中水灰比决定混凝土的抗压强度不同， 透 水混凝十是一种多孔材料， 在水泥强度等级相同的条件下， 混 凝土的孑 L 隙率及水泥浆体对骨料包裹的均匀程度是决定透水 混凝土抗压强度的主要冈素。在制备透水混凝_十时存在一个 最佳水灰比， 此时水泥浆体能够均匀地包裹在骨料表面； 当水 灰比增大时， 水泥浆体流动性增加， 在成犁时容易造成浆体堆 积； 反之， 当水灰比降低时， 浆体干硬， 容易结团， 致使浆体不 能充分包裹骨料。 可见， 过大或过小的水灰比会导致透水混凝 土中浆体分布不均匀 不仅降低了抗压强度， 同时造成混凝土 内部孔隙堵塞， 透水性也降低。 本试验中， 当水灰比在0 ． 2 7 0 ． 3 3 时， 水泥浆体皆能较好 地包裹骨料， 因此孔隙率对透水混凝土的强度影响较大， 孔隙 率大的透水混凝十透水性较好， 但是抗压强度却较低， 两者成 反比关系。 2 ． 2 ． 3 石 子级 配 的影响 ( 见图3 ) 鱼 黧 器 8 ． 1 5 5 80 3． 45 1 ． 10 [ L ： ： 二 5 ～ 2 O 石子级配／ ( b ) 图 3石子级酉 对透水混凝土。眭能的影响 由图3 可以看出， 使用5 1 0 m m粒径的石子配制的透水 混凝土抗压强度最高， 但是透水性最差； 而使用 1 0 ～ 2 0 m m粒 径的石子， 制各的混凝土抗乐强度最低， 而透水性最好。 连续级配的石子内部孔隙率较小，在配制透水混凝土时 容易得到更高的抗压强度， 但透水性会降低。相比级配， 骨料 粒径对透水混凝土的影响更大， 随着骨料粒径的增大， 其孑 L 隙 率、 透水系数随之增大， 而抗压强度下降的较多。这是因为在 水泥用量一定的情况下， 骨料粒径越小， 单位体积骨料的比表 面积越大， 骨架内颗粒接触点的数量越多， 混凝土的强度就越 高； 相反， 骨料粒径越大， 比表面积越小， 混凝土内部总的胶结 面就越小， 强度便会降低， 而且用大粒径骨料制备的透水混凝 七自 身产生大空洞的几率较大， 这也会降低混凝土的强度， 但 是却增加了透水性。 2 ． 3 响应 值和 各变 量关 系模 型 从表 3 可以看出， 影响透水混凝土透水系数及 2 8 d 抗压 强度的主要因素为水泥用量( A ) 和石子级配( C ) ， 在 D e s i g n — E x p e rt 7 ．0中选取这2 个因素建立透水系数及2 8 d 抗压强度 的关系模型， 结果见式( 3 ) 与式( 4 ) 。 模型的方差分析及模拟效 果分别见表4 和图4 。 透水系数1) ---- 5 ． 9 1 + 1 ． 9 6 A 一 0 ．2 4 A 2 - 1 ． 5 1 C + 0 ． 3 9 c 2 ( 3 ) 2 8 d 抗压强度 尸 l_ 1 6 ． 0 3 — 2 ． 9 7 A 一 0 ．4 3 A + 2 ． 8 0 C 一 1 ． 3 3 c 2( 4 ) N E W BUl L Dl NG MATE RI A L S 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐仁崇， 等： 采用 D e s i g n — E x p e r t 软件优化透水混凝土配合比设计 表 4 模 型方差及可靠性分析 芝 糌 萎 静 姑 瓣 1 ． 7 2 一 o ． 9 1 ～ o ． 1 O o ， 7 0 1 ． 5 1 学生化残差 ( a )透水系数残差分布 一 1 ． 3 8 _ o ． 5 6 0 ． 2 6 1 ． 0 8 1 ． 9 0 学生化残差 ( b ) 2 8 d 抗压 强度残 差分布 图 4 透水 系数及 2 8 d抗压强度学生化残差分布 值是方差分析中的一个指标， ， 值越大， P值越小， 表明 分析结果越可靠， 如果P值等于O ． O l ， 则表示 9 9 ％的概率认 为你的结论是正确的。在D e s i g n — E x p e rt 7 ． 0 软件分析中， 如 果P ≤0 ．0 5 ， 则可以 认为分析结果是有效的。学生化残差是为 了考察各个观测数据相对于回归拟合是否为异常点，残差值 越大， 表示拟合效果越差， 图形中的点偏离直线越远[ 6 1 。 从表4 可以看出， 透水系数和2 8 d 抗压强度的模型P值 皆小于0 ．0 5 ， 而且图4中点皆分布在直线上或附近， 可以认为 模拟效果较好。 2 ． 4 试验方案优化 在试验结果分析及模型拟合的基础上，可利用 D e s i g n — E x p e ~7 ． 0软件对试验参数进一步优化，即在满足最佳透水 系数和2 8 d 抗压强度的情况下， 得到各设计因素及水平的最 2 0 新型建筑材料 2 0 1 0 ． 7 优化方案。 在软件中输入“ ( 透水系数) ≥ 4 ． 0 m m ／ s ； P ( 2 8 d 抗压强 度) ≥1 8 ． 0 M P a ” ， 通过分析即可得到满足要求的透水混凝土 配合比， 同时通过试验对其验证。 混凝土配合比 及验证结果见 表 5 。 表 5 优化配合 比及验证结果 从表5 可以看出， 通过优化得到的透水混凝土配合比可 以满足设计要求。 3 结论 ( 1 ) 在成型方式相同的情况下， 水泥用量、 骨料级配和粒 径是影响透水混凝土透水性和抗压强度的主要因素，水灰比 对透水混凝土的性能影响较小。 ( 2 ) 采用D e s i g n — E x p e rt 7 ．0 软件进行透水混凝土配合比 设计试验， 可以有效的分析各因素对透水混凝土性能的影响， 并能通过试验结果建立数学模型，最终得到满足设计要求的 透水混凝土配合比。 ( 3 ) 通过试验研究， 得到的较优透水混凝土配合比为： 水 泥用量3 2 0 k 咖 。 ， 水灰比0 ． 3 0 ， 骨料选用5 — 1 0 m m粒径石子； 水泥用量3 6 0 k g ／ m ， 水灰比0 ． 3 0 ， 骨料选用5 2 0 m m粒径石 子。 参考文献 ： [ 1 ] 杨善顺． 环境友好型混凝土一 透水混凝土【 J 】 ． 广东建材， 2 O O 4( 1 0 ) ： 3 6 —3 9． [ 2 】 P A RK S B ．An e x p e ri m e n t a l s t u d y o n t h e w a t e r - p u r i fi c a t i o n p r o - p e r t i e s o f p o r o u s e o n e r e t e 『 J 1 ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 O 4， 3 4( 2 )： 1 7 7 —1 8 4 ． [ 3 ] 蒋正武， 孙振平 ， 王培铭 ．若 干因素对多孔透水 混凝土性能 的影 响『 J J _ 建筑材料学报， 2 0 0 5 ( 1 0 ) ： 5 1 3 — 5 1 9 ． [ 4 ] 张巨松， 张添华 ， 宋东升， 等． 影响透水混凝土强度的因素探 讨叨． 沈阳建筑大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 6( 5 ) ： 7 5 9 — 7 6 3 ． [ 5 ] 张朝辉 ， 王沁芳 ， 杨娟 ． 透水混凝土强度和透 水性影响 因素研究 【 J J ． 混凝土， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 7 - 9 ． 【 6 ] 赵开 斌． 关 于学生化残 差的一 点注记加． 淮北煤师 院学报 ， 2 0 0 2 ) ： 1 0 — 1 3 ． A ∞ ％∞舳 ∞ {； ； ∞ m5 ∞ ；； ： 5 } ∞∞ ∞ ∞∞ m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m