基于正交試驗的快速修補水泥混凝土外摻劑摻量確定

袁 野

(西藏自治區交通工程質量安全監督局，西藏 拉薩 850000)

截至2018年年末，我國公路建設里程已達到484.65萬 km[1]，路面鋪裝里程大幅提升。雖然我國高速公路里程與水泥混凝土路面里程均達到世界第一，但我國高速公路中水泥混凝土鋪裝所占比例越來越少，比例不足10%。

水泥混凝土路面存在其獨特的優勢，主要體現為：1)資源優勢，我國年產水泥20億t[2]，與進口瀝青形成鮮明對比；2)投資優勢，路面面層水泥路面造價僅為瀝青路面的1/2～2/3[3,4]；3)長壽命優勢，水泥路面使用壽命較瀝青路面長一倍；4)低碳環保優勢，水泥路面施工常溫拌和和常溫鋪筑，無碳排放。但在實際使用過程中，水泥路面通常在使用2年～3年后就會出現不同程度的開裂[5]，常規的修復成本高，養生時間長[6]，修復期間對正常交通干擾嚴重，極大的限制了水泥混凝土路面的應用。

本文在水泥混凝土中添加了兩種聚合物改性劑，通過正交試驗確定了兩種聚合物改性劑A和B的最佳摻量，達到了提高混凝土初期強度的目的，同時也能滿足工作性要求，從而達到快速修復開放交通的目的。

1 試驗材料

本文所研究快速修復混凝土所用原材料為水泥、外加改性劑(聚合物改性劑A和B)、粗集料、細集料、水。假定混凝土的密度為2 450 kg/m3，依據JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規程計算得到混凝土基準配合比C(膠結材料)∶W(水)∶S(細集料)∶G(粗集料)=400∶160∶857.5∶1 247.4。

在上述基準配合比計算基礎上，采用正交試驗對快速修復混凝土外加改性劑摻量進行試驗分析，以混凝土的抗壓強度為評價指標，抗壓試驗參照GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能試驗方法標準和GB/T 50081—2002普通混凝土力學性能試驗方法標準進行。

2 試驗方法

混凝土的制備與養護。

將按照設計配合比計算得到的各種原材料進行稱量，并按照規范試驗方法進行混合料拌和及混凝土試件制作養護。

達到養護要求的試件宜在20 min內完成試驗，避免試件受外界環境的影響。試驗前應清除受壓面與加壓板間的砂粒或者雜物，以2 400 N/s±200 N/s 的速率均勻加載直至試件破壞，記下破壞荷載。試件抗壓強度計算公式見式(1)：

(1)

其中，fc為抗壓強度，MPa;P為破壞荷載，N；S為受壓面積,mm2。

三個試樣的測試結果取平均值作為試驗結果，試驗結果精確到0.1 MPa。測試結果有一個與平均值之差超過平均值的±10%，則取另外兩個試樣測試結果取平均值；若測試結果中有兩個試驗結果與平均值之差超過平均值的±10%，則重做試驗。

3 正交試驗

3.1 正交試驗設計

正交試驗設計是一種常用的設計方法，主要研究的是多因素多水平方面，它是在全面試驗中利用正交性的特點，篩選出一些具有代表性的點進行試驗分析，使其具有高效率、快速、經濟等特點[7]。

本試驗方案中的影響因子為3個：聚合物改性劑A、聚合物改性劑B、緩凝劑，每個因素選用三水平(外加劑摻量為所選外加劑占快速修復膠凝材料的質量百分比，緩凝劑摻量為緩凝劑占快速修復混凝土的質量百分比)，建立三因素三水平的L3(33)正交表(見表1，表2)。本正交試驗共需進行9組無側限抗壓強度試驗，每組試驗分別測試不同養護齡期(3 d,7 d,28 d)試件抗壓強度，每個齡期試驗試件個數3個，則所需試件總數為9×3×3=81塊。

表1 正交試驗方案的因素水平表

表2 正交試驗的實驗配比方案明細表

3.2 正交試驗結果分析

對標準養護條件下不同養護齡期的試件進行抗壓強度試驗，其試驗結果如表3所示。通過對試驗結果進行分析可得：方案5條件下隨著試件養護齡期的增長，其抗壓強度的增長較快，抗壓強度值相比其他方案也較大。

表3 抗壓強度試驗結果表

3.3 因素水平權重驗證分析

從3.2試驗結果可得，方案5的抗壓強度最大，則認為其對應的水平組合A2B2C3最優。但該方案在全部方案中是否最優仍需利用正交表的綜合可比性來進一步分析驗證。

表4 權重分析計算表

Ti(i=1，2，3)為其中某一個影響因素在第i個水平下的抗壓強度總和;ti為在第i個水平下的抗壓強度平均值，即ti=Ti/4；R為某一因素影響下抗壓強度最大值與最小值之差，R越大，表明該因素對混凝土抗壓強度的影響越大。從表4可以看出，RA大于RB，RB遠大于RC，說明聚合物改性劑A對混凝土抗壓強度的影響最大，聚合物改性劑B次之，緩凝劑C影響最小。

3.4 配合比優化組

分析各影響因素不同水平對水泥混凝土抗壓強度的影響，其分析結果如圖1所示，從圖1中可以看出，A,B,C三種因素分別對應的最佳水平為A2，B2，C2。

由圖1可見，聚合物A為5%～10%之間，水泥土強度迅速增加，聚合物A摻量為10%～15%，對水泥土強度的影響減弱；聚合物B摻加在4%左右時，提高水泥土強度，增加聚合物B摻量反而降低對水泥土的抗壓強度；緩凝劑對水泥混凝土抗壓強度的影響隨著摻量的增加先增加再減少，但對抗壓強度影響極小。在本例中最好的水平組合是A2B2C2，它與9個試驗中最好的水平組合A2B2C3(第5組試驗)有所不同。通過對試驗數據分析可以知道，緩凝劑的摻量對水泥土抗壓強度影響極小。故最優配合比如表5所示。

表5 復合水泥混凝土抗壓強度最優配合比 %

取最優配比做抗壓強度試驗，得到1 d,7 d,28 d抗壓強度如表6所示。

表6 不同齡期最優配合比的抗壓強度值

通過試驗驗證最優配比抗壓強度值比方案5中的28 d抗壓強度大，為58.3 MPa，此方案組合的外加改性劑摻量為最佳。

4 試驗結果分析

試驗測得快速修復混凝土的初凝時間為110 min，可以滿足現場施工需要。快速修復混凝土抗折強度測試結果如表7所示。

表7 快速修復混凝土抗折強度測試結果

從表7可以看出，快速修復混凝土在成型4 h后其抗折強度已經大于4.5 MPa，滿足規范中所規定的重型交通的通車條件；成型6 h后其抗折強度大于5.0 MPa，滿足規范中特重交通的通車條件。

5 結語

本文通過正交試驗對快速修補水泥混凝土聚合物改性劑最佳摻量進行了分析，通過試驗得出聚合物改性劑A和聚合物改性劑B的摻量分別為10%和4%，此時快速修復混凝土在成型4 h后其抗折強度已經大于4.5 MPa，滿足規范中所規定的重型交通的通車條件；成型6 h后其抗折強度大于5.0 MPa，滿足規范中特重交通的通車條件，且混凝土的初凝時間為110 min，可以滿足現場施工需要。