正交試驗法在C50自密實混凝土配合比設計中的應用

王 瑩

（北京金隅混凝土有限公司）

前言

JGJ/T283-2012《自密實混凝土應用技術規程》將自密實混凝土定義為具有高流動性、均勻性和穩定性，澆筑時無需外力振搗，能夠在自重作用下流動并充滿模板空間的混凝土。自密實混凝土因其具有良好的密實性、能夠提高生產效率，改善工作環境和安全性、改善混凝土表面質量、增加了結構設計的自由度等諸多優點，被稱為近幾十年中混凝土建筑技術最具革命性的發展。本研究從實際工程應用入手，結合正交試驗法，確定C50自密實混凝土的最佳配合比及工藝參數，采用普通材料與常規工藝配置出C50自密實泵送混凝土，并成功應用于浦項中心項目，為自密實混凝土的配合比設計奠定了一定的理論基礎，并具有廣泛的實踐意義。

1 正交試驗法

正交試驗法，就是使用已經造好了的正交表來安排試驗并進行數據分析的一種方法。它簡單易行，計算表格化，完成試驗要求所需的實驗次數少，數據點的分布很均勻，可用相應的極差分析方法、方差分析方法、回歸分析方法等對試驗結果進行分析，從而得出有價值的結論。正交試驗設計方法是用正交表來安排試驗的。

本文采用L9（34），它表示需作9次實驗，最多可觀察4個因素，每個因素均為3水平。從C50自密實混凝土拌合物性能及力學性能兩方面綜合比較砂率、摻和料取代率、不同摻和料比例、硅灰摻取代率四個因素的影響，每個因素相應設置三個水平來安排試驗并進行極差分析，從而得出最終較為理想的配合比。

2 試驗用原材料

2.1 水泥：選用北京金隅琉璃河P.O.42.5水泥.3天強度為33.1MPa，28天強度為62.4MPa。

2.2 礦粉：采用三河天龍S95級礦粉，其物理力學性能如表2。

2.3 粉煤灰：采用北京金龍達通商貿有限公司供應的天津薊縣I級粉煤灰。其物理力學性能如表3。

2.4 石子：選用北京鵬盛天順石料有限公司供應的5mm～16mm山碎石，壓碎指標為5.4%，針片狀含量4.2%，含泥量、泥塊含量為零。各項指標均符合CECS104:99《高強混凝土結構技術規程》的規定。

2.5 砂：采用灤平縣贏盤砂石經銷站供應的II區中砂，細度模數2.9，含泥量1.4%，泥塊含量0%。

2.6 減水劑：采用北京金隅水泥節能科技有限公司研發的聚羧酸高性能減水劑。減水率34%，28天收縮率比99%，28天抗壓強度比197%。

2.7 硅粉：采用北京信源嘉晟商貿有限公司生產的95#微硅粉。二氧化硅含量86.22%。

3 C50自密實混凝土配合比的確定

3.1 混凝土試配強度的確定

根據 JGJ 55 - 2011《普通混凝土配合比設計規程》,考慮到自密實混凝土施工免振搗的特點, 因此試配強度較普通混凝土提高10%，增大自密實混凝土強度保障率。另外，考慮到混凝土的生產控制過程的自動化及同等級混凝土的歷史統計數據強度標準差σ取5.0，則fcuo=50×1.1+1.645σ=63.2MPa。經計算水膠比為0.33，用水量選定為165kg/m3，計算總膠材用量為500kg/m3。

3.2 配合比設計方案

3.2.1 采用L9（34）正交方案，考察因素四個，分別為：A.砂率；B.摻和料取代率；C.不同摻和料比例；D.硅灰摻取代率；如表4所示。

3.2.2 具體試驗用配合比及其性能指標

3.2.3 試驗小結

通過正交試驗及方差分析得知（篇幅有限不贅述），砂率、不同摻和料比例、硅灰取代率對坍落擴展度都有較大影響，即影響自密實混凝土的填充性能。砂率對T500的影響程度最大，即對自密實混凝土的流動速度影響最為顯著。此外，隨著硅灰摻量的提高，坍落擴展度有所降低，但混凝土松軟度有所改善，對混凝土28天強度基本無影響。摻和料的取代率以及不同摻和料比例對混凝土7天強度影響較大，而對28天強度影響不明顯，可以看出摻和料對混凝土早期強度貢獻：粉煤灰＜礦粉＜水泥，同時也說明粉煤灰、礦粉對混凝土后期強度增長有突出貢獻。

表1 水泥物理力學性能

表2 礦粉物理力學性能

表3 粉煤灰物理力學性能

表4 因素水平表

3.2.4 確定最終配合比

兼顧自密實混凝土的強度、填充性能、流動速度，經多次試驗驗證后確定最終配合比方案為A3B2C2D2，如表7、表8所示。

4 工程驗證

浦項中心主體工程有地塊東側A塔樓、南側B塔樓及裙樓組成，占地面積20021m2，總建筑面積163265m2。其中A塔樓地上33層，結構高度140.9m，B塔樓地上25層，結構高度105.5m，裙房3層，結構高度16.8m，地下四層。C50自密實混凝土主要應用于B區地上三層裙房框架柱（因結構特殊性無法振搗）。

表5 水平組合表

表6 配合比及性能指標

表7 最終選定配合比

表8 試驗結果

圖1 初始坍落擴展度

圖2 J環擴展度

圖3 拆模后實體外觀

根據現場成型的混凝土28天標養試塊強度推斷混凝土實體強度滿足設計強度要求，且表觀質量良好，無蜂窩、麻面、氣孔。下圖為拆模后的實體外觀。

結論

（1）采用正交試驗法進行配合比設計，其結果能客觀的反應配制的規律，能夠較方便的進行配合比優化。

（2）通過正交試驗確定的工程使用混凝土的配合比，其28天標養試塊強度及表觀效果都達到了設計及規范要求。

（3）為簡化試驗步驟，正交試驗設計過程中較多的考慮了影響自密實混凝土流變性因素，對力學性能因素考慮不足，例如水膠比、外加劑摻量等因素。