正交試驗(yàn)法在自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

1、第20卷第3期佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版V o l.20N o.3 2002年9月Jou rnal of Fo shan U n iversity(N atu ral Science Editi onSep.2002文章編號(hào):100820171(20020320033205正交試驗(yàn)法在自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究雷元新1,周紹纓1,冼偉華2,李本強(qiáng)3,李奇遜2(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程建筑系,廣東佛山528000;2.廣東省六建集團(tuán)有限公司,廣東佛山528000;3.五邑大學(xué),廣東江門529020摘要:本文根據(jù)自密實(shí)混凝土流變性特點(diǎn),篩理出影響流變性的8種主要因素,并按L27(

2、313正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)混凝土的配合比,經(jīng)試驗(yàn)與優(yōu)化分析,確定了多個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的自密實(shí)混凝土適用配合比,并在復(fù)演性試驗(yàn)和工程應(yīng)用中加以驗(yàn)證。關(guān)鍵詞:正交試驗(yàn);自密實(shí)混凝土;配合比設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TU528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A自密實(shí)混凝土通常也是高性能混凝土,它除具有優(yōu)異的工作性能,如:高流動(dòng)性,高抗分離性,高間隙通過能力,高填充能力,施工性能經(jīng)時(shí)損失小,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特性外,它還具有較好的力學(xué)性能和較高的耐久性。根據(jù)流變學(xué)的原理,可將混凝土自密實(shí)的機(jī)理解釋為,拌合物的屈服剪應(yīng)力較小,塑性粘度足夠使骨料懸浮于水泥漿中,不離析和泌水,能自由流淌并通過鋼筋間隙等狹窄空間不被堵塞,且均勻填充密實(shí)模板各個(gè)角落,從而能

3、避免因振搗不足或不能振搗造成的空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷。可見,自密實(shí)混凝土配制的關(guān)鍵是滿足良好的流變性能要求。影響自密實(shí)混凝土流變性能的因素多而復(fù)雜,通常需要做大量的試配試驗(yàn)才能找準(zhǔn)適用的配合比。正交試驗(yàn)法1具有“均衡分散性”和“綜合可比性”的特點(diǎn),是研究和處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)方法,按該方法進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)其結(jié)果能客觀地反映制配規(guī)律、較方便地進(jìn)行配合比優(yōu)化;利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表安排試驗(yàn),還能避免盲目性的試驗(yàn),大幅減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短研制時(shí)間。1自密實(shí)混凝土拌合物研制的技術(shù)方法現(xiàn)代自密實(shí)混凝土的配制生產(chǎn),實(shí)際是一個(gè)多組分多因素的混料問題,其技術(shù)方法包括收稿日期:2000206210基金項(xiàng)目

4、:佛山市重點(diǎn)科技攻關(guān)及科技發(fā)展專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(0004002C作者簡(jiǎn)介:雷元新(19632,男,江西南昌人,佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師,工程碩士,主要從事建筑結(jié)構(gòu)工程及材料研究。了以下兩重內(nèi)容:(1針對(duì)地方材料,優(yōu)選高性能的原料,進(jìn)行科學(xué)的配比設(shè)計(jì);(2配以相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)工藝和設(shè)備,進(jìn)行現(xiàn)代化生產(chǎn),形成配制自密實(shí)混凝土的技術(shù)工藝。本項(xiàng)目采用適宜水灰比2下,“硅酸鹽水泥+特殊粗細(xì)集料+特效外加劑十活性礦物摻料及功能性材料,實(shí)施預(yù)拌生產(chǎn),澆灌成型和特殊的養(yǎng)護(hù)工藝”的技術(shù)路線來配制高性能自密實(shí)混凝土。2原材料性能指標(biāo)要求配制自密實(shí)混凝土的原材料主要有水泥,粗、細(xì)集料,拌和水、活性礦物摻合料和化學(xué)外加劑等

5、6組分。通過對(duì)自密實(shí)混凝土配制實(shí)例的分析,經(jīng)類比、推理等概念設(shè)計(jì),控制混凝土的原材料性能達(dá)到以下基本要求:(1水泥:選用當(dāng)?shù)刭|(zhì)量穩(wěn)定,強(qiáng)度為42.5#,P. ,活性高的品牌水泥,且每立方用量< 450kg;(2礦物摻合料:由于膠凝材料用量大,礦物細(xì)摻料的總摻量一般可大于膠凝材料總量的30%。為降低成本,在此可選用燒失量<2%,需水量<90%的 級(jí)超細(xì)粉煤灰;(3化學(xué)外加劑:混凝土拌和物良好的流變性主要通過高效減水劑來實(shí)現(xiàn),選取減水率>25%,緩凝時(shí)間長(zhǎng),拌和物塑性經(jīng)時(shí)損失小,與膠結(jié)材料相容性好的減水劑是其關(guān)鍵;(4石子:是影響流變性和強(qiáng)度性能的又一重要因素,采用壓強(qiáng)達(dá)到

6、100M Pa以上的花崗巖,且含泥量<0.5%,針片狀顆粒含量<8%,對(duì)所用石子需測(cè)定其表觀密度、堆積密度和壓碎指標(biāo),并按P=(1-0 0×100%計(jì)算空隙率,且空隙率<40%,壓碎指標(biāo)10%左右;對(duì)配制強(qiáng)度等級(jí)>C60的高流態(tài)或自密實(shí)混凝土,其性能指標(biāo)的要求更高,除要考慮其強(qiáng)度、粒徑和級(jí)配外,還不得混入風(fēng)化顆粒,控制好粒形,以降低用水量和提高強(qiáng)度。(5河砂:細(xì)度模數(shù)>2.7,含泥量<1.0%,砂率在38%50%。(6拌和水:自來水,用水量<170kg m3時(shí)具有較好的體積穩(wěn)定性,而將185kg m3作為高流動(dòng)混凝土的極限控制值2。結(jié)合本地的

7、材料供應(yīng)情況,試驗(yàn)中考慮選用32.5#,粵秀42.5#P. 水泥,S2NN,L H S 外加劑,北江產(chǎn)的河砂,3種粒徑人工連續(xù)級(jí)配、龍口山碎石,硅粉、順安 級(jí)粉煤灰及兩者的復(fù)合粉等作配制材料。本文中,按擇優(yōu)選用的原則,將能達(dá)到指標(biāo)要求的水泥、礦物摻合料、砂、石等材料,設(shè)計(jì)成含8個(gè)試驗(yàn)因素的3類配合比方案,現(xiàn)擇其中1種方案進(jìn)行介紹,因素水平見表1。表1因素水平表水平A B C D E F G H水泥用量 kg級(jí)粉煤灰 kgL H S外加劑 %砂率 %砂的細(xì)度模數(shù)石子用量kg石子粒徑mm用水量kg12651351.7412.4按最佳531.5150 23701702.2452.6用量法525170

8、 34201802.8483.2計(jì)算<201853拌和物性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土拌和物的性能指標(biāo),主要從可泵性或流變性、粘聚性、保水性、凝結(jié)時(shí)間、坍落度損失、體積穩(wěn)定性和強(qiáng)度等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。3為獲得良好的流動(dòng)性與抗分離性,規(guī)定43佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第20卷水膠比為0.280.40,拌和物中膠結(jié)材料漿體體積占35%45%,坍落度240mm,擴(kuò)展度550mm,中邊差25mm,倒坍落度筒的流出時(shí)間t=815s,若流出時(shí)間t>30s,則表示拌合物粘度大,不易泵送;擴(kuò)展度<460mm,表示拌合物屈服強(qiáng)度偏大,也不易泵送。為滿足預(yù)拌及運(yùn)送上的需要,還應(yīng)使初、終凝時(shí)間比基準(zhǔn)

9、混凝土推遲12h,且工作性能保持良好,損失率<10%。為避免混凝土收縮產(chǎn)生裂縫,按普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法4要求的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,測(cè)量3d,7d,28d,60d的收縮值,28d收縮值不宜大于0.3mm m。強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到項(xiàng)目任務(wù)書所要求的C40C60。4試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)針對(duì)上述自密實(shí)混凝土的設(shè)計(jì)性能,可采取多種簡(jiǎn)便、快速測(cè)試方法來控制拌合物的質(zhì)量,分析其性能變化規(guī)律,探究適于工程應(yīng)用的檢驗(yàn)辦法。采用L形儀,正、反坍落度筒等分時(shí)段進(jìn)行10s,15s,終值以及靜置1h后的流動(dòng)速度、坍落度、擴(kuò)展度、中邊差,與粘性有關(guān)的流空時(shí)間等性能指標(biāo)的測(cè)量,以評(píng)價(jià)拌合物屈服剪應(yīng)力的大小和均

10、勻程度。按試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),本項(xiàng)目對(duì)流動(dòng)性較高的混凝土拌和物,按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)得坍落度>220mm時(shí),插搗易引起粗骨料的下沉、離析;為避免這種人為的離析,了解與實(shí)際施工狀況相一致時(shí)混凝土拌和物的流變性,應(yīng)按無插搗測(cè)取性能指標(biāo)值;對(duì)抗?jié)B、收縮指標(biāo)按技術(shù)規(guī)程,同時(shí)留28d,60d的試樣;對(duì)抗壓強(qiáng)度指標(biāo),按標(biāo)準(zhǔn)方法同時(shí)留置3d,7d,28 d,60d,邊長(zhǎng)100mm立方體試塊,待養(yǎng)護(hù)到期后按規(guī)程測(cè)試;對(duì)流變性能指標(biāo)達(dá)到要求的,表2L27(313正交表安排試驗(yàn)及結(jié)果擴(kuò)展值0h免坍落度0h免中邊差0h免砼強(qiáng)度R285822.54.557.3 5023751 5525.56.544 64.521652.2 61

11、224.554.3 54216.548.9 65222.554.6 52.521751.8 63233.555.2 6223561.5 6124473.261213.570.5 63233.573.1 6825.5267.5 6322473.6 54242.581.4 6023.52.567.6 6724.52.564.4 7023.5468.7 6602.569.3 62261.572.6 2024.53080.6 6624278.9 6601.572 7226.51.571.6 20253076.2 6824270.2除做標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件外,還增做“標(biāo)溫袋裝保濕”、“工程匹配”兩組試件的養(yǎng)護(hù)。

12、外加劑與水泥、礦物摻合料的相容性作重點(diǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證。即時(shí)觀測(cè)并評(píng)定混凝土拌和物的離析程度、泌水性(量測(cè)泌水量等以及對(duì)試驗(yàn)、養(yǎng)護(hù)全過程作好詳細(xì)的記錄,也是優(yōu)化設(shè)計(jì)分析中不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。L27(313正交表系統(tǒng)設(shè)計(jì)試驗(yàn),詳見表3,限于篇幅,僅以免插試驗(yàn)的部分性能值為例作極差分析,計(jì)算見表4,由表4結(jié)合二元分析可以知道各因素對(duì)混凝土拌和物性能的影響順序:(1擴(kuò)展直徑為GH(A×B(A×CEDCA FB (主次,最優(yōu)配合比G1H3A3B1C3E2D3F1;(2坍落度為H GA(A×BD(A×CCEFB (主次,最優(yōu)配合比H3G1A2B1D3C3E2F1;(3

13、中邊差為B(A×CFE(A×BCDA H G (主次,最優(yōu)配合比B1F1E2C3D3A2H2G1;(4強(qiáng)度R28為A HBC(A×CF(A×BD GE(主次,最優(yōu)配合比A3H1B2C1F2D3G2E1。53第3期雷元新等:正交試驗(yàn)法在自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究表3極差分析計(jì)算表試驗(yàn)因素A B(A×B1(A×B2C(A×C1(A×C2D E F G H 數(shù)據(jù)分析12345678910111213擴(kuò)展直徑k1j58.1160.5655.1157.4458.7258.9463.6156.1755.7261.726

14、4.7864.1151.33 k2j62.1158.3958.1762.0656.0659.8357.3958.0662.5057.3961.2251.2261.89 k3j56.6757.9463.6157.3962.1158.1155.8962.6758.6757.7850.8961.5663.67 R j5.442.618.504.676.061.727.726.506.784.3313.8912.8912.3315s TL k1j22.3323.3320.2220.9420.9421.2824.1120.1720.3923.6123.5623.9417.94 k2j23.3920.89

15、20.6723.1120.3323.0620.6120.7823.5620.6723.3918.2823.22 k3j19.2820.7824.1120.9423.7220.6720.2824.0621.0620.7218.0622.7823.83 R j4.112.563.892.173.392.393.833.893.172.945.505.675.89中邊差k1j5.334.286.566.786.616.392.947.226.723.673.333.069.39 k2j3.286.677.003.616.833.837.116.783.676.673.569.673.72 k3j8.

16、336.003.396.563.506.726.892.946.566.6110.064.223.83 R j5.062.393.613.173.332.894.174.283.063.006.726.615.67R28k1j52.1463.1266.3664.9466.7866.3365.2464.1866.3965.7664.2265.3069.38 k2j70.3166.7964.2964.3865.5365.3265.1765.4764.9166.0866.1864.5064.83 k3j73.3465.8965.1666.4863.4964.1465.3966.1664.5063.9

17、765.4066.0061.59 R j21.203.672.072.103.292.190.221.981.892.111.961.507.79由上述最優(yōu)配比和試驗(yàn)記錄,可以作出綜合評(píng)價(jià):流動(dòng)性和抗離析性要求粗骨料用量小,粒徑531.5mm,水量適中,但粗骨料用量小時(shí)硬化混凝土的彈性模量低,收縮、徐變大;砂率大,有利于施工性和強(qiáng)度而不利于彈性模量;水膠比大,有利于流動(dòng)性,而不利于強(qiáng)度和耐久性等等。優(yōu)化后設(shè)計(jì)出6個(gè)自密混凝土配比,A2B1C3D3E2F1G1H2、A2B2C2D3E1F2 G1H3,A2B2C3D3E2F1G1H2,A2B3C2D3E2F1G1H2,A3B1C3D3E2F1G2

18、H2,A3B2C2D3E2F1G1H2。課題組對(duì)流動(dòng)性、自密實(shí)性效果的準(zhǔn)確性和可靠性,進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)室復(fù)驗(yàn),為選取更好的生產(chǎn)條件還作了工程應(yīng)用小試。5工程應(yīng)用工程應(yīng)用中采取了混凝土預(yù)拌泵送和高拋澆筑等施工技術(shù),高效、較好地解決了特殊結(jié)構(gòu)因無法振搗澆筑,混凝土不能密實(shí)的工程難題,并為新的結(jié)構(gòu)技術(shù)(鋼箱拱、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力、鋼管柱、轉(zhuǎn)換梁在本地的推廣應(yīng)用提供了可靠材料保證。工程應(yīng)用情況見表4。表4工程應(yīng)用情況工程名稱結(jié)構(gòu)部位及特征生產(chǎn)及施工方法時(shí)間用量 m3技術(shù)措施使用效果佛山某高層住宅轉(zhuǎn)換大梁、間距30mm的密筋預(yù)拌高流態(tài)混凝土C50、泵送2001.555留樣強(qiáng)度合格外觀無缺陷某大橋結(jié)構(gòu)加固鋼箱錨腳

19、及箱拱,外表結(jié)構(gòu)封閉預(yù)拌自密實(shí)混凝土C50、泵送2000.948多口泵入、小孔排氣留樣強(qiáng)度合格敲擊無空殼聲某監(jiān)督站大樓無粘結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力天面板柱接頭、交叉多層密筋預(yù)拌高流態(tài)混凝土C40、泵送2001.517留樣、回彈強(qiáng)度合格、外觀無缺陷紅棉苑大廈工程鋼管柱長(zhǎng)柱預(yù)拌高流態(tài)混凝土C60、吊斗供料高拋2001.782插簽引氣抽芯強(qiáng)度85.2M Pa留樣強(qiáng)度68.4M Pa必須注意的是:自密實(shí)混凝土的質(zhì)量對(duì)原材料的變動(dòng)很敏感,制作和施工中各環(huán)節(jié)的控制要求較普通混凝土嚴(yán)格,對(duì)操作工人的要求低,但對(duì)技術(shù)和管理人員的要求更高。高流動(dòng)63佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第20卷度的混凝土能自流平,但仍需稍加振搗以

20、保證混凝土的足夠密實(shí),也就是說,并非任何用自密實(shí)混凝土澆筑的工程可以完全不振搗,應(yīng)針對(duì)工程實(shí)際,區(qū)別對(duì)待。5結(jié)論在自密實(shí)混凝土性能概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,選取正交試驗(yàn)表構(gòu)造配合比試驗(yàn),能較好地驗(yàn)證拌和物的流動(dòng)性、自密實(shí)性和準(zhǔn)確性,優(yōu)化設(shè)計(jì)出多個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的自密實(shí)混凝土配合比。自密實(shí)混凝土施工性能對(duì)原材料和配合比的變化敏感,配制和施工中要精確、嚴(yán)格,養(yǎng)護(hù)即時(shí)。對(duì)于泵送施工,在保證不離析、收縮量<0.03%的情況下,流動(dòng)速度、坍落度和坍落擴(kuò)展度應(yīng)盡可能大些,通過工程應(yīng)用能確定可靠性更好的生產(chǎn)條件。參考文獻(xiàn):1欒軍編.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,1994.2吳村,李生慶,郭慶,

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