畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）水泥輕舟設(shè)計(jì)與制作細(xì)石混凝土的設(shè)計(jì)、制作

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)報告（論文）(2012屆) 題 目： 水泥輕舟設(shè)計(jì)與制作 細(xì)石混凝土的設(shè)計(jì)、制作 所 屬 系： 材料工程技術(shù)系 班 級： 材料0911 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 同 組 成 員： 指 導(dǎo) 教 師： 摘要水泥輕舟是薄板結(jié)構(gòu)的細(xì)石混凝土制作而成的，要求混凝土要有足夠的抗壓、抗折強(qiáng)度。現(xiàn)在水泥輕舟都是以競賽的形式出現(xiàn)，世界各地的學(xué)生通過制作水泥輕舟來增強(qiáng)對水泥混凝土的感性認(rèn)識。設(shè)計(jì)出適合水泥輕舟用的薄板結(jié)構(gòu)混凝土是水泥輕舟制作的關(guān)鍵，同時該薄板結(jié)構(gòu)混凝土還可以應(yīng)用于很多的建筑當(dāng)中，加快了混凝土的發(fā)展，使水泥混凝土這一門科學(xué)得到了更大的進(jìn)步。本文研究的是水泥輕舟細(xì)石混凝土的優(yōu)化組合問題，關(guān)

2、鍵的問題是使得混凝土的抗壓強(qiáng)度在50mpa以上，抗折強(qiáng)度在10mpa以上，為保證該混凝土能達(dá)到強(qiáng)度要求，特添加粉煤灰，硅灰，減水劑，纖維并對其參量進(jìn)行調(diào)整，對砂的細(xì)度模數(shù)與顆粒級配進(jìn)行重新配置，目的是使得砂子的堆積密度較小，并通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定最優(yōu)的配合比。在抹灰的過程中，特添加兩層玻璃纖維網(wǎng)，能夠更大程度的增加混凝的的強(qiáng)度。由試驗(yàn)結(jié)果表明：1. 砂子的粒徑對強(qiáng)度有些影響，所以在05mm的砂子中摻加11%510mm的砂；2. 粉煤灰的“三大效應(yīng)”顯示比較明顯，能提高混凝土的綜合性能；3. 硅灰對增加強(qiáng)度有更大的效果，但是硅灰的需水量稍大，并且容易引起混凝土的收縮，是混凝土產(chǎn)生裂縫，所以在混凝

3、土中摻加一定量的聚丙烯纖維，既能大幅度的提高混凝土的強(qiáng)度，又能有效的抑制混凝土的收縮，有一舉兩得的效果；4. 大量的摻入粉煤灰、硅灰、纖維以后，能夠明顯地增加黏稠度，在減水劑的配合使用下，不僅強(qiáng)度有所增加，還能更好的改善混凝土的施工性能。關(guān)鍵詞：細(xì)石混凝土，正交試驗(yàn)，配合比，施工性 目錄摘要i第一章 緒論11.1 引言11.2 水泥輕舟的發(fā)展11.2.1 國外水泥輕舟的發(fā)展11.2.2 國內(nèi)水泥輕舟的發(fā)展31.3 課題研究的內(nèi)容和目的3第二章 實(shí)驗(yàn)的原材料及性能檢測42.1 p.o 42.5水泥42.2 粉煤灰42.3 硅灰52.4 砂52.5 聚丙烯纖維52.6 聚羧酸減水劑5第三章 確定實(shí)

4、驗(yàn)配合比73.1 初步確定配合比73.2 砂顆粒級配的確定93.3 初步確定粉煤灰、硅灰的摻量范圍103.4 確定實(shí)驗(yàn)配合比12第四章 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析134.1 正交試驗(yàn)134.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析164.3 確定最優(yōu)配合比19第五章 結(jié)論20參考文獻(xiàn)21致謝22第一章 緒論1.1 引言 混凝土是世界上使用量最大，使用范圍最廣的工程材料，是人類文明建設(shè)中不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)?；炷凉こ膛c技術(shù)近三十年來獲得飛速的發(fā)展，與此同時，混凝土正面臨著前所未有的可持續(xù)發(fā)展問題的嚴(yán)峻考驗(yàn)。人類必須在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和環(huán)境資源保護(hù)這兩個同等重要的社會需求之間，找出解決矛盾的辦法。作為發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施最重要的參與

5、者以及地球天然資源的消費(fèi)者，混凝土工業(yè)需要重新定向，接收所有有利于環(huán)境的工藝技術(shù)，即與環(huán)境友好的混凝土技術(shù)。他們必須建立在下列四個要素組成的基礎(chǔ)上：一是節(jié)約混凝土原材料（包括資源和能源）；二是提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性；三是解決混凝土生產(chǎn)和使用中生態(tài)環(huán)境保護(hù)的問題；四是尋找能替代和部分替代硅酸鹽水泥的新材料。在人類社會急速膨脹性發(fā)展，但又嚴(yán)重缺乏科技投入和材料技術(shù)教育的背景下，上述問題沒有一個是容易解決的。直到目前為止，水泥混凝土科學(xué)一直停留在經(jīng)驗(yàn)科學(xué)的層次。也正是由于這門科學(xué)需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，水泥混凝土材料科學(xué)的教學(xué)也一直難以系統(tǒng)展開，和混凝土的重要性極不相稱。在混凝土教育方面，西北大學(xué)曾舉辦

6、一些饒有興趣的活動，組織幼兒園的兒童，十多歲的學(xué)生到acbm參觀、實(shí)踐或?qū)W習(xí)，希望能把對混凝土的興趣灌輸?shù)缴倌旰蛢和?，從而為混凝土的工程?yīng)用培養(yǎng)有潛質(zhì)的后續(xù)人才。美國的很多高校也一直在探索有效混凝土教學(xué)方法。其中非常成功的嘗試就是水泥輕舟（concrete canoe）的制作和競賽活動，為了增強(qiáng)學(xué)生混凝土材料方面的實(shí)踐能力，美國伊利諾斯州大學(xué)clyde kesler教授在1969年在他混凝土的性能與行為的課堂上建議學(xué)生做水泥輕舟，這個想法可能來自于1848年法國南部lambot制作的第一條水泥輕舟。后來水泥輕舟的競賽在美國迅速發(fā)展，成為一道靚麗的大學(xué)校園文化的風(fēng)景線。1.2 水泥輕舟的發(fā)展1

7、.2.1 國外水泥輕舟的發(fā)展 水泥輕舟是用水泥制作的類似皮劃艇的小船。1848年法國南部的lambot制作了世界上第一條水泥輕舟?，F(xiàn)在水泥輕舟更多的時候是指水泥輕舟賽。水泥輕舟賽是在高校學(xué)生團(tuán)體之間進(jìn)行的水泥輕舟設(shè)計(jì)、制作和競速的綜合賽事。這項(xiàng)賽事最早由美國高校組織創(chuàng)立，英文名為“concrete canoe”水泥輕舟競賽起源于美國西北大學(xué)、伊利諾斯州大學(xué)等高校組織的混凝土方面的專業(yè)教育。西北大學(xué)曾舉行一些饒有興趣的活動，組織幼兒園的兒童，十多歲的學(xué)生到acbm（美國的一個材料科學(xué)研究中心）參觀、實(shí)踐或?qū)W習(xí)，希望能把對混凝土的興趣灌輸?shù)缴倌旰蛢和?，從而為混凝土的工程?yīng)用培養(yǎng)有潛質(zhì)的后續(xù)人才。

8、美國的很多高校也一直在探索有效水泥混凝土教學(xué)方法。其中非常成功的嘗試就是concrete canoe（水泥輕舟）的制作和競賽活動，為了增強(qiáng)學(xué)生混凝土材料方面的實(shí)踐能力，美國伊利諾斯州大學(xué)clyde kesler教授在1969年在他混凝土的性能與行為的課堂上建議學(xué)生做concrete canoe，這個想法可能來自于1848年法國南部lambot制作的第一條水泥輕舟。后來水泥輕舟的競賽在美國迅速發(fā)展，成為了一道靚麗的大學(xué)校園文化的風(fēng)景線。1970年春，clyde kesler教授的學(xué)生制作的由鋼筋增強(qiáng)的水泥輕舟，這可能是世界上第一條用于競賽的水泥輕舟。這個想法很快被附近的普度大學(xué)john mcla

9、ughlin教授所認(rèn)同并介紹到普度大學(xué)，于是普渡大學(xué)的一群學(xué)生在charles schuler和robert lee教授的知道下，通過不懈的努力，也制作了自己的水泥輕舟。1971年5月16日，在f.c.young的組織下，舉行了第一屆水泥輕舟賽。第一次的比賽場面可能有些混亂，雙方都有選手落水，但這次小范圍的比賽卻締造了一種的新的校園文化，隨后這種比賽在美國開始了蓬勃的發(fā)展，第二年在印第安納波利斯的比賽就熱鬧得多，參賽者增加到了16所高校的隊(duì)伍。 由于水泥輕舟比賽的廣泛參與性，在1972年舉辦比賽第二屆水泥輕舟賽時參賽的高校已經(jīng)達(dá)到16所。同年，在美國西海岸和大平原地區(qū)也舉行了各自的水泥輕舟比賽

10、，參加水泥輕舟賽的高?？傆?jì)達(dá)到了22所，到1974年參賽高校達(dá)到了80所以上。到1978年各類水泥輕舟比賽的數(shù)目已經(jīng)達(dá)到了17種。1988年密歇根州立大學(xué)舉辦了第一屆全美水泥輕舟賽。目前，美國很多著名高校都有自己的水泥輕舟隊(duì)，比如斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校，普林斯頓大學(xué)，伊利諾伊大學(xué)阿巴拉香檳分校、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校、普度大學(xué)。參加比賽的大學(xué)在最多的時候有近100所?，F(xiàn)階段，該賽事在美國的發(fā)展已經(jīng)成熟，加上全國性的賽事外，不同地區(qū)也都有各自的賽事，每條輕舟上的選手是4人而不是原來的兩人。concrete canoe每年都在美國大學(xué)之間舉行，各大學(xué)輪流作為主辦方，由美國土木工程師學(xué)會（a

11、cse），美國混凝土協(xié)會（aci）及其他研究機(jī)構(gòu)提供資金和技術(shù)支持和組織工作。十幾年后水泥輕舟賽傳播到世界各國，1986年德國舉辦了第一屆水泥輕舟賽，隨后幾乎每兩年舉辦一次，2009年將舉辦了第12屆比賽，1995年加拿大和日本先后舉辦了本國的第一屆水泥輕舟賽，隨后每年舉辦一次。2005年阿聯(lián)酋舉辦了第一屆水泥輕舟賽，2007年在荷蘭特溫特大學(xué)舉辦了第30屆水泥輕舟隊(duì)賽事，2008年代爾夫特理工舉辦了31屆。2008年南非和新加坡也分別舉辦了自己的水泥輕舟賽。1.2.2 國內(nèi)水泥輕舟的發(fā)展 水泥輕舟賽是一項(xiàng)匯聚科技創(chuàng)新、文化傳承、競賽爭奪、趣味觀賞、形象宣傳為一體，具有廣泛的參與性、團(tuán)隊(duì)性、創(chuàng)

12、新性、傳承性和趣味性的競技活動，因此也被稱為水泥行業(yè)的“奧林匹克運(yùn)動”。來自武漢理工大學(xué)、黃石理工學(xué)院、西南科技大學(xué)、綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院、廣西大學(xué)化工學(xué)院等高校的六支參賽隊(duì)伍展開了激烈的角逐。賽事還將邀請國家教育部、團(tuán)中央、體育總局相關(guān)司局，各相關(guān)媒體、各知名高校相關(guān)院系、全國水泥60強(qiáng)企業(yè)和湖北大中型水泥企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)和嘉賓觀看比賽。黃石市政府副秘書長李文良、武漢理工大學(xué)沈衛(wèi)國教授、中國混凝土與水泥制品協(xié)會副會長、武漢建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)院院長姚元君、黃石市園林局副局長劉沖等領(lǐng)導(dǎo)出席了當(dāng)天的開賽儀式并講話。2011年9月17日在四川綿陽仙湖舉辦中國第二屆水泥輕舟賽。1.3 課題研究的內(nèi)容和目的本課題主

13、要針對細(xì)石混凝土的配合比的研究，由于該水泥輕舟用的細(xì)石混凝土對各方面的性能要求比較高，且現(xiàn)有的文獻(xiàn)中關(guān)于細(xì)石混凝土的也是比較少，基本沒有關(guān)于水泥輕舟的文獻(xiàn)，且在僅有的文獻(xiàn)中，幾乎沒有公開發(fā)表關(guān)于配合比的理論文章。本課題通過對現(xiàn)有的資料分析，從原材料的本身性質(zhì)（物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)）和一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，進(jìn)行研究。1 確定骨料的最佳級配2 確定膠凝材料的種類與配比 3 確定外加劑的品種4 確定細(xì)石混凝土的最佳配比5 根據(jù)確定的配合比制作混凝土第二章 實(shí)驗(yàn)的原材料及性能檢測2.1 p.o 42.5水泥 本課題研究的時水泥輕舟用細(xì)石混凝土的配合比設(shè)計(jì)與制作，水泥是主要的膠凝材料，本課題采用的是揚(yáng)子水泥有

14、限公司生產(chǎn)的p.o 42.5的水泥。以下是水泥的物理學(xué)性能。如表2-1標(biāo)稠/g凝結(jié)時間/h比表面積/ cm2/g密度g/ cm3細(xì)度/%流動度/mm138初凝終凝3823.060.5204.21.34.3表2-1 水泥物理學(xué)性能水泥力學(xué)性能的檢測是根據(jù)gb/t176711999水泥膠砂強(qiáng)度的測定方法（iso）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表2-2水泥抗折強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度3d7d28d3d7d28d揚(yáng)子p.o42.55.87.38.425.435.245.8表2-2 水泥力學(xué)性能檢測表根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)得知該水泥符合本課題所需的實(shí)驗(yàn)要求。2.2 粉煤灰粉煤灰是燃煤電廠用靜電除塵的方法從鍋爐煙氣中收集到的廢棄物，它

15、是我國混凝土工程中使用最多的活性礦物摻合料，是因?yàn)榉勖夯揖哂腥笮?yīng)形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)。粉煤灰在改善混凝土的和易性方面有很大的幫助，并且對混凝土的力學(xué)性能，減水作用，耐久性能，和抑制堿集料反應(yīng)的能力都有很大的幫助。這也是本課題采用外摻粉煤灰的緣由。主要從細(xì)度，燒失量，需水量比這三個方面對粉煤灰進(jìn)行性能檢測。 檢測數(shù)據(jù)如表2-3細(xì)度/%燒失量/%需水量比/%8.6385.6表2-3 粉煤灰物理學(xué)性能 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知：該粉煤灰是級粉煤灰，符合本課題實(shí)驗(yàn)的要求。2.3 硅灰 硅灰的比表面積是水泥的1020倍，所以必然會導(dǎo)致需水量的增加。但是硅灰對混凝土的力學(xué)性能的影響是極大的，現(xiàn)在硅灰廣泛

16、應(yīng)用于高強(qiáng)度混凝土中，同時對混凝土的耐久性，耐磨性，抗化學(xué)腐蝕性都有極大的改善。有研究表明，硅灰的摻量占水泥質(zhì)量的0.1%0.5%時，可起潤滑作用；但當(dāng)摻量繼續(xù)增加時，需水量會顯著增加，這是硅灰的潤滑作用需要高效減水劑來激發(fā)。本課題需要高強(qiáng)的混凝土，用硅灰來增加強(qiáng)度顯得尤為重要，這正是本課題選用硅灰的重要原因。2.4 砂 砂是本課題實(shí)驗(yàn)中最主要的骨料，砂的性能對混凝土的整體影響是很大的，從下面幾項(xiàng)性能著手對砂的性能進(jìn)行檢測，所有關(guān)于砂性能檢測的試驗(yàn)均是按照gb/t146842001建筑用砂的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。檢測結(jié)果如表2-4細(xì)度模數(shù)含泥量/ %含水率/ %表觀密度（kg/ m3）2.640.3

17、92.22596表2-4 砂物理學(xué)性能2.5 聚丙烯纖維纖維增強(qiáng)混凝土目前的發(fā)展很快，應(yīng)用的范圍也越來越廣。纖維應(yīng)用于混凝土中，主要的作用是增加其強(qiáng)度，包括抗折抗壓強(qiáng)度，尤其對抗折強(qiáng)度效果比較顯著。在混凝土中加入纖維以后，無數(shù)的纖維單絲會在混凝土的內(nèi)部形成亂向支撐體系，可以有效的阻止裂紋的產(chǎn)生。同時纖維對混凝土的抗?jié)B性，耐磨性，干縮性都有較大的改善。纖維的性能指標(biāo)見表2-5組成密度/(g/ cm3)比表面積/(cm3/g)標(biāo)稱直徑/um抗拉強(qiáng)度/mpa親水性聚丙烯0.91150030350憎水表2-5 纖維性能指標(biāo)2.6 聚羧酸減水劑 高效減水劑對水泥具有強(qiáng)烈的分散作用，能大大提高水泥拌合物的

18、流動性和混凝土的坍落度，能夠有效的提高混凝土的密實(shí)度，同時大幅度降低用水量，顯著改善混凝土的工作性。在硬化水泥達(dá)到同一強(qiáng)度的情況下能有效的減少水泥的用量。按膠砂流動度實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，要求流動度在1805mm范圍內(nèi)，減水劑摻量按1.1%摻加，最后測得減水劑的減水率為22%。第三章 確定實(shí)驗(yàn)配合比3.1 初步確定配合比根據(jù)普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（jgj20000）計(jì)算配制過程，最后根據(jù)現(xiàn)場觀察再對實(shí)驗(yàn)室配合比進(jìn)行調(diào)整。（一）初步計(jì)算配合比的確定1、混凝土配制強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算:fcu,0fcu,k+1.645式中fcu,0-混凝土配制強(qiáng)度(mpa);fcu,k- 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(mp

19、a);-混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(mpa);目的是要求混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到50mpa，則fcu,k=50，取值為6，所以混凝土配制強(qiáng)度fcu,059.87mpa2、選擇水泥的品種，確定水灰比根據(jù)本課題的要求，選擇的水泥是揚(yáng)子p.o42.5的普通硅酸鹽水泥，按強(qiáng)度要求確定水灰比w/c?；炷翉?qiáng)度等級小于c60時，混凝土水灰比宜按下式計(jì)算w/c=a.fce/（fcu,0+a.b.fce）式中a,b-回歸系數(shù);fce-水泥28d抗壓強(qiáng)度實(shí)測值(mpa)當(dāng)無水泥28d抗壓強(qiáng)度實(shí)測值時,公式(5.0.3-1)中的fce值可按下式確定:fce=c.fce,式中c-水泥強(qiáng)度等級值的富余系數(shù),可按實(shí)際統(tǒng)計(jì)資

20、料確定;fce,g-水泥強(qiáng)度等級值(mpa).系數(shù)碎石卵石a0.460.48b0.070.33表3-1 回歸系數(shù)表在本試驗(yàn)中，水泥的富余系數(shù)取值為1.15，由此算得fce=48.9。回歸系數(shù)的取值按卵石計(jì)算a=0.48，b=0.33。由此計(jì)算出w/c=0.35。3、確定用水量因?yàn)橛缮弦徊接?jì)算得出的水灰比為0.35，不在0.400.80的范圍內(nèi)，所以現(xiàn)有的用水量的選取方法不可用。若按摻外加劑時的混凝土用水量計(jì)算:mwa=mw0(1-)式中mwa-摻外加劑混凝土每立方米混凝土的用水量(kg);mw0-未摻外加劑混凝土每立方米混凝土的用水量(kg);-外加劑的減水率(%).項(xiàng)目指標(biāo)卵石最大粒徑（mm

21、）碎石最大粒徑（mm）102031.540162031.540坍落度mm10-3019017016015020018517516535-5020018017016021019518517555-7021019018017022020519518575-90215195185175230215205195表3-2 混凝土用水量根據(jù)表3-2及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用水量按210計(jì)算，經(jīng)實(shí)驗(yàn)減水劑的減水率為22%，則可以算出摻加減水劑時的用水量mwa=164kg。4、計(jì)算水泥用量每立方米混凝土的水泥用量(mc0)可按下式計(jì)算:mc0=mw0/w/c根據(jù)上式計(jì)算的數(shù)據(jù)可算出水泥用量mc0=469kg5、計(jì)算砂子的

22、用量由于水泥輕舟特殊的薄板結(jié)構(gòu)，所以用的細(xì)石混凝土中不允許加入石子，故不存在砂率的概念，所以砂子的用量只能按假定的一立方混凝土的重量來計(jì)算。由于該混凝土要求容重要小于2000kg/m3，現(xiàn)假定混凝土的容重為1900kg/m3，由mc0=469kg，mwa=164kg，可以采用重量法直接計(jì)算出砂子的用量為ms0=1267kg。所以經(jīng)過初步計(jì)算得出的配合比為：mwa：mc0：ms0=164:469:1267（二）試配以上求出的各材料的用量，是借助一些經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)計(jì)算出來的，或是利用經(jīng)驗(yàn)資料查得的，因而不一定能夠完全具體的工程實(shí)際情況，必須通過試拌調(diào)整，直到混凝土拌合物的和易性符合要求為止，然后提

23、出供檢驗(yàn)強(qiáng)度用的基準(zhǔn)配合比。粉煤灰，硅灰的摻量沒有直接的數(shù)據(jù)來源，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算摻入為粉煤灰摻15%，硅灰摻10%。進(jìn)行試配實(shí)驗(yàn)，試配實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3-3實(shí)驗(yàn)3d7d抗折強(qiáng)度mpa抗壓強(qiáng)度mpa抗折強(qiáng)度mpa抗壓強(qiáng)度mpaa1、a2、a3平均3.95.716.025.9表3-3 試配強(qiáng)度由于時間原因，沒有測28d強(qiáng)度值，根據(jù)7d強(qiáng)度推算該配合比下混凝土28d強(qiáng)度達(dá)不到50mpa，為了提高細(xì)石混凝土后期強(qiáng)度，將著手調(diào)整粉煤灰，硅灰的摻量、砂的顆粒級配。3.2 砂顆粒級配的確定由于考慮到水泥輕舟特殊的薄板混凝土結(jié)構(gòu)，要求船體厚度為1.2cm，所以在原始配合比中全部采用的是0-5mm的砂子，但是根據(jù)試

24、配結(jié)果顯示，混凝土的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，所以要重新考慮砂的顆粒級配，及細(xì)度模數(shù)。同時又要求混凝土的容重要小，本試驗(yàn)主要的方法是在0-5mm的砂子中摻加5-10mm的砂子，5-10mm的砂子在此充當(dāng)細(xì)石的作用。但是5-10mm砂子摻量問題要經(jīng)過試驗(yàn)得知，故要設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定砂子的摻量范圍。5-10mm的砂子按10%，15%,20%,25%,30%,35%,40%的摻量摻加到0-5mm的砂子中。本實(shí)驗(yàn)的原理是通過繪制細(xì)度模數(shù)和表觀密度曲線，取適合的交點(diǎn)作為試驗(yàn)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)見表3-45-10mm摻量/%10%15%20% 25%30%35%40%細(xì)度模數(shù)2.572.512.602.682.

25、642.702.75堆積密度(g/ cm3)1.531.541.551.581.561.581.59表3-4 砂摻量范圍表根據(jù)表3-4繪制出細(xì)度模數(shù)與堆積密度的關(guān)系表，見圖3-1，以確定5-10mm砂子的摻量圖3-1 細(xì)度模數(shù)與堆積密度關(guān)系由圖3-1可以看出細(xì)度模數(shù)曲線與堆積密度曲線有多個交點(diǎn)，但是根據(jù)試驗(yàn)需要，砂細(xì)度模數(shù)在2.65左右，且砂的堆積密度盡可能的大，這樣配出的混凝土技能滿足強(qiáng)度的要求，又能使混凝土的容重較小，所以由表可知取細(xì)度模數(shù)為2.65，堆積密度為1.57為最佳。這時5-10mm的砂子摻量為23%。3.3 初步確定粉煤灰、硅灰的摻量范圍粉煤灰和硅灰對混凝土的整體性能都有極大的

26、改善，但是并不是摻量越多越好，特別是粉煤灰，硅灰混合在一起的時候，在混凝土試配過程中，所測得的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于要求的強(qiáng)度，所以對粉煤灰和硅灰的摻量范圍進(jìn)行試驗(yàn)時必不可少的。本實(shí)驗(yàn)在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提下，大致列出三個變量范圍，針對每組試驗(yàn)進(jìn)行成型，檢測強(qiáng)度，選擇出最佳的摻量范圍。變量范圍見表3-5組別摻量范圍抗折強(qiáng)度/mpa抗壓強(qiáng)度/mpa粉煤灰硅灰3d7d28d3d7d28da115%4.15.57.218.726.635.2a217%3.95.17.319.828.237.7a320%3.84.96.619.627.637.8a48%3.94.66.619.625.336.0a59%4.05.0

27、6.619.226.534.1a610%4.15.27.419.825.033.4表3-5 不同摻量強(qiáng)度對比根據(jù)表3-5 粉煤灰，硅灰不同摻量強(qiáng)度對比分別繪制了圖3-2和圖3-3，圖3-2是其中a1,a2,a3組的數(shù)據(jù)，圖3-3是其中a4，a5，a6組的數(shù)據(jù)圖3-2 不同粉煤灰摻量對比由圖3-2結(jié)合表3-5顯示，3d，7d，28d的抗折強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加而減小，在抗壓強(qiáng)度中，粉煤灰摻量為17%時強(qiáng)度最高，摻量為20%時的強(qiáng)度有減小的趨勢這說明粉煤灰的摻量控制在17%的范圍內(nèi)是比較合理的。圖3-3 不同硅灰摻量對比由圖3-3結(jié)合表3-6顯示，3d，7d，28d的抗折強(qiáng)度均隨著硅灰摻量的增

28、加而增大，硅灰摻量為10%時抗折強(qiáng)度最大，但是只能看出抗折強(qiáng)度由8%10%有增長的趨勢，但是不能確定摻量10%就是最佳的摻量，當(dāng)摻量大于10%時，抗折強(qiáng)度有可能繼續(xù)呈現(xiàn)增長趨勢，有可能有下降的趨勢；看抗壓強(qiáng)度數(shù)值顯示，3d抗壓數(shù)值顯示隨著硅灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度均有所增長，但是7d,28d的抗壓強(qiáng)度卻有減小的趨勢，結(jié)合抗折強(qiáng)度，確定硅灰摻量應(yīng)該在10%以下為好。 由實(shí)驗(yàn)可得粉煤灰、硅灰的大致?lián)搅?，在正交試?yàn)中，粉煤灰、硅灰仍然作為變量，只是摻量的范圍有所調(diào)整，在此實(shí)驗(yàn)中，粉煤灰、硅灰的摻量跨度小，所以測得的數(shù)據(jù)變化不是很明顯，故在正交試驗(yàn)中粉煤灰、硅灰的摻量范圍跨度調(diào)大了一些。粉煤灰摻量為10

29、% 、20% 、30，硅灰的摻量為5% 、7% 、10%。3.4 確定實(shí)驗(yàn)配合比在上述一系列的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)之下，最后確定用于正交試驗(yàn)的配合比，變量及其變量的范圍。mwa：mc0：ms0=164:469:1267水泥469kg/ m3，纖維1.2kg/ m3，減水劑1.1%。下面為正交試驗(yàn)表中的變量及其變量范圍：灰砂比1:2 、1:2.5 、1:3 ；粉煤灰10% 、20% 、30% ；硅灰5% 、7% 、10% 注：灰砂比是根據(jù)老師建議進(jìn)行加入變量的。第四章 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等實(shí)踐中，所需要考察的因素往往比較多，而且因素的水平數(shù)也是常常多于兩個，如果對每個因素的每個水平

30、都互相搭配進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)次數(shù)是驚人的。例如本實(shí)驗(yàn)中有三個因素，每個因素都有三個水平數(shù)，如果是全面實(shí)驗(yàn)，就要27次實(shí)驗(yàn)才能解決問題。如果用正交設(shè)計(jì)來安排試驗(yàn)，則試驗(yàn)次數(shù)大大減少，而且統(tǒng)計(jì)分析的計(jì)算也將變得簡單。正交試驗(yàn)主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)如下幾個方面：a)能在所有試驗(yàn)方案中均勻地挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)試驗(yàn)方案。b)通過對這些少數(shù)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以推出較優(yōu)的方案，而且所得到的優(yōu)化方案往往不包含在這些少數(shù)試驗(yàn)方案中。c)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析，可以得到試驗(yàn)結(jié)果之外的更多信息。這也是本課題中采用正交試驗(yàn)的主要原因。4.1 正交試驗(yàn)（1）選正交表本試驗(yàn)中因素數(shù)為三，因素水平數(shù)也是三，故可

31、以直接套用現(xiàn)有的正交試驗(yàn)表，如表4-1試驗(yàn)號列號1234111112122231333421235223162312731328321393321表4-1 正交表 （2）確定因素水平表影響試驗(yàn)的因素往往很多，但是由于試驗(yàn)條件所限，不可能做全面考察，所以應(yīng)對實(shí)際問題進(jìn)行具體分析，并根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，選出主要因素，略去次要因素，以減少考察的因素數(shù)。但要注意的是為了避免人為因素導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，因素的各水平哪一個定為1水平、2水平、3水平，最好不要簡單地完全按因素水平數(shù)值由小到大或由大到小的順序排列，應(yīng)按隨機(jī)的方法進(jìn)行處理。在本試驗(yàn)中，因素數(shù)與因素水平數(shù)見表4-2水平灰砂比粉煤灰硅灰11:210%5%21

32、:2.520%7%31：:330%10%表4-2 試驗(yàn)因素水平表（3）明確試驗(yàn)方案根據(jù)表4-2 試驗(yàn)因素水平表可以直接套用表4-1的正交表，套用結(jié)果如表4-3所示試驗(yàn)號abcd（空白）試驗(yàn)方案11111a1b1c121222a1b2c231333a1b3c342123a2b1c252231a2b2c362312a2b3c173132a3b1c383213a3b2c193321a3b3c2表4-3 正交試驗(yàn)方案接下來是根據(jù)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：a) 必須嚴(yán)格按照規(guī)定的方案完成每一號實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槊恳惶栐囼?yàn)都從不同的角度提供有用的信息。b) 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的次序沒有必要完全按照正交試

33、驗(yàn)表上試驗(yàn)號碼的順序，可按抽簽的方法隨機(jī)決定試驗(yàn)進(jìn)行的順序。c) 做試驗(yàn)時，試驗(yàn)條件的控制力求做到十分嚴(yán)格，尤其是在水平的數(shù)值差別不大時。（4）按規(guī)定的方案做試驗(yàn)按照正交試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4-4組別g/cm3稠度/mm塌落度/mm3d抗壓強(qiáng)度/mpa7d抗壓強(qiáng)度/mpa14d抗壓強(qiáng)度/mpa7d抗折強(qiáng)度/mpab12.146410518.723.639.83.6b22.12559019.824.431.23.5b32.14506012.521.741.23.4b42.144011016.226.432.73.6b52.12505812.220.828.23.7b62.13508011.

34、616.523.63.5b72.0653809.516.019.73.2b82.06557510.316.619.23.2b92.0655806.311.919.02.6表4-4 正交試驗(yàn)結(jié)果圖4-1抗壓強(qiáng)度對比繪制圖4-1的主要目的是觀察沒組試驗(yàn)得出的3d、7d、14d的抗壓強(qiáng)度是否有相同的變化趨勢，因?yàn)殡S著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增加，后期強(qiáng)度有可能會因?yàn)閾搅康牟煌瑫l(fā)生反彈現(xiàn)象。另外本試驗(yàn)考慮到后期施工性能的難易程度，所以主要從稠度和坍落度進(jìn)行改變，也就是每組試驗(yàn)的用水量會有稍微的變化。結(jié)合表4-4和圖4-1可知：a)3d、7d、14d抗壓強(qiáng)度的變化趨勢并不是一致的，3d、7d由于養(yǎng)護(hù)齡期較短，

35、強(qiáng)度變化不是明顯，但是14d的強(qiáng)度變化起伏比較大。b)b1、b2、b3組試驗(yàn)灰砂比最小，相對于粉料摻量比較多，強(qiáng)度也是高于其他六組試驗(yàn)，b7、b8、b9組試驗(yàn)灰砂比是最大的，強(qiáng)度是最低的。c)b3、b5、b7組試驗(yàn)硅灰摻量是最多的，3d、7d的強(qiáng)度變化范圍不大，但是14d的強(qiáng)度普遍高于同灰砂比的其他組試驗(yàn)的強(qiáng)度，這說明硅灰對混凝土后期的強(qiáng)度較大，能改善混凝土的后期強(qiáng)度。d)該正交試驗(yàn)考慮水泥用量的問題，故粉煤灰、硅灰均是按照內(nèi)摻的方法摻入其中的，導(dǎo)致強(qiáng)度普遍低于預(yù)測的強(qiáng)度，這說明水泥作為主要的膠凝材料，對強(qiáng)度起主要的增強(qiáng)作用。4.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（1）計(jì)算極差，確定因素的主次順序本試驗(yàn)只是

36、研究抗壓試驗(yàn)值一個指標(biāo)，所以在對正交試驗(yàn)表分析的時候采用的是單指標(biāo)正交試驗(yàn)的直觀分析法，按正交表的各試驗(yàn)號中規(guī)定的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果（指標(biāo)）填寫在表的最后一列，如表4-5所示試驗(yàn)號abcd抗壓強(qiáng)度/mpa1111139.82122231.23133341.24212332.75223128.26231223.67313219.78321319.29332119.0k1112.292.282.687k284.578.682.974.5k357.983.889.193.1k137.430.727.529k228.226.227.624.8k319.327.929.731.0極差r18.1

37、4.51.66.2因素主次abc優(yōu)方案a1b1c3表4-5 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果分析k: 表示任一列上水平好為i（本試驗(yàn)中i=1,2,或3）時，所對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和。a因素所在的第一列上，第1,2,3號試驗(yàn)中a取a1水平，所以k1為第1,2,3號試驗(yàn)結(jié)果之和，及k1=39.8+31.2+41.2=112.2，同理可以計(jì)算出其他列的值。結(jié)果如表4-5顯示。 k：k=k/s，其中s為任一列上各水平出現(xiàn)的次數(shù)，所以本試驗(yàn)中s=3.所以k1=112.2/3=37.4；k2=84.5/3=28.2；k3=57.9/3=19.3 。同理可以計(jì)算出其他列的k1、k2、k3 。結(jié)果如表4-5顯示。r: 稱為極差

38、，在任一列上r=maxk1,k2,k3-mink1,k2,k3,由此可以計(jì)算出各列的極差，結(jié)果如表4-5顯示。一般來說，各列的極差是不相等的，這說明各因素的水平改變對試驗(yàn)結(jié)果的影響是不相同的，極差越大表示該列因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化，會導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上更大的變化，所以極差最大的那一列，就是因素的水平對試驗(yàn)結(jié)果影響最大的因素，也就是最主要的因素。在本試驗(yàn)中，由于rarbrc,所以各因素從主到次的順序?yàn)閍(灰砂比)，b（粉煤灰），c（硅灰）。在本試驗(yàn)中?？瞻琢械臉O差比b,c兩列的極差都大，這說明因素之間可能存在不可忽略的交互作用，或者漏掉了對試驗(yàn)結(jié)果又重要影響的其他因素。（2）優(yōu)方案的確定

39、優(yōu)方案是指在所做的試驗(yàn)范圍內(nèi)，各因素較優(yōu)的水平組合。各因素優(yōu)水平的確定與試驗(yàn)指標(biāo)有關(guān)，若指標(biāo)越大越好，則應(yīng)選取指標(biāo)大得水平，在本試驗(yàn)中，試驗(yàn)指標(biāo)是抗壓強(qiáng)度，指標(biāo)越大越好，所以應(yīng)挑選每個因素中最大的值對應(yīng)的那個水平。由于a因素列：k1k2k3b因素列：k1k2k3c因素列：k3k2k1所以，優(yōu)方案為a1b1c3，即灰砂比1:2，粉煤灰摻量10%，硅灰摻量10%。另外，實(shí)際確定優(yōu)方案時，還應(yīng)區(qū)分因素的主次，對于主要的因素，一定要按有利于指標(biāo)的要求選取最好的水平，而對于不重要的因素，由于其水平改變對試驗(yàn)結(jié)果的影響較小，則可以根據(jù)有利于降低消耗、提高效率等目的來考慮別的水平。(3) 畫出有事與指標(biāo)的關(guān)

40、系圖趨勢圖 將因素水平作為橫坐標(biāo)，以它的試驗(yàn)指標(biāo)的平均值作為縱坐標(biāo)，畫出因素與指標(biāo)的關(guān)系圖，如圖4-6圖4-2趨勢圖從圖4-2可以看出，當(dāng)灰砂比為1:2，粉煤灰摻量為10%，硅灰摻量為10%時所得的抗壓強(qiáng)度為最高，即優(yōu)方案為a1b1c3。從趨勢圖中可以直觀地看出，灰砂比越大越好，硅灰的摻量越大越好，4.3 確定最優(yōu)配合比經(jīng)過對原材料的各方面的性能進(jìn)行的檢測，對砂子顆粒級配的重新確定，對粉煤灰、硅灰的摻量范圍的確定，確定了本課題試驗(yàn)所有的原材料。通過對混凝土配合比的初步計(jì)算，對正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)過程的到了最后的最優(yōu)配合比。水泥：水：砂=469:164:1267 灰砂比1:2 5-10mm砂摻量23% 粉煤灰10% 硅灰10% 纖維1.2kgm3 減水劑1.1%可再分散乳膠粉1%（最后老師推薦使用）根據(jù)正交試驗(yàn)確定的最優(yōu)配合比進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，所測得的1d、3d、7d的強(qiáng)度如表4-6所示： 坍落度mm表觀密度kgm3稠度強(qiáng)度mpa1d3d7d882070503.219.331.2表4-6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表4-6顯示，強(qiáng)度增長速度比