正交試驗法在混凝土配合比設計中的應用

吳小鋒黃小玲

（1東莞市虎門港混凝土有限公司；2東莞華潤水泥廠有限公司）

正交試驗法在混凝土配合比設計中的應用

吳小鋒1黃小玲2

（1東莞市虎門港混凝土有限公司；2東莞華潤水泥廠有限公司）

本文嘗試用正交試驗設計通過較少的試驗，運用數據分析方法來確定混凝土配合比中最佳的外加劑摻量、摻合料摻量及機制砂替代天然砂的合適的替代率。

正交試驗；混凝土配合比；方差分析

1　前言

隨著混凝土技術的不斷發展，用于混凝土中的摻合料的種類也不斷增多，各種混凝土外加劑更是層出不窮，再加上因天然砂資源越來越匱乏，各種人工砂也逐漸應用到混凝土的生產中。混凝土中的各種材料的搭配對混凝土性能的影響也越來越復雜，已經不能單憑經驗就諸多因素對混凝土性能的影響進行準確的評估。但是如果對各種因素都進行試驗，最大的問題就是試驗次數太多，浪費很多人力和物力。例如，如果有四個因素對產品質量有影響，每個因素取三個不同水平進行比較，那么就需要進行34=81次試驗。因此，有必要進行試驗設計，通過較少的試驗次數獲得較多的信息，并通過數據分析來選擇各因素的最佳水平，從而達到合理利用資源，節約成本并保證產品質量的目的。正交試驗設計正是其中一種常用的方法。

2　正交設計試驗原理

正交試驗設計最早由日本統計學家田口玄一提出，稱為國際標準型（田口型）正交試驗法，是利用正交表來安排和分析多因素試驗的一種設計方法［1］。它是在試驗因素的全部組合中，選出有代表性的水平組合進行試驗，通過對這部分試驗結果的分析，了解全面試驗的情況，找出最優的組合。如果把所有的試驗集合看作一個立體空間，正交試驗所選的試驗在空間中具有“均勻分散，整齊可比”的特點。正交試驗設計分無交互作用正交試驗和有交互作用正交試驗，本文只考慮無交互作用正交試驗。

3　實驗材料及方案設計

我們分析的試驗因素有三種，分別是磨細灰的摻入量（因素A）、外加劑的摻量（因素B）還有機制砂占總砂的百分比（因素C）。為了使試驗更簡單而且有可比性，我們采用固定水膠比，固定總膠凝材料用量和固定砂率進行試驗。水泥及摻合料的總量保持不變，摻合料為礦渣粉和磨細灰。主要考察的性能標準有三個方面：混凝土拌合物的流動度、坍落度損失和混凝土試塊抗壓強度。

3.1實驗材料

⑴水泥：采用P·O42.5R水泥，物理性能見表1。

表1　水泥物理性能指標

⑵礦渣粉：S95級礦渣粉，比表面積448m2/kg，7d活性78%，28d活性104%。

⑶粉煤灰：II級復合磨細灰，45μm篩余14.2%，需水量比102%，7d活性指數64%，28d活性指數68%。

⑷細骨料：水洗砂，細度模數2.5；機制砂，細度模數3.0，石粉含量6.2%。

⑸粗骨料：石子，5～25mm連續級配。

⑹減水劑：聚羧酸高效減水劑（緩凝型）減水率23.2%。

3.2正交設計方案

⑴因素水平表（表2）

表2　因素水平

⑵正交設計表

根據因素的水平數采用正交設計表L9（34）（表3）。

表3　正交設計

表4　直觀分析計算

4　試驗結果及分析

4.1直觀分析（表4）

表4中L代表混凝土拌合物初始流動度，L1代表該因素所有水平為1的試驗結果之和，Lˉ1為L1/3（以此類推），值較大說明流動度越好；T代表1小時坍落度損失，結果越小說明1小時坍落度損失越小；Q代表混凝土試塊28d抗壓強度，值越大說明抗壓強度越高。R代表極差，它反映了各因素不同水平對應的試驗結果均值的最大值與最小值之差，值越大說明該因素對指標的影響越大。

從表4可以看出，磨細灰摻量在水平1，也就是摻量占摻合料的30%時，混凝土拌合物的流動度最大；外加劑摻量在水平3，也就是摻量為1.8%時，混凝土拌合物流動度最大；機制砂占總砂的百分比在水平1，也就是替代率為20%時，混凝土流動度最大。從上述分析可以得出結論：混凝土流動度最佳時各因素的組合應該為A1+B3+C1，也就是磨細灰摻量為30%，外加劑摻量為1.8%，機制砂摻為20%時混凝土流動性最好。這一結論與我們所累積的經驗一致。從各因素的極差可以看出，三種因素對混凝土拌合物的流動度均有一定的影響，但是以外加劑的摻量影響最大，其次是機制砂占總砂的百分比，而磨細灰的摻量影響較前兩者要小。

各因素對混凝土拌合物1小時坍損及強度的影響可以按以上的思路去分析并得出結論，混凝土拌合物坍損較小的組合是A1+B3+C1，外加劑摻量對其影響最大，其次是磨細灰的摻量，機制砂占總砂的百分比對其影響略小。混凝土28d抗壓強度較大的組合是A1+B2+C2，且機制砂的摻量對強度的影響較大，磨細灰的摻量影響較小，由于我們試驗時是用固定水膠比，所以外加劑摻量在一定的范圍內對強度幾乎沒有影響。

4.2方差分析

⑴方差分析計算表（表5）。

⑵方差分析表（表6）。

對于初始流動度，由于FA等于7.0，小于F0.9（2，2）=9.0，故因素A在顯著性水平0.1上不顯著，FB和FC大于F0.95（2，2）=19.0，故因素B和因素C在顯著性水平0.05上是顯著的。

同樣的道理，對于1小時坍損，因素A、B、C均在顯著性水平0.05上是顯著的；對于28d抗壓強度，因素A和因素C在顯著性水平0.05上是顯著的，因素B在顯著性水平0.1上不顯著。

⑶最佳組合的選擇

對顯著因素應該選擇其最好的水平，因為其水平變化會造成指標的顯著不同，而對不顯著因子可以任意選

擇水平，實際中往往根據成本的高低來選擇。如果綜合考慮上述三個性能指標，最佳的因素組合應該為A1+B3+C1。即磨細灰摻量占摻合量總量20%，外加劑摻量1.8%，機制砂占總砂的20%。但是，綜合考慮到混凝土的強度、和易性及生產成本，在強度達到設計要求的基礎之上，結合混凝土拌合物的和易性及生產成本，我們最終確定組合A2+B2+C2是最經濟的組合。即磨細灰摻量占摻合料總量30%，外加劑摻量為1.6%，機制砂占總砂的30%。后續的配合比驗證試驗也證實了這一結論。

表5　方差分析計算

表6　方差分析

5　結束語

由于混凝土的性能指標較多，運用正交設計試驗可能會出現針對不同的指標得出不同的最優組合的問題。因此需要我們綜合考慮各項指標，在保證質量的前提下，兼顧生產成本等方面，最終合理地確定各因素的最佳水平。●

［1］成全喜，鄭淑平，孫玉紅.正交試驗法在混凝土配合比設計中的應用［J］.實驗科學與技術.2006（06）：28-30.