吳小鋒黃小玲

（1東莞市虎門(mén)港混凝土有限公司；2東莞華潤(rùn)水泥廠有限公司）

正交試驗(yàn)法在混凝土配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳小鋒1黃小玲2

（1東莞市虎門(mén)港混凝土有限公司；2東莞華潤(rùn)水泥廠有限公司）

本文嘗試用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)較少的試驗(yàn)，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析方法來(lái)確定混凝土配合比中最佳的外加劑摻量、摻合料摻量及機(jī)制砂替代天然砂的合適的替代率。

正交試驗(yàn)；混凝土配合比；方差分析

1　前言

隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展，用于混凝土中的摻合料的種類(lèi)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(lái)越匱乏，各種人工砂也逐漸應(yīng)用到混凝土的生產(chǎn)中。混凝土中的各種材料的搭配對(duì)混凝土性能的影響也越來(lái)越復(fù)雜，已經(jīng)不能單憑經(jīng)驗(yàn)就諸多因素對(duì)混凝土性能的影響進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。但是如果對(duì)各種因素都進(jìn)行試驗(yàn)，最大的問(wèn)題就是試驗(yàn)次數(shù)太多，浪費(fèi)很多人力和物力。例如，如果有四個(gè)因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有影響，每個(gè)因素取三個(gè)不同水平進(jìn)行比較，那么就需要進(jìn)行34=81次試驗(yàn)。因此，有必要進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較多的信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)選擇各因素的最佳水平，從而達(dá)到合理利用資源，節(jié)約成本并保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)正是其中一種常用的方法。

2　正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)原理

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)最早由日本統(tǒng)計(jì)學(xué)家田口玄一提出，稱(chēng)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)型（田口型）正交試驗(yàn)法，是利用正交表來(lái)安排和分析多因素試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法［1］。它是在試驗(yàn)因素的全部組合中，選出有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的組合。如果把所有的試驗(yàn)集合看作一個(gè)立體空間，正交試驗(yàn)所選的試驗(yàn)在空間中具有“均勻分散，整齊可比”的特點(diǎn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分無(wú)交互作用正交試驗(yàn)和有交互作用正交試驗(yàn)，本文只考慮無(wú)交互作用正交試驗(yàn)。

3　實(shí)驗(yàn)材料及方案設(shè)計(jì)

我們分析的試驗(yàn)因素有三種，分別是磨細(xì)灰的摻入量（因素A）、外加劑的摻量（因素B）還有機(jī)制砂占總砂的百分比（因素C）。為了使試驗(yàn)更簡(jiǎn)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(jìn)行試驗(yàn)。水泥及摻合料的總量保持不變，摻合料為礦渣粉和磨細(xì)灰。主要考察的性能標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè)方面：混凝土拌合物的流動(dòng)度、坍落度損失和混凝土試塊抗壓強(qiáng)度。

3.1實(shí)驗(yàn)材料

⑴水泥：采用P·O42.5R水泥，物理性能見(jiàn)表1。

表1　水泥物理性能指標(biāo)

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

⑶粉煤灰：II級(jí)復(fù)合磨細(xì)灰，45μm篩余14.2%，需水量比102%，7d活性指數(shù)64%，28d活性指數(shù)68%。

⑷細(xì)骨料：水洗砂，細(xì)度模數(shù)2.5；機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.0，石粉含量6.2%。

⑸粗骨料：石子，5～25mm連續(xù)級(jí)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(shè)計(jì)方案

⑴因素水平表（表2）

表2　因素水平

⑵正交設(shè)計(jì)表

根據(jù)因素的水平數(shù)采用正交設(shè)計(jì)表L9（34）（表3）。

表3　正交設(shè)計(jì)

表4　直觀分析計(jì)算

4　試驗(yàn)結(jié)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(dòng)度，L1代表該因素所有水平為1的試驗(yàn)結(jié)果之和，Lˉ1為L(zhǎng)1/3（以此類(lèi)推），值較大說(shuō)明流動(dòng)度越好；T代表1小時(shí)坍落度損失，結(jié)果越小說(shuō)明1小時(shí)坍落度損失越小；Q代表混凝土試塊28d抗壓強(qiáng)度，值越大說(shuō)明抗壓強(qiáng)度越高。R代表極差，它反映了各因素不同水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果均值的最大值與最小值之差，值越大說(shuō)明該因素對(duì)指標(biāo)的影響越大。

從表4可以看出，磨細(xì)灰摻量在水平1，也就是摻量占摻合料的30%時(shí)，混凝土拌合物的流動(dòng)度最大；外加劑摻量在水平3，也就是摻量為1.8%時(shí)，混凝土拌合物流動(dòng)度最大；機(jī)制砂占總砂的百分比在水平1，也就是替代率為20%時(shí)，混凝土流動(dòng)度最大。從上述分析可以得出結(jié)論：混凝土流動(dòng)度最佳時(shí)各因素的組合應(yīng)該為A1+B3+C1，也就是磨細(xì)灰摻量為30%，外加劑摻量為1.8%，機(jī)制砂摻為20%時(shí)混凝土流動(dòng)性最好。這一結(jié)論與我們所累積的經(jīng)驗(yàn)一致。從各因素的極差可以看出，三種因素對(duì)混凝土拌合物的流動(dòng)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(jī)制砂占總砂的百分比，而磨細(xì)灰的摻量影響較前兩者要小。

各因素對(duì)混凝土拌合物1小時(shí)坍損及強(qiáng)度的影響可以按以上的思路去分析并得出結(jié)論，混凝土拌合物坍損較小的組合是A1+B3+C1，外加劑摻量對(duì)其影響最大，其次是磨細(xì)灰的摻量，機(jī)制砂占總砂的百分比對(duì)其影響略小?；炷?8d抗壓強(qiáng)度較大的組合是A1+B2+C2，且機(jī)制砂的摻量對(duì)強(qiáng)度的影響較大，磨細(xì)灰的摻量影響較小，由于我們?cè)囼?yàn)時(shí)是用固定水膠比，所以外加劑摻量在一定的范圍內(nèi)對(duì)強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。

4.2方差分析

⑴方差分析計(jì)算表（表5）。

⑵方差分析表（表6）。

對(duì)于初始流動(dòng)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，F(xiàn)B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(duì)于1小時(shí)坍損，因素A、B、C均在顯著性水平0.05上是顯著的；對(duì)于28d抗壓強(qiáng)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(duì)顯著因素應(yīng)該選擇其最好的水平，因?yàn)槠渌阶兓瘯?huì)造成指標(biāo)的顯著不同，而對(duì)不顯著因子可以任意選

擇水平，實(shí)際中往往根據(jù)成本的高低來(lái)選擇。如果綜合考慮上述三個(gè)性能指標(biāo)，最佳的因素組合應(yīng)該為A1+B3+C1。即磨細(xì)灰摻量占摻合量總量20%，外加劑摻量1.8%，機(jī)制砂占總砂的20%。但是，綜合考慮到混凝土的強(qiáng)度、和易性及生產(chǎn)成本，在強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)之上，結(jié)合混凝土拌合物的和易性及生產(chǎn)成本，我們最終確定組合A2+B2+C2是最經(jīng)濟(jì)的組合。即磨細(xì)灰摻量占摻合料總量30%，外加劑摻量為1.6%，機(jī)制砂占總砂的30%。后續(xù)的配合比驗(yàn)證試驗(yàn)也證實(shí)了這一結(jié)論。

表5　方差分析計(jì)算

表6　方差分析

5　結(jié)束語(yǔ)

由于混凝土的性能指標(biāo)較多，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)可能會(huì)出現(xiàn)針對(duì)不同的指標(biāo)得出不同的最優(yōu)組合的問(wèn)題。因此需要我們綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，在保證質(zhì)量的前提下，兼顧生產(chǎn)成本等方面，最終合理地確定各因素的最佳水平?！?/p>

［1］成全喜，鄭淑平，孫玉紅.正交試驗(yàn)法在混凝土配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù).2006（06）：28-30.