正交法設計C60混凝土配合比的案例

李勇

（山東省棗莊市建筑材料科學研究所，山東 棗莊 277102）

正交法設計C60混凝土配合比的案例

李勇

（山東省棗莊市建筑材料科學研究所，山東 棗莊 277102）

TGJ 55—2011 標準中提出≥C60 強度值的混凝土為高強混凝土，而在實際生產中，C60 段以上混凝土設計多采用預估水膠比，往往缺乏實際的可操作性，并且沒有指出高強混凝土的設計過程中明確影響混凝土強度各種原因及因素。本文采用正交設計試驗方法，通過正確選擇影響因素，統計實驗數據，從中找出關鍵條件，使高強混凝土的設計少走彎路，達到滿足設計強度的要求，也滿足工作性的要求，并在生產中通過掌握關鍵因素的各項指標，可更好的控制混凝土質量，使建筑物的安全耐久性得以保證。

正交試驗設計；影響因素；水平；混凝土配合比

0 前言

混凝土配合比是指水泥混凝土中膠凝材料、水、砂及骨料之間的比例關系，有時還應注明外加劑的使用量。混凝土配合比設計的基本要求是滿足結構設計的強度等級要求，滿足混凝土施工所需要的和易性，滿足工程所在環境對混凝土耐久性的要求并達到符合經濟性的原則。

1 設計原則因素分析

混凝土配合比首先要滿足設計的強度要求，而影響強度的因素很多，其中包括：（1）原材料因素的影響；（2）配合比的因素；（3）成型及養護條件的影響。因此，混凝土配合比設計受材料內因及環境外因的共同作用。其難點在于將其各方面因素協調好、控制好。另外，材料因素是可控因素，只要在選擇上制定一個標準，嚴格執行，并且最大優選合格材料，可在一定范疇內選擇。還有就是澆筑成型及養護條件，這些因素在相關的標準中有明確的規定，只要認真完善并執行也可以形成同一個設計平臺，將誤差限定在一個較小的范圍內。

因此，本文僅討論配合比計算中各材料間的相互比例而產生的一些參數，對混凝土配合比設計的影響包括水膠比、摻合料、砂率、混凝土容重等因素，從中找到影響最大、組合最優的因素水平。

2 正交試驗設計

2.1 原理

正交試驗設計是一種解決多因素、多水平對比試驗的數學方法，它依據數學原理，根據正交性從大量的試驗因素中挑選具有正交性質的因素和水平指標，通過均衡搭配組合，使用那些具有代表性、典型性的組合進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點。涵蓋各個因素組合的情況，極大的減少了試驗次數，用少而有代表性的試驗反映出全面情況，提高了工作效率。

2.2 特點

（1）考察因素及水平合理，分布均勻。（2）不需要進行重復試驗，誤差便可估算出來，且計算精度高。（3）可找出主要因素，便于進一步試驗。（4）因素越多，水平越多，因素之間交互作用越多，正交表的作用越大。在混凝土配合比設計影響因素試驗中，可利用正交表的優點，大幅降低試驗的數量并保證試驗質量。

2.3 應用步驟

混凝土配合比設計優劣的影響因素較多，是許多影響因素共同作用的結果，如前所述，主要的影響因素可歸納為：水膠比、摻合料用量、砂率、混凝土容重。以混凝土配合比設計為分析對象，其應用步驟如下：

（1）明確試驗對象的目的，確定考核指標。

（2）挑因素，選擇合適的正交表，選水平，制定水平表，確定試驗方案。

（3）對使用結果進行分析。

3 試驗設計

基于正交試驗設計法的混凝土配合比設計的影響因素分析。

本文選擇 C60 普通混凝土配合比設計作為分析對象，該配合比設計強度等級 C60，坍落度為 (200±30)mm，無嚴重泌水現象，可泵性好，該案例可作為一般普通混凝土配合比設計來借鑒。

3.1 原材料質量及品種

（1）水泥：中聯，28d 抗壓強度為 50.9MPa。

（2）砂：天然河砂，2.7，Ⅱ級，含泥量 0.7%，泥塊含量 0.2%。

（3）石：碎石，5～20mm，連續級配，含泥量 0.2%，泥塊含量為 0。

（4）粉煤灰：周縣，Ⅰ級，需水量比 94%。（5）礦粉：滕縣，S95，活性指數 101%。

（6）高性能減水劑：減水率 31%，含固量 3.5%。（7）水：飲用水。

3.2 正交試驗設計

根據實際情況：混凝土強度首先考慮強度要求，水膠比分為 0.33、0.30、0.27 三個水平，其它各因素的水平選配都選擇為 3 個水平，具體影響因素和水平指標設置如表 1。

表1　因素水平表

由于影響因素為四個，每個因素有三個水平，因此選擇L9(34)正交表，將進行 9 次試驗，試驗計劃見表 2。

畫出趨勢圖，計算完極差后，對于定量性水平的因素，畫出強度和坍落度的關系圖，如圖 1、圖 2。

由于在同一坐標值中不好表達，所以選擇用趨勢圖表示。從正交試驗設計后的方案結果中可以看出，試驗條件均衡分散在水平的組合中因而具有代表性，比較容易出現好的條件，具備有均衡分散性，對于每列因素，有各個水平的結果之和，其它因素各個水平出現次數量是相同的，保證了在各個水平的效果中，最大限度的排除干擾，因而具有有效的可比性。

4 結果分析

極差 R 的大小是用來衡量試驗中相應作用的大小，極差大的因素說明它的三個水平對考核指標所造成的差別大，通常是重要因素。本設計中因素的主次順序對強度為A>C>D>B，對坍落度來說順序為 B>A>C>D。上述關系也可以從趨勢圖中反映出來，對強度 A，因素圖形波動最大，是主要因素。C 因素圖形波動較小，是次要因素，而其它兩個因素的圖形波動最小是第三和第四位的影響因素。經過計算可得出較好的強度組合為 A3B3C1D3。

最佳坍落度的確定：通過直線觀察趨勢圖和計算的方法可以得出上述四種組合條件的因素主次作用，即 B>A>C>D，B 為主要因素，A 為次要因素，C 和 D 為較小的次要因素，較好的坍落度組合為：B2A3C1D2。

圖1　強度影響因素圖

圖2　坍落度影響因素趨勢圖

5 最佳配合比的確認

由上述的組合條件并考慮因素的主次作用，用綜合平衡法選出最優的組合條件為 A3B2C1D3，恰好是本次試驗的第 8號試驗，結果也是 9 個試驗中效果最好的。

6 結論

本文提出將正交試驗設計方法，應用于 C60 混凝土配合比設計中，該方法較好地減少了試驗工作中的工作量，并得到所需要的試驗結論。本文將 C60 混凝土配合比設計中的因素歸納為：水膠比、砂率、摻合料用量和混凝土相對應的容重，并在此基礎上，通過試驗結果得出了水膠比和砂率在混凝土配合比設計中占有較為重要的位置，是配合比設計中應著重給予考慮的主要因素，而且通過設計試驗看出，容重也同樣在配合比設計中占有一席之地，它對混凝土的強度和坍落度的控制起到一定的影響，也應該在設計中加以完善。同時在本次正交混凝土配合比的試驗過程中，也感受到影響混凝土配合比因素還有很多，需要從業者同仁們在今后的工作中，通過正交設計方法引用其它因素和水平，提高混凝土配合比設計的水平，適應我國綠色、生態化建設工程的需要。

[1] 編寫組．正交試驗法[M]．北京：國防工業出版社，1976.

[2] 高占彥．正交及回歸設計方法[M]．北京：冶金工業出版社，1988．

［通訊地址］山東省棗莊市市中區振興南路 79 號（277102）

李勇（1969—），男，工程師，檢測主任。