侯鋒鋒（中山市地方公路管理總站，廣東中山528400）

水泥混凝土路面配合比正交試驗(yàn)法優(yōu)化研究

侯鋒鋒（中山市地方公路管理總站，廣東中山528400）

以廣東省連州（湘粵界）至懷集公路先行段路面工程為依托，參考國內(nèi)外前沿研究成果，以優(yōu)化粗集料級配為基礎(chǔ)，通過正交試配法對水泥混凝土路面配合比進(jìn)行優(yōu)化，分析各因素與抗折強(qiáng)度的關(guān)系，擬合抗折強(qiáng)度的預(yù)測模型，得到最優(yōu)的施工配合比。

1 工程概況

廣東省連州（湘粵界）至懷集公路先行段路面工程連接廣東范圍的二廣高速廣賀段和廣西的靈峰至八步高速公路，主線樁號為K160+700～K173+710，支線樁號為K12+996～K30+ 660，全長共30.6km。本項(xiàng)目全部按雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)修建，主線和支線采用剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)方案如下：7cmGAC-20瀝青混凝土面層+防反射裂縫層+30cm水泥混凝土 （設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度為5MPa）基層+復(fù)合土工布隔離層+ 22cm4～5%水泥穩(wěn)定碎石底基層+20cm級配碎石墊層。全線水泥混凝土板設(shè)計(jì)方量累計(jì)29.6萬m3。

2 研究內(nèi)容和思路

水泥混凝土路面一般排在路面施工計(jì)劃的中后期，因此有時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的配比設(shè)計(jì)優(yōu)化。以優(yōu)化粗集料級配為基礎(chǔ)，通過正交試配法對水泥混凝土路面配合比進(jìn)行優(yōu)化，分析各因素與抗折強(qiáng)度的關(guān)系，擬合28d抗折強(qiáng)度的預(yù)測模型，在滿足抗折強(qiáng)度要求和施工和易性的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計(jì)，以獲得最優(yōu)配合比。

3 混凝土配合比正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分析因式設(shè)計(jì)的主要方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

3.1 原材料

水泥：硅酸鹽水泥（P.Ⅱ42.5）。經(jīng)試驗(yàn)檢驗(yàn)，水泥初凝時間105min，水泥終凝時間235min，安定性2.0mm，3d抗折強(qiáng)度5.2MPa，指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

砂：生產(chǎn)Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.84。

碎石：采用4.75～9.5mm、9.5mm～19mm、19～26.5m共3種規(guī)格碎石。經(jīng)檢驗(yàn)，碎石壓碎值為6.3%，含泥量0.6%，針片狀含量7%，均滿足規(guī)范要求。

減水劑：引氣緩凝高效減水劑，型號CNF-3。

3.2 粗集料級配優(yōu)選

優(yōu)化粗集料的組成級配，使粗集料達(dá)到較大的振實(shí)堆積密度及較小的骨架孔隙率，構(gòu)成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，在保證混凝土具有良好工作性的條件下，最大限度的降低膠凝材料的用量進(jìn)而提高混凝土的力學(xué)性能、耐久性和經(jīng)濟(jì)性。

3.3 配合比正交法試配

3.3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在粗集料正交試驗(yàn)得最佳粗集料級配基礎(chǔ)上，以平行試驗(yàn)得到的混凝土施工配合比為參考，在規(guī)范要求范圍內(nèi)取混凝土配合比的另外3大影響因素即砂率、水泥用量、水灰比各四個水平，進(jìn)行L16（45）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（表1）。

3.3.2 比正交試驗(yàn)結(jié)果分析

按配合比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表進(jìn)行混凝土的試件成型試驗(yàn)，測定各組試件的坍落度和28d抗折強(qiáng)度，其中坍落度作為施工和易性參考（滑模攤鋪規(guī)范要求為3～5cm），對28d抗折強(qiáng)度進(jìn)行直觀、極差和方差分析。

表1 混凝土配合比3因素4水平設(shè)計(jì)表

通過極差分析比較，在試驗(yàn)因素水平變化范圍內(nèi)，水灰比的極差最大，其次是水泥用量和砂率，由此可知，對混凝土抗折強(qiáng)度影響由大到小依次是水灰比、水泥用量和砂率。

表2 28d抗折強(qiáng)度方差分析表

由表2中的方差分析知，水灰比的F比值最大，對抗折強(qiáng)度的影響最大，但各因素的F比值均未超過給定a=0.1的F臨界值，這是因?yàn)樵囼?yàn)因素的水平偏差偏小。

3.3.3 結(jié)果線性回歸分析

假設(shè)三因素與28d抗折強(qiáng)度多元線性回歸模型是：

Y=a1X1+a2X2+a3X3+b

式中：a1、a2、a3為回歸系數(shù)；Y為28d抗折強(qiáng)度；X1砂率；X2為水泥用量；X3為水灰比。通過對16組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸得到回歸方程：Y=-0.0075X1+0.0233X2-15X3+3.63（33≤X1≤39，338≤X2≤365，0.37≤X3≤0.43）。

多元線性回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.855，證明多元回歸方程與16組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的回歸相關(guān)性。

用多元回歸線性方程對16組正交配合比試驗(yàn)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測精度較高，與試配強(qiáng)度相比誤差基本都在5%內(nèi)，能滿足工程實(shí)際使用的精度要求。

4 確定混凝土路面優(yōu)化配合比

根據(jù)水泥混凝土路面配合比正交設(shè)計(jì)試配結(jié)果和多元線性回歸方程，取混合料配合比設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度5.75MPa（即1.15倍設(shè)計(jì)強(qiáng)度），考慮施工和易性和經(jīng)濟(jì)性，確定優(yōu)化配合比。

經(jīng)驗(yàn)證優(yōu)化配合比塌落度 4.0cm，28d抗折強(qiáng)度為5.80MPa，滿足施工和易性和設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度要求，同時與多元線性回歸方程預(yù)測的28d抗折強(qiáng)度5.82MPa僅相差0.02MPa。

[1]公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范[M].人民交通出版社，2003.

[2]欒 軍.現(xiàn)代試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1994.

[3]鄧初首.道路混凝土原材料的選用與抗折強(qiáng)度影響因素的探討[J].四川建筑科學(xué)研究，2005（2）：107～109.

[4]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（6）：28～30.

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A

2095-2066（2016）24-0216-01

2016-8-10

侯鋒鋒（1986-），男，湖南郴州人，中級工程師，研究生，從事路橋建設(shè)維修管理工作。