不同因素交互作用下塑性混凝土性能的优化研究

杜 建，孙宁宁

(1.莒南县水利局，山东 临沂 276600；2.莒南县水务发展集团有限公司，山东 临沂 276600)

0 引 言

混凝土配合比设计及原材料组成对混凝土不同性能的影响很大，当配合比设计不合理或者原材料选取不当，结构会不同程度的出现裂缝问题，导致抗渗性能下降、抗压强度严重不达标等质量问题，严重影响整体结构的稳定性及质量安全性。针对混凝土质量原因导致的问题；开展配合比重新设计验证工作，委托材料种类、砂率、用水量、水胶比等重点因素重新设计验证，通过测试抗压强度、渗透系数、弹性模量及弹强比等关键指标，开展混凝土配合比设计工作[1]。

1 工程概况

2020年8月14日，黄河水利委员会黄河水利科学研究院受“山西省晋中市水利建筑工程总公司沁河重点河道治理工程施工05标项目部”委托，根据委托单位提供的水泥、膨润土、黏土、砂、石子、减水剂等原材料，开展沁河重点段河道治理工程施工05标的混凝土配合比试验，以保证混凝土强度、抗渗性及弹强比满足设计要求，试验时间为2020年8月15日-2020年9月30日。

2 试验原材料

水泥采用P·O42.5级水泥，初凝时间156min，终凝时间271min，烧失量3.63%，3d抗压强度24.0MPa，3d抗折强度5.1MPa，氧化镁含量3.02%；试验采用河砂，细度模数2.6-2.7，含泥量2.7%，碎石5-25mm连续级配，压碎指标10%，含泥量0.6%；外加剂为聚羧酸减水剂，含气量2.2%，减水率24.0%；水为饮用水[2]。

3 正交试验设计

本次配合比采用正交试验设计方式确定，试验因素为水泥掺量、膨润土掺量、砂率、水胶比4个因素，每种因素设计4个水平，共计16个试验组合，通过极差和方差分析，确定每种因素的影响规律，得到最优配合比。水平因素表，见表1。

表1 水平因素表

根据水平因素表，L16(45)的正交设计表，见表2所示。

表2 L16(45)的正交设计表

4 混凝土配合比设计

水泥掺量初步确定为38%-50%，膨润土掺量为18%-30%，砂率为53%-65%，水胶比为0.86-0.98。混凝土配合比，见表3。

表3 混凝土配合比

续表3 混凝土配合比

5 结果与讨论

5.1 极差分析

通过计算发现影响抗压强度最主要的因素为水泥掺量，其次为水胶比、砂率、膨润土。水泥掺量影响极为显著，试样抗压强度随着水泥掺量的增加而增大；影响弹性模量最主要的因素为水泥掺量，其次为水胶比、砂率、膨润土，水泥掺量影响较为显著；影响弹强比最主要的因素为砂率，其次为水泥掺量、水胶比、膨润土，砂率影响一般显著；影响渗透系数最主要的因素为水胶比，其次为膨润土、砂率、水泥掺量，水胶比影响相对显著[3-4]。

5.2 方差分析

5.2.1 抗压强度

根据试验结果，按照正交试验结果分析方法，分别对各试样立方体抗压强度进行方差分析。其中空列极差R，是作为试验误差的估算值。立方体抗压强度多因素方差分析表，见表4，水泥掺量及水胶比影响极为显著。

表4 立方体抗压强度多因素方差分析表

5.2.2 弹性模量

按照正交试验结果分析方法，分别对各试样弹性模量进行方差分析。弹性模量多因素方差分析表，见表5，水泥掺量对弹性模量影响极为显著。

表5 弹性模量多因素方差分析表

5.2.3 弹强比

按照正交试验结果分析方法，分别对各试样弹强比进行方差分析。弹强比多因素方差分析表，见表6，砂率对弹强比影响一般显著。

表6 弹强比多因素方差分析表

续表6 弹强比多因素方差分析表

5.2.4 渗透系数

按照正交试验结果分析方法，分别对各试样渗透系数进行方差分析。渗透系数多因素方差分析表，见表7，水胶比对渗透系数影响相对显著。

表7 渗透系数多因素方差分析表

6 结 论

1)根绝所提供的的原材料，通过混凝土的坍落度及扩展度测试，保证混凝土的和易性，用水量的合理范围为260-280kg/m3，推荐用水量为270kg/m3。

2)根据渗透系数试验结果及极差、方差分析，水胶比对渗透系数影响相对显著，水胶比为0.86-0.90，胶凝材料质量>单方300kg，混凝土渗透系数较好地满足<1×10-7cm/s的控制标准，推荐水胶比为0.86；根据立方体抗压强度试验结果及极差、方差分析，水泥掺量对抗压强度影响极为显著，为保证施工配制强度达到2.8-4.3MPa，混凝土的水泥掺量范围为46-50%，推荐水泥用量为130-150kg/m3；根据弹性模量、弹强比结果及极差、方差分析，水泥掺量对弹性模量影响极为显著，砂率、水泥掺量、水胶比对弹强比均有影响，本次弹强比测试均满足要求，按照测试弹强比值450为标准，推荐砂率为53%-57%[5]。

3)通过正交优化试验，得到最佳混凝土配合比，即水泥用量为145kg/m3，膨润土用量为94kg/m3，黏土用量为75kg/m3，用水量为270kg/m3，砂子用量为864kg/m3，石子用量为652kg/m3，外加剂掺量为0.2%。