正交设计在混凝土配合比优化中的应用.pdf

第 5 期 ( 第 3 3 6 期) 吉 林水利 2 0 1 0年 5月 [ 文章编号]1 0 0 9 — 2 8 4 6( 2 0 1 0 )0 5 — 0 0 5 8 — 0 3 正交设计在混凝土配合比优化中的应用 张劲松 ( 中铁十三局集团有限六公司，吉林长春1 3 0 0 3 1 ) [ 擒要] 蛄合工程 实倒 ，对正交设计在混凝土配合比优化 中的应用作 了较为详尽的阐述。类似问题有一定的参考作用。 [ 关键词] 正变设计 }砼 配合比；优化 [ 中圉分类号]TV 4 3 1 [ 文献标识码] B 1 工程概况 南水北调 中线总干渠 西市 隧洞段是南水北 调 中线京石段应急供水工程 的重要组成部分，该段 工程起 点 干渠 桩 号 1 8 0 + 9 2 7 ． 8 6 0 ，终 点干 渠 桩 号 1 8 3 +4 1 7 ． 4 5 0 ，线路总长 2 4 8 9 ． 5 9 m。 工程位于河北省保定市易县境内，属暖温带 大陆季 风气 候 区，四季 分 明。多年 平均 气 温 l 2 ． 1 ℃，极端最高气温， 4 3 ℃，极端最低气温 一 2 3 ℃，最大风速 1 8 ． 0 m／ s 。年均无霜冻期 2 2 1 d ， 最 大冻土深度 6 8 c m，多 年平均降雨量 6 0 0 mm。 建筑物区地下水主要为基岩裂隙水 。勘探期 问地下 水 位变 幅较 大 ，进 口段地 下水埋 深 1 5— 3 5 m，水位高程 7 2 ． 9— 8 0 ． 8 m，高出设计洞底 板 1 5— 2 2 m；出 口段地下水埋深 8— 1 6 m，水 位高程 7 7 ． 5— 7 9 ． 0 m，高出设计洞底板 1 9 ． 5— 21 m 。 2 混凝土设计要求及原材料概况 2 ． 1 混凝 土设计 要 求 根 据设 计和施 工规 范要求 ，通过掺加粉 煤灰 改善混凝土和易性和抗渗性能，掺加高效减水剂 解决降低水胶 比、提高强度 、改善混凝土和易性 和抗渗性能 ，掺加 引气剂提高混凝土抗渗性能。 混凝土设计龄期 2 8天的性能指标详见表 1 。 表 1 西市隧洞混凝土设计指 标 2 ． 2 原材料情况 2 ． 2 ． 1 胶凝 材料 水泥；鹿泉东方鼎鑫水泥有限公司生产的鼎 鑫牌 P O 3 2 ． 5和 P O 4 2 ． 5 水泥 。 粉煤灰 ：河北西柏坡电厂粉煤灰。 2 ． 2 ． 2 外加 剂 减 水 剂 ：河 北 省 混 凝 土 外 加 剂 厂 生 产 的 DH3 G高效减水剂 ( 黄色粉状) 。 引气剂 。河北 省 混 凝 土外 加 剂厂 生 产 的 DH9引气剂 ( 膏状) 。 膨胀 剂 ：河 北 省混 凝 土 外加 剂 厂 生 产 的 D H1 1膨胀剂 ( 粉状) 。 速凝剂 ：石家庄市新星建筑防水材料厂生产 的 HF 一4速凝剂 ( 粉状) 。 2 ． 2 ． 3 集料 细集料 ：中易水天然河砂 ，细度模数 2 ． 6 3 。 粗集料 ：井儿峪料场人工碎石，主要粒径为 5— 2 0 mm 和 2 O一 4 0 mm。 [ 收稿日期]2 O 1 0 一O 3 —2 2 [ 作者简介]张动松 ( 1 9 7 0 一) ，本科 ，工程 师，现从事铁路 、公路 、水利、地铁 、房建等行业的试验捡潮工作． 一 5 8～ 吉林 水利 正交设 计 在混 凝土配 合 比优 化 中的应 用 张 劲松2 0 1 0年 5月 3 混凝土 配合 比设计 3 ． 1 确 定二级 配粗 集料的 掺配 比例 按 《 水 工 混 凝 土 施 工 规 范 》 规 定 的 级 配 范 围，初步估算两级配石子的掺配 比例，根据最大 振实密度确定最终掺配比例 。不同比例的粗集料 组合 比试 验结果 见表 2 。 表 2 两级配石子不 同掺配比例振 实密度试验结果 3 ． 2 配 合 比设计 3 ． 2 ． 1 外加 剂掺 量 的选择 减 水 剂 ：DH3 G 高 效 减 水 剂 的 掺 量 为 0． 7 。 引气 荆 ：DH9的掺量按 混凝 土含 气量 4 一 6 控制 ，其 中抗冻等级 高的混凝 土取较大值 ， 抗冻等级低的混凝土取较小值 。 速凝 剂 ：HF一4的掺 量为 3 ． 0 。 3 ． 2 ． 2砂 率 的选择 砂率主要受石子级配、砂的细度模数、水胶 比等的影响。通过 试验 ，喷射混凝土 的砂率为 5 2 一 5 3 ，水 下 混 凝 土 的 砂 率 为 4 O 一 4 2 9 ， 6 ，垫层混凝 土的砂 率为 3 8 9 ， 6 — 3 9 ，一级 配常态混凝土的砂率为 3 7 ％一 4 O ，二级配常 态混凝 土 的砂率 为 3 3 9 ／ 6 — 3 9 。 3 ． 2 ． 3水胶 比的选择 在 原材 料选 定 的情况 下 ，水 胶 比是决 定混凝 土强度 和耐久 性 的 主要 因素 。故选 择水胶 比既要 满足强度的要求 ，又要满足耐 久性 的要求 ，同 时 ，又 要节 约水 泥 。 3 ． 2 ． 4 混凝 土 配制 强度 的计 算 水工混凝土配合 比计算时 ，以骨料饱和面干 状态为基准 。有别于建工行标的以骨料干燥质量 为基准。混凝土配制强度的计算见表 2 。 根据以往设计 经验和 已确定 的设 计参数范 围，对常态混凝土、喷射混凝土进行配制。 表 2 混凝土配制强度计算 初 步试验 选定 混凝 土 配合 比汇总 于表 3 。 表 3 初步选 定混凝土 配合 比汇 总表 4 运用正交设计对混凝土配合 比进行优化 在前期选定的配合 比基础上 ，运用正交设计 方法对混凝土配合比进行优化 。采用四因素三水 平九次试验的正交表来分析。因素和各因素所对 应 的水平 见表 4 。 吉林水利 正交设计在混凝土配合比优化中的应用 张劲松2 0 1 0年 5月 表 4 L 9 3 4 正交设计方案 计算分析 ：( 以强度为例) 4 ． 1 混凝土 容重 一强度 T1— 3 2 ． 3， T2= 3 6 ． 9， T3— 2 8 ．9， R一 8 ． 0 4 ． 2 水胶比 一强度 T1 = 3 5 ． 9， T2— 31 ． 9， T3— 3 0 ． 3， R一 5 ． 6 4 ． 3砂率一强度 4 ． 4 DH9 掺 量 一强 度 T1 — 3 2 ． 4， T2= 3 3 ．7， T3— 3 1 ． 9， R= 1 ． 8 从极差值看 ，对于强度的影响，混凝土容重 最显著，水胶 比显著 ，DH9略有影响，砂率几 乎不影 响 。 从各因素的 T值看，混凝土容重过大或过 小，对混凝土强度都不利，取 2 4 1 0 Kg ／ c m3 较为 合理；不同的水胶比，在设计时，可根据经验适 当调整 ；砂率可根据混凝土工作性作适 当调整 ； DH9可根据不 同的抗冻等级来调整。其它考核 指标 的计算 分析 同强度 。 通过正交设计试验和分析，前期选定的混凝 土配合 比容重略偏大、水胶 比略偏小 ，因此对第 一 次选定的混凝土配合 比的容重、水胶 比和砂率 进 行调整 ，调整后 配合 比汇总 于表 4 —2 。 通过现场试验验证，调整后混凝土配合比满 足设计和规范对混凝土强度和耐久性的要求。 T1 — 3 2 ． 7， T2— 3 2 ． 8， T3— 3 3 ． 1， R一 0 ． 4 表 5 优 化后 混凝 土 配 合 比汇 总表 5 正交设计优化砼配 比需要注意 的问题 1 )一般情况下，混凝土容重不宜设计得过 大 。 2 )粉煤灰掺量在 1 O 一 2 O 范围内，对混 凝土 2 8天抗压强度影响较小，对抗冻性和抗渗 性影响不大，但明显改善混凝土的工作性。 3 )混凝土配合 比初次选定之后，使用过程 要注意对积累的试验数据进行分析，并及时对混 凝土配合比进行优化 ，在满足设计、规范和施工 要求的条件下，尽量降低施工成本 。 4 )骨料气 干状 态 下 的 内部 含 水 不能 在混 凝 土搅拌过程中被释放出来 ，只能在混凝土干缩过 一 6 O 一 程 中逐 渐被 吸出 ，在 考虑水胶 比时应 注意 。 6 结 语 正交设计是对选定的因素及其水平，借助固 定的正交表 ，通过试验，分析考核指标的统计量 值 ，寻找最佳或最优比例的统计方法 。它被广泛 于化工、机械、电力等行业 ，对于建筑行业应用 还不广泛 。其实 ，正交设计对工程配合 比的选定 和优化有重要的作用。口 参考文献 ： [ 1 3[ 1 3杨伯科主编 ‘ 混凝 土实用新技 术手册)吉林科技 出版 社 1 9 9 8年 1月 [ 2 J 雍本主端 < 特 种混凝 土配合 比手册)四川科 擎技 术 出版 社 2 0 0 3年 4月成 都 第 一版 }