基于正交試驗方法的裝配式小型水工建筑物混凝土配合比研究

劉建剛，張禮華

（1.常州市武進區水利局，江蘇 武進 213100 ；2.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

1 問題的提出

小型裝配式建筑物由于具有施工簡、工期短、資金少等方面的優點，近年來在小型水利工程中得到越來越多的應用。但同時，由于小型水工建筑物面廣量大，且一般地處偏遠，交通不便，而采用傳統混凝土預制構件存在笨重，運輸、安裝不便等問題，依然在一定程度上制約了小型裝配式水工建筑物的推廣。因此，如何尋找一種強度滿足要求條件下，兼具質量較輕特性的混凝土預制構件材料，已成為下一步水利發展的緊迫問題之一。

正交試驗方法由于具有“均衡搭配”和“綜合可比性”的特點[1]，多年來得到了極為廣泛的應用。材料方面，由于玻璃纖維混凝土具有強度高、韌性大、抗沖擊性強等特點，在隧道、道路、房屋等領域得到較為廣泛的應用，但目前針對該種材料混凝土的研究主要集中在抗拉、抗剪等力學性能等方面的研究[2-8]，尚少見到該建筑物應用于水工建筑物中，且同時滿足輕質、高強的目的。現擬根據裝配式小型水工建筑物的要求，結合常規混凝土外摻劑粉煤灰、硅粉，利用正交設計方法，開發出一種適宜配合比的玻璃纖維混凝土，與傳統混凝土相比，滿足輕質、高強的要求，以期為小型裝配式水工建筑物的發展和推廣提供助力。

2 試驗設計

2.1 試驗目的

一般情況下，小型水工建筑物混凝土強度達到C25 即可滿足使用要求，特殊情況下需達到C30 以上。該項試驗以C25 為控制指標，在傳統混凝土建筑材料的基礎上，通過摻加適宜的耐堿玻璃纖維等外摻劑，使之與傳統混凝土相比，在滿足強度要求的前題下，容重降低10%以上，達到輕質高強的要求。

2.2 材料選取

該項試驗選用材料除包括傳統的混凝土材料外，主要有水泥、黃砂、石子等，還包括外摻劑粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維。

試驗用水泥采用南京海螺水泥有限公司生產的海螺牌P·042.5 級普通硅酸鹽水泥，其比表面積≤300，總堿含量≤0.6，28 d 抗壓強度≥42.5。選用常州Ⅱ級粉煤灰，其主要性能為SiO2含量49.5%。硅粉購自常州航艇，其特性為SiO3含量0.41%，CaO 含量0.59%。耐堿玻璃纖維產自河南永興，密度2 700 g/cm3，長度16 mm，抗拉強度1 900 MPa。

對采用不同產地的產品，構成材料各項性能可能不完全一致。

2.3 配合比設計

為減少試驗次數，規劃采用正交試驗方法，探尋不同外摻劑摻量對混凝土性能的影響。在前人研究的基礎上，確定此次試驗粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%，硅粉摻量分別設定為3%、6%、9%，玻璃纖維摻量分別設定為1%、2%、3%。由此，構造L9（34）型正交表，其因素及水平見表1 所列。

表1 因素與水平一覽表

根據上述因素和水平，可構造正交試驗設計，見表2 列（1）~ 列（4）。

表2 正交表設計一覽表

根據上述正交表，制作混凝土試塊，試塊規格150 mm×150 mm×150 mm，每組試驗制作三塊，總計27 塊，在恒溫恒氧養護室中養護至28 d 齡期，測取每一試塊容重后，再進行破壞荷載試驗，試驗室中取每一組試塊的平均值作為該配合比條件下的試塊容重和強度。

同時，試驗室中按水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.48∶3.63∶0.44 的比例，制備普通混凝土，在同樣條件下養護，以作對比分析。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

對實驗室試制的每一組試塊測算容重，并采用破壞荷載試驗確定其強度，容重和強度平均結果見表2 列（5）~列（6）。由結果可知，每一組試塊強度均能滿足C25 強度要求。

3.2 結果分析

3.2.1 極差分析

3.2.1.1 極差分析

進行極差分析的主要目的是：由于粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維均對混凝土強度和容重產生影響，通過極差分析，找出影響上述指標的主要因素和次要因素；同時，分析粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維處于什么水平時，使混凝土達到輕質高強的目的。極差分析見表3 所列。

表3 極差分析表

根據極差分析結果，試件強度- 因素變化、試件容重-因素變化趨勢見圖1、圖2 所示。

圖1 試件強度- 因素趨勢圖

對試件強度- 因素和試件容重-因素關系曲線進行分析可知：

（1）隨著A 因素（粉煤灰）摻量的不斷加大，混凝土強度呈現先增加后減小的現象，強度由水平1（10%）提升至水平2（20%）時，相應強度提升2.5%，摻量進一步提升至水平3（30%）時，相應強度降低3.5%；但同時，其容重則隨摻量的不斷提升呈現不斷降低的趨勢，當摻量由水平1（10%）經水平2（20%）提升至水平3（30%）時，容重分別降低6.0%、7.0%。由于粉煤灰是用來代替水泥的，粉煤灰摻量的不斷增大，對保證混凝土強度不利。

圖2 試件容重- 因素趨勢圖

（2）隨著B 因素（硅粉）摻量的不斷加大，混凝土試件強度呈現先減小后增加的趨勢，當摻量由水平1（3%）經水平 2（6%）提升至水平 3（9%）時，強度先降低2.6%、再提升7.5%；而容重則呈現不斷降低的趨勢，當摻量由水平 1（3%）經水平 2（6%）至水平 3（9%）時，容重分別降低7%、22%。說明隨硅粉摻量的不斷加大，對強度的增加是有利的，且不低于2%。

（3）隨著C 因素（耐堿玻璃纖維）摻量的不斷增大，強度和容重均隨之減少，當摻量由水平1（3%）經水平2（6%）至水平3（9%）時，強度分別降低1.1%、1.0%；而容重則分別降低2.2%、4.0%。

3.2.1.2 成果

綜合上述極差分析成果，易知：

（1）對強度影響的主次次序是：C＞B＞A；對容重影響的主次次序是：A＞C＞B。

（2）對強度而言，最優組合為A2B3C1（要求試塊強度越高越好）；對容重而言，最優組合為A3B3C3（要求試塊容重越低越好）。

3.2.2 最優配合比確定

以綜合平衡法確定最優配合比。

根據極差分析成果，最優強度組合和最優容重組合并不一致，因此，尚需對極差結果進一步分析，以找出最優配合比，根據各因素影響主次次序，采用綜合平衡法確定最優配合比。

以A（粉煤灰）因素為例，判斷過程如下：由極差分析表易知，A 因素對容重影響最大，而對強度影響最小。對強度而言，隨著摻量的增加，強度呈現先增加、再減少的現象，因此，A2方案為最優選擇。而對于容重而言，呈現摻量越大容重越低的現象，因此，A3為最優選擇。為便于比較A2、A3對優選結果的影響，分別以 A2、A3為基準，在權重 1∶1，即強度、容重同等重要條件下，判斷A 因素不同摻量時相對變化幅度，以此確定A 因素最優摻量，見表4 所列。

表4 A 因素不同摻量相對變化幅度一覽表

由表4 分析可知，以A2為基準，摻量A3相對于A2，試件強度減少3.5%（不利），容重減少7.5%（有利）；以A3為基準，摻量A2相對于A3，強度增加3.7%（有利），但容重增加達8.1%（不利）。因此，綜合上述分析，A 因素宜選擇A2。

同理，可確定 B 因素（硅粉）、C 因素（耐堿玻璃纖維）最優選擇分別為B3、C1，則此試驗最優配合比為A2B3C1。

根據上述最優配合比，其最優試驗剛好為第6號試驗，即粉煤灰摻量20%、硅粉摻量9%、耐堿玻璃纖維摻量1%時，可取得較好的強度和容重，其試驗結果為：強度30.5 MPa，容重2 015 kg/cm3。其與普通混凝土（水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.48∶3.63∶0.44）性能比較結果見表5 所列。

表5 與普通混凝土性能比較表

由表5 可知，與傳統C25 混凝土相比，通過上述優選比例添加粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維等，可使混凝土強度提升15.1%，容重減少15.3%，達到輕質高強的目的。

4 結 語

（1）在傳統混凝土建筑材料基礎上，通過正交試驗方法，確定粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維等外摻劑的優化配合比，在保證混凝土抗壓強度的同時，能夠有效降低混凝土容重，從而為裝配式水工建筑物的實施提供了保障。

（2）在試驗中，采用指定產地的產品材料，水泥采用的是南京海螺水泥有限公司生產的海螺牌P·042.5 級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用常州Ⅱ級粉煤灰，硅粉購自常州航艇，耐堿玻璃纖維產自河南永興，由于不同產地產品，其性質并不一定相同，甚至差異很大，因而具體推廣應用時，應在試驗的基礎上，進一步調整適宜的配合比。

（3）優選結果假定混凝土試塊的強度、容重對試驗結果的影響重要性比值為1∶1，如改變兩者的重要性比值，則相應結果可能隨之改變。

（4）通過綜合平衡法確定最優配合比，其最優結果剛好為6 號試驗，但往往大量工程試驗中最優配合比并不一定剛好位于已發生試驗中。此時，尚需根據所分析的最優配合比結果重新試驗，并與已知試驗結果進行比對，進一步判斷優化結果的合理性。