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        膠凝砂礫石抗壓強度影響因素分析

        2020-12-14 04:32:27陳守開符永淇文別亞靜
        人民黃河 2020年11期
        關(guān)鍵詞:配合比設(shè)計抗壓強度響應(yīng)面法

        陳守開 符永淇文 別亞靜

        摘 要:為了給膠凝砂礫石配合比設(shè)計及優(yōu)化提供參考,在單因素和多因素試驗的基礎(chǔ)上,應(yīng)用響應(yīng)面法分析了粉煤灰摻量、砂率和水膠比三因素及其交互作用對膠凝砂礫石 28 d抗壓強度的影響。結(jié)果表明:抗壓強度指標(biāo)對單因素的敏感程度依次為水膠比>粉煤灰摻量>砂率,雙因素交互作用對抗壓強度影響的顯著程度依次為水膠比與砂率>水膠比與粉煤灰摻量>粉煤灰摻量與砂率;膠凝砂礫石最優(yōu)粉煤灰摻量為50%、最優(yōu)砂率為0.2、最優(yōu)水膠比為1.0;采用響應(yīng)面法可以建立較精確的多元回歸模型,其對膠凝砂礫石配合比設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

        關(guān)鍵詞:膠凝砂礫石;響應(yīng)面法;配合比設(shè)計;抗壓強度;粉煤灰摻量;砂率;水膠比

        中圖分類號:TV42 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.027

        Abstract:In order to provide a reference for the design and optimization of the mixture ratio of cemented sand and gravel, on the basis of single-factor and multi-factor experiments, the response surface methodology was used to analyze the effect of three factors including fly ash content, sand ratio and water-binder ratio as well as their interaction on the 28 d compressive strength of cemented sand and gravel. The results show that the sensitivity of the single factor influencing the compressive strength index is water-binder ratio > fly ash content > sand ratio, and the significance of the two-factor interaction on the compressive strength is water-binder ratio and sand ratio > water-binder ratio and fly ash content > fly ash content and sand ratio. The optimal fly ash content of cemented sand gravel is 50%, the optimal sand ratio is 0.2, and the optimal water-binder ratio is 1.0. The response surface methodology can be used to establish a more accurate multiple regression model, which has guiding significance for the design of mixture ratio of cemented sand and gravel.

        Key words: cemented sand and gravel; response surface methodology; mixture ratio design; compressive strength; fly ash content; sand ratio; water-binder ratio

        膠結(jié)顆粒料壩是介于土石壩和混凝土壩之間的新壩型,其核心是“宜構(gòu)適材”或“宜材適構(gòu)”,即通過調(diào)整壩體結(jié)構(gòu)來適應(yīng)材料特性或選擇合適材料來滿足壩體結(jié)構(gòu)的不同要求[1]。膠凝砂礫石(Cemented Sand and Gravel,CSG)壩作為膠結(jié)顆粒料壩的一種,是將膠凝材料、水、河床原狀砂礫石或開挖廢棄料等通過簡易設(shè)備拌和后修筑的壩[2],具有安全且不過度超強、經(jīng)濟且適應(yīng)性好等特點。孫明權(quán)等[3-4]開展了用水量和膠凝材料(水泥+粉煤灰)用量對膠凝砂礫石抗壓強度的影響研究,結(jié)果表明最優(yōu)用水量為85~125 kg/m3、最優(yōu)水膠比為0.95~1.35,粉煤灰的經(jīng)濟摻量和最優(yōu)摻量分別為40%、50%;劉錄錄等[5]通過正交試驗,發(fā)現(xiàn)膠凝砂礫石壩抗壓強度影響因素的主次順序為膠凝材料用量、水膠比、細(xì)骨料含量;李建成等[6]根據(jù)強度波動區(qū)理論設(shè)計配合比,經(jīng)分析認(rèn)為水膠比、膠凝材料用量、粉煤灰摻量、骨料級配及壓實功是影響膠凝砂礫石抗壓強度的主要因素,且水膠比的影響最大。

        響應(yīng)面法(Response Surface Methodology,RSM)就是利用合理的試驗設(shè)計獲得的數(shù)據(jù),建立因素與響應(yīng)值的多元非線性回歸模型,對試驗方案進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化的系統(tǒng)方法。與單因素控制變量法和正交試驗相比,響應(yīng)面法具有明顯優(yōu)勢[7-8],其能以最少的試驗和時間較為全面地反映多因素、多水平下的連續(xù)響應(yīng)情況,已在混凝土研究領(lǐng)域得以應(yīng)用[9-10],但是鮮有在膠凝砂礫石力學(xué)性能研究方面的應(yīng)用。本文以膠凝砂礫石的配合比設(shè)計為例,把粉煤灰摻量、砂率、水膠比作為影響因素,把膠凝砂礫石抗壓強度作為響應(yīng)值,基于Design-Expert 軟件中的Box-Behnken Design(BBD)試驗設(shè)計方法建立3因素3水平的RSM模型,分析各因素及其交互作用對膠凝砂礫石28 d抗壓強度的影響,以期為膠凝砂礫石配合比設(shè)計及優(yōu)化提供參考。

        1 試驗概況

        1.1 試樣制作

        試驗用水泥為河南多樣達(dá)水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其性能指標(biāo)見表1;試驗用粉煤灰為鄭州熱電廠干排 F類Ⅱ級粉煤灰,其密度為2.11 g/cm3,45 μm篩余為17%,需水量比為102%,化學(xué)成分見表2;試驗用砂礫料為汝河汝州市段河道砂礫石,粒徑級別為5~20 mm與20~40 mm,二者配制比例為4∶6;試驗用河砂為汝州市北汝河河砂,細(xì)度模數(shù)為2.58;試驗用水為鄭州市自來水。

        標(biāo)準(zhǔn)立方體(邊長150 mm)試件的制作流程如圖1所示。試件養(yǎng)護至28 d后采用立方體抗壓強度試驗機進(jìn)行抗壓強度試驗(加載速率為0.3 MPa/s),試驗按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)和《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)進(jìn)行。

        1.2 響應(yīng)面設(shè)計及試驗結(jié)果

        本次研究主要考慮在表觀密度為2 350 kg/m3,水泥用量為50 kg/m3,膠凝材料用量為80、90、100 kg/m3 的情況下,粉煤灰摻量(A)、砂率(B)和水膠比(C)3個因素對膠凝砂礫石 28 d抗壓強度(Y)的影響。借助Design-Expert軟件,利用BBD進(jìn)行試驗設(shè)計,建立3因素3水平1響應(yīng)的RSM試驗方案(見表3)。該方案共生成17個試驗點,其中:析因部分試驗點12個,中心重復(fù)試驗點5個(序號為2、4、7、9、11)??箟簭姸仍囼灲Y(jié)果見表3。

        由表4(其中F為顯著性檢驗指標(biāo)、P為概率,F(xiàn)值越大、P值越小表示模型原假設(shè)不成立的概率越小,模型顯著性越強,模擬精度越高)可知:抗壓強度回歸模型的F值為24.75,P值小于0.000 1,表明該模型顯著性極強;模型中失擬項的P值為0.293 5,遠(yuǎn)大于0.05(失擬項P值反映試驗數(shù)據(jù)與模型不相關(guān)的顯著程度,當(dāng)其小于0.05時表明顯著程度較高,反之則較低),表明該模型與試驗數(shù)據(jù)擬合程度較高,模型穩(wěn)定;單因素A、C的P值均遠(yuǎn)小于0.01,表明粉煤灰摻量、水膠比對抗壓強度影響極為顯著;單因素B的P值小于0.05,其對抗壓強度的影響次于A、C的影響。依據(jù)P值大小得到抗壓強度影響因素的主次順序為水膠比、粉煤灰摻量、砂率。

        由表5(其中Std.Dev.為標(biāo)準(zhǔn)差、Mean為平均值、C.V.為變異系數(shù)、Press為預(yù)估平方和、R2為決定系數(shù)、Adj R2為校正決定系數(shù)、Pred R2為預(yù)測決定系數(shù)、Adeq Precisior為信噪比)可知,該模型的決定系數(shù)、校正決定系數(shù)、預(yù)測決定系數(shù)分別為0.96、0.92、0.77,均接近于1,且校正決定系數(shù)與預(yù)測決定系數(shù)差異小于0.2,變異系數(shù)小于10%,信噪比遠(yuǎn)大于4,表明此回歸模型可靠性較強。

        2.2 響應(yīng)面模型曲面及等值線圖

        由RSM建立的抗壓強度響應(yīng)曲面圖和相對應(yīng)的等值線圖(見圖2~圖4)可以直觀體現(xiàn)出各因素及其交互作用對響應(yīng)值的影響程度,從而確定各因素的最佳取值范圍。

        由圖2可以看出:響應(yīng)曲面為開口向下的拋物曲面;在砂率閾值區(qū)間內(nèi),隨著粉煤灰摻量的增加膠凝砂礫石抗壓強度逐漸增大,當(dāng)粉煤灰摻量增加到50%時抗壓強度達(dá)到最大值8.07 MPa;在粉煤灰摻量閾值區(qū)間內(nèi),抗壓強度隨砂率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當(dāng)砂率為0.2時抗壓強度達(dá)到峰值。但是在模型優(yōu)化前,交互項AB的P值遠(yuǎn)大于 0.05,表明砂率與粉煤灰的交互作用對膠凝砂礫石抗壓強度影響并不顯著,其原因是砂主要起骨架和填充作用,粉煤灰前期水化反應(yīng)較弱,難以與砂形成覆蓋粗骨料的包裹材料且有部分孔隙,因此二者之間的交互作用對膠凝砂礫石抗壓強度貢獻(xiàn)度較低。圖2 粉煤灰摻量與砂率交互作用對28 d抗壓強度的影響(C=1.0)

        由圖3可以看出,響應(yīng)曲面形狀較不規(guī)則,隨著水膠比的減小和粉煤灰摻量的增加,抗壓強度逐漸增大,當(dāng)水膠比為1.0、粉煤灰摻量為50%時膠凝砂礫石抗壓強度達(dá)到最大值8.07 MPa;當(dāng)水膠比為1.0時,抗壓強度在粉煤灰摻量閾值區(qū)間內(nèi)均為最大值。其原因是粉煤灰對增強材料后期強度的效果較為突出,28 d齡期的有效膠凝材料總量較少,水化反應(yīng)的需水量變化不大,大部分粉煤灰與水結(jié)合后充當(dāng)惰性材料填充試塊內(nèi)部的孔隙,提高試塊密實性,從而起到提高強度的作用[2]。模型優(yōu)化后交互項AC的P值為0.037<0.05,說明二者的交互作用對抗壓強度有一定的影響。

        由圖4可以看出:響應(yīng)曲面呈開口向下的拋物曲面;在砂率閾值區(qū)間內(nèi),膠凝砂礫石抗壓強度隨著水膠比的減小而增大,當(dāng)水膠比為1.0時抗壓強度達(dá)到最大值;在水膠比閾值區(qū)間內(nèi),膠凝砂礫石抗壓強度隨砂率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當(dāng)砂率接近0.2時抗壓強度最大。模型優(yōu)化后交互項BC的P為0.01<0.05,說明兩者的交互作用對抗壓強度的影響較為顯著,且強于AC對抗壓強度的影響。圖3 粉煤灰摻量與水膠比交互作用對28 d抗壓強度的影響(B=0.2)

        2.3 響應(yīng)面最優(yōu)化結(jié)果預(yù)測與驗證

        利用Design-Expert軟件優(yōu)化功能中的數(shù)值模塊對膠凝砂礫石 28 d抗壓強度進(jìn)行回歸擬合,求解模型的最優(yōu)化參數(shù)值,得出優(yōu)化結(jié)果為粉煤灰摻量A=50%、砂率B=0.2、水膠比C=1.0,此時28 d抗壓強度Y的預(yù)測值為8.07 MPa,而實測抗壓強度為8.21 MPa,預(yù)測值與實測值吻合度較高,其絕對誤差、相對誤差分別為0.14 MPa、

        1.7%,說明基于響應(yīng)面設(shè)計的最優(yōu)化模型能夠?qū)δz凝砂礫石力學(xué)性能進(jìn)行較高精度的預(yù)測與驗證。

        3 結(jié) 論

        (1)采用響應(yīng)面法可以建立較精確的以粉煤灰摻量、砂率和水膠比為影響因素的膠凝砂礫石 28 d抗壓強度多元回歸模型,用其對膠凝砂礫石28 d抗壓強度的預(yù)測值與實測值相比,絕對誤差和相對誤差分別為0.14 MPa和1.7%,證明了響應(yīng)面法的準(zhǔn)確性和科學(xué)性,其對膠凝砂礫石配合比設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

        (2)粉煤灰摻量、砂率和水膠比單因素對抗壓強度影響的顯著程度為水膠比>粉煤灰摻量>砂率。

        (3)粉煤灰摻量、砂率和水膠比兩兩組合雙因素響應(yīng)曲面圖和等值線圖分析表明,雙因素交互作用對抗壓強度影響的顯著程度依次為水膠比與砂率>水膠比與粉煤灰摻量>粉煤灰摻量與砂率,最優(yōu)粉煤灰摻量為50%、最優(yōu)砂率為0.2、最優(yōu)水膠比為1.0。

        參考文獻(xiàn):

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        【責(zé)任編輯 張智民】

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