章東方

(中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司,上海市 200070)

當今混凝土不再簡單是過去由水泥和水組成的水泥漿體包裹著起骨架作用的砂石,而是隨社會發(fā)展和環(huán)境要求,添加一定摻量的外摻料和外加劑,從而在混凝土拌合物性能、力學性能、耐久性能等方面都有著優(yōu)異的表現(xiàn)。在混凝土配合比設計選用多項原材料的時候,我們將所有原材料按照不同搭配來進行組合試驗分析,其工作量無疑是非常大的。如何盡可能地減少試驗次數(shù)的同時,獲得最優(yōu)的配合比組合呢？正交試驗方法則為我們提供了一個可以優(yōu)化試驗設計和減少重復試驗次數(shù)的工具,它具有均勻分散性、整齊可比性、簡單操作等特點[1]。它首先分析影響配合比設計的主要因素,在每個因素中挑選幾個水平數(shù),選擇合適的正交表進行表頭設計,確定試驗方案,分析試驗數(shù)據,從而得出最優(yōu)配比組合。

1 配合比用原材料

設計圖紙明確了雙塊式軌枕道床板混凝土強度等級為C40,環(huán)境類別為碳化環(huán)境,其作用等級為T2,結構設計年限不小于60年。56d收縮率不超過400×10-6,56d電通量小于1500C。結合國內已建項目如武廣、成渝和蘭新客運專線雙塊式無砟軌道道床板經驗總結,其混凝土配合比以減少混凝土的塑性變形、長期收縮變形、提高混凝土早期抗拉強度為目標,按照“低膠材、低用水量、低坍落度、高含氣量”(三低一高)的原則來設計[2]。試驗室初步采用水泥、粉煤灰、礦渣粉、細骨料、粗骨料、減水劑、引氣劑和拌合用水等原材料,其檢測指標如下：①水泥：蕪湖海螺低堿水泥,P·O42.5,標準稠度用水量27.1%,比表面積346m2/kg,堿含量0.54%,燒失量2.61%,3d抗壓強度24.6MPa,抗折強度5.3MPa,28d抗壓強度47.0MPa,抗折強度8.2MPa；②粉煤灰：銅陵電廠,Ⅱ級灰,細度18.6%,燒失量3.14%,需水量比103%；③礦渣粉：安徽朱家橋水泥廠,S95,比表面積403m2/kg,燒失量1.74%,流動度比104%；④細骨料：涇縣河砂,Ⅱ區(qū)中砂,細度模數(shù)2.7,含泥量1.1%；⑤粗骨料：南陵恒鑫,石灰?guī)r,5～31.5mm連續(xù)級配碎石(5～16mm∶16～31.5mm=30%：70%)；⑥減水劑：四川柯帥KS-JS標準型聚羧酸高性能減水劑,減水率27%,含氣量2.6%,28d抗壓強度比150%；⑦引氣劑：四川柯帥KS-AE引氣劑,減水率8%,含氣量6.7%；⑧拌合用水：南陵自來水。

2 影響因子和水平的選擇

選取水膠比、粉煤灰摻量、礦渣粉摻量、砂率作為因子,每個因素選取3個不同水平。不考慮因子間交互作用,試驗的總自由度f=(3-1)×4=8,選擇正交試驗表L9(34),可滿足要求,見表1。

表1 配合比正交試驗表

3 試驗方案策劃

方案中各配合比的減水劑摻量為膠凝材料總量的1.1%,引氣劑摻量為減水劑用量的1.0%。單方混凝土用水量為144kg/m3。假定混凝土容重為2370kg/m3,結合表1采用重量法,分別計算出9組試驗號對應的配合比,見表2。

表2 各組配合比原材料用量表

4 試驗數(shù)據分析

高速鐵路雙塊式軌枕道床板混凝土評價指標很多。本文擬關注現(xiàn)場施工指標1h坍落度損失值ΔSl和7d抗壓強度f7,以及關注混凝土結構判定指標56d抗壓強度f56、56d電通量Q56和56d收縮率ε56。因此,分別對9組配合比進行以上5個項目的檢測,涉及到混凝土拌合物性能、力學性能和耐久性能等指標。其試驗結果見表3。

表3 配合比試驗結果

正交法數(shù)據分析方法一般有兩種,分別是極差分析法和方差分析法。本文采用前者,即先計算因子A條件下某一水平i的所有檢測結果之和Ki,再求出該水平i的平均值ki=Ki/m,依次計算出因子A其它各水平對應的k值。則因子A的極差RA等于k1到km之間的最大值與最小值的差值,其中m為水平數(shù)。計算的極差R愈大,說明對應因子的影響愈明顯。如對1h坍落度損失值ΔSl這個指標效果計算考核,具體結果見下表4。

表4 ΔSl極差分析

從表4可以看出,RB>RA>(RC、RD)。其中,極差最大的是因子B,說明因子B(粉煤灰摻量)對ΔSl指標結果的作用影響非常顯著。配合比設計和現(xiàn)場施工要求ΔSl越小越好,從各因子中選取k值最小的,即選擇A2B1C1D2組合。

同理,依次對f7、f56、Q56、ε56的影響因子進行極差計算分析,其結果分別是：f7∶RA>RB>RD>RC,選擇組合A1B1C1D1；f56∶RA>RC>(RB、RD),選擇組合A1B2C3D2；Q56∶RA>RB>RD>RC,選擇組合A1B3C3D2；ε56∶RB>RA>RD>RC,選擇組合A2B3C2D1。

綜合上述5個指標的極差分析,因子A中A1出現(xiàn)3次,因子B中B1和B3各出現(xiàn)2次,因子C中C1和C3各出現(xiàn)2次,因子D中D2出現(xiàn)3次。即理論最佳組合A1(B1或B3)(C1或C3)D2?？紤]到大摻量的粉煤灰B3或礦渣粉C3雖然對混凝土的結構耐久性有利,但顯著影響著混凝土坍落度損失值,特別是運輸距離長的現(xiàn)場施工環(huán)境。故從施工的便利性上選取適量摻量的粉煤灰B1和礦渣粉C1,即組合A1B1C1D2,對應的指標分別為：水膠比0.36,粉煤灰摻量20%,礦渣粉摻量10%,砂率38%。

但實際施工中,我們選擇組合A2B1C1D2,比較這兩個組合A1B1C1D2和A2B1C1D2,可以看出：①ΔSl對現(xiàn)場施工的混凝土性能影響較大,ε56對軌枕道床板結構耐久性影響較大,且兩個指標均對應著A2；②在同一用水量情況下,前者膠材用量為400kg/m3,后者用量為379kg/m3。顯然后者更符合軌枕道床板配合比設計要求“低膠材”原則；③從經濟性角度考量,前者單方混凝土經濟成本為273.4元,后者僅為266.0元。后者比前者降低了7.4元。下表列舉當?shù)卦牧蟽r格和兩者的單方混凝土成本,見表5。

表5 單方混凝土計算表

5 結論

(1)結合實際,采用正交分析選用的最優(yōu)配合比組合能夠滿足高速鐵路上雙塊式軌枕道床板混凝土施工,實現(xiàn)了其拌合物性能、力學性能和耐久性能等項目的目標要求。

(2)正交分析的評價指標選擇很重要,其選擇不同,得到的結論也可能不同。

(3)極差分析得到的結果還應當結合實際情況來綜合分析考量,從而選取最佳組合。

[1]吳小峰,黃小玲.正交試驗法在混凝土配合比設計中的應用[J].廣東建材,2016(7)：6-8．

[2]楊永明.CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板裂縫成因分析及控制措施[J].鐵道標準設計,2015(4)：17．