正交設計在混凝土路面配合比中的應用

閻賓祎

0 引言

張石高速公路石家莊段K10+007～K53+381采用復合式連續配筋混凝土路面結構:6 cm細粒式改性瀝青混凝土(AC-13C)+28 cm連續配筋水泥混凝土面板+4 cm細粒式瀝青混凝土(AC-13C)+18 cm水泥穩定碎石+16 cm～20 cm級配碎石。復合式路面發揮了連續配筋水泥混凝土路面在承受重載交通和耐久性方面的優勢，以及瀝青混凝土路面行車舒適、維修方便等優點，體現了兩者的互補性和相互依存，是一種“黑白并舉，剛柔相濟”的新型路面結構。因此，修建高質量的混凝土路面結構至為重要，必須首先設計合理的配合比做前提。本文在高速公路連續配筋混凝土路面配合比正交設計及控制方面分析并做出相應的解決辦法。其混凝土配合比設計應當滿足四項基本要求:彎拉強度、工作性、耐久性和經濟型。設計方法采用正交試驗方法，不僅可以取得最佳混凝土配合比，確保混凝土路面質量，也可以降低混凝土成本。

1 原材料的技術指標

原材料質量的優劣直接關系到路面混凝土的工作性和強度效果，特別是水膠比和外加劑及粉煤灰摻量對混凝土的質量影響非常大。

1 )水泥技術指標見表1。

表1 水泥技術指標

2 )細集料各項指標。

a.細集料的技術指標見表2。

表2 細集料的技術指標

b.細集料篩分結果見表3。

表3 細集料篩分結果

3 )粗集料各項指標。

a.粗集料的技術指標見表4。

表4 粗集料的技術指標

b.粗集料篩分結果見表5。

4 )減水劑:河北鐵園減水劑采用的是TY-6A引氣緩凝高效減水劑。

5 )粉煤灰:粉煤灰是Ⅱ級干排灰，西柏坡電廠。

表5 粗集料篩分結果

2 正交設計內容及正交表的特點

正交設計內容包括正交設計方案及分析試驗結果，正交表有兩個基本特點:1)均衡分散性;2)齊整可比性。正交表就是根據這兩條正交原理，從大量的試驗中選出適量有代表性的試驗點，編制按規律排列的表格(見表6)。各因素對研究目標的影響程度，即各因素的主次;各因素與研究目標的基本關系，即每個因素水平不同時，研究指標表示如何變化的示意圖見圖1。

表6 正交表L9(34)

3 正交設計法的基本步驟

3.1 確定考核指標

利用正交設計法探討水膠比、減水劑、粉煤灰用量這三個參數對混凝土坍落度及強度的影響，并確定抗折強度等級為M5.0，拌合物坍落度為30 mm～50 mm的混凝土配合比。

3.2 挑選因素、挑選水平、制定因素水平表

表7 因素水平表

為滿足本次試驗目的，選擇“水膠比，減水劑摻量，粉煤灰摻量”三個因素，每個因素選擇三個水平，制定因素水平表見表7。

3.3 試驗方案

試驗方案見表8。

表8 試驗方案

3.4 試驗結果數據表

試驗結果見表9。

表9 試驗結果數據表

3.5 直觀法計算結果

直觀法計算結果見表10。

表10 直觀法計算結果

3.6 分析計算方法

1 )對各列坍落度、抗壓強度平均值K的計算。K1是A，B，C，D因素水平的三次試驗結果之和的平均值。2)檢驗K值計算是否正確。K1，K2，K3之和應等于試驗結果平均總和。3)計算各列極差R。由各列的三數中的最大值減去最小值求得。4)判定各因素對考核指標的影響是否顯著。表10中空列的極差可用來估計試驗極差。將前三列各因素的極差分別與空列的極差相比較，若前者小于或基本等于后者，則說明該因素為“不顯著因素”;若前者超過后者較多，則說明該因素為“顯著因素”，其水平變化時對試驗結果影響很大。

3.7 分析試驗結果

指標—因素關系圖見圖2。

試驗結果:

1 )影響坍落度的主次因素順序:水膠比＞粉煤灰＞減水劑。可選A3B3C2，A3B1C2，A3B2C2，B可選三者任意水平。2)影響抗折強度的主次因素順序:水膠比＞粉煤灰＞減水劑，可選A3B1C2。3)水膠比主要因素水平變化時，對試驗結果影響最大，減水劑次要因素水平變化時，對試驗結果影響較小，說明其水平因素可任選。本次試驗的組合方案:A3B1C2。即:314∶56∶650∶1 274∶148∶6.66=水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶減水劑。實測該配合比的坍落度為49 mm，28 d齡期抗折強度為6.8 MPa。

4 施工驗證

施工現場采用了配合比(A3B1C2)，即:

水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶減水劑=314∶56∶650∶1 274∶148∶6.66，在工程中應用，取得了良好的技術、經濟效益。

1 )摻粉煤灰后，使得混凝土的和易性得到進一步的改善。

2 )改善了“塌邊、溜肩、蜂窩、麻面”現象;混凝土面板平整度得到改善，混凝土用量減少，降低了成本。

3 )通過全線攤鋪效果來看，彎拉強度、工作性、耐久性和經濟性均達到合格。

5 結語

1 )正交設計法考慮了各種因素不同水平對考核指標的影響，據此可得出規律，便于認識事物的本質。2)正交設計法為分析解決實際問題提供了一種方法。3)在各種領域實踐工作中，遇到某些特殊的，尤其是帶探索性、研究性質的試驗，采用正交設計法往往能達到事半功倍的效果。4)正交試驗法，用于公路工程混凝土配合比設計是行之有效的。

［1］ JTG F-2003，公路水泥混凝土路面施工技術規范［S］.

［2］ JTJ/T 037.1-2000，公路水泥混凝土路面滑模施工技術規程［S］.

［3］ 張石高速公路石家莊段路面工程施工招標文件［Z］.石家莊，2007.