用正交试验法分析外掺料掺量对水泥胶砂强度的影响

申彩华

摘要：文章采用正交试验设计方法优化设计方案，通过大量基础试验，总结出常用外掺料——粉煤灰和矿粉对不同龄期的水泥胶砂强度的影响程度以及效能系数f（x）的变化规律，为合理利用外掺料配制高性能混凝土提供依据。

关键词：正交试验设计；外掺料；水泥胶砂强度；高性能混泥土

中图分类号：TQ172 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）01-0105-03

一、概述

正交试验设计是一种常用的试验优化方法，它在试验方案设计方面具有很高的实用性，其主要特点是将试验因素加以分析，从全面组合处理中选择一部分具有代表性的组合处理进行试验，以实现用尽量少的部分实施来实现全面试验所达到的目的——以少求全，因此，具有设计灵活、计算简便、试验次数少、优化成果多、可靠性高以及实用面广等特点。特别对于影响因素及因素水平较多的试验，通过正交试验方差分析，可比较不同因素对试验结果的影响程度。

高性能混凝土已成为混凝土应用技术的趋势，在普通混凝土的基础上掺入一定的微集料取代水泥，可以很大程度改善混凝土的工作性能，并提高混凝土耐久性、节约成本、节能利废。通常采用粉煤灰和矿粉作为外掺料对提高混凝土工作性能的效果较好，为此，总结部分水泥被粉煤灰和矿粉取代后水泥胶砂强度的改变情况，对今后在实际工作中合理配制高性能混凝土有很大的指导性意义。通过对各种龄期的水泥胶砂强度的分析，得出粉煤灰和矿粉对不同龄期的水泥胶砂强度的影响规律，为今后配制高性能混凝土时合理利用粉煤灰和矿粉有着很大的实际意义。

采用正交试验法设计试验方案，用极差分析法和方差分析法分析外掺料掺量对胶砂强度的影响。

二、正交试验方案设计

（一） 确定试验指标

本试验的目的是要寻求两种外掺料对混凝土强度的影响规律，寻求最佳的外掺料掺量，试验指标确定为水泥胶砂强度，为观察不同掺量强度增长的影响，分别试验3天、7天、28天、45天的抗折、抗压强度。

（二）确定试验因素并选取适当水平

选取外掺料的取代率（%）和粉煤灰占外掺料比例（%）两个试验因素。考虑到外掺料的取代率范围较大，且水泥胶砂强度应尽量减少分批试验，故考虑多水平，本次试验方案选用6水平，分别为10%、20%、30%、40%、50%和60%。粉煤灰占外掺料比例取三水平，分别为0%、20%和40%。

（三）选用合适的正交表

由于因素水平不相等，选用混合型正交表L18（6×36）进行正交设计。

（四）其他

将所选正交表中各列的不同数字换成对应因素的相应水平，另设计一组外掺料为0%的试验，用以与掺有外掺料的试验相比较。

试验选用贵州水泥厂乌江牌普通硅酸盐水泥，水泥等级为42.5；矿粉选用普通矿粉；粉煤灰为II级灰。试验方案及试验结果见表1：

注：1.设计一组外掺料为0%的试验，用以与掺有外掺料的试验相比较；2.由于短期内制作大量试件，水泥养护箱容积不够，故全都在混凝土养护室内养护，所以前期强度有点偏低。考虑到这次试验主要是对比试验，所以不影响试验分析结果。

三、试验分析

（一）对试验结果进行方差分析和极差分析

1．28天水泥胶砂抗压强度分析。

表2、表3为28天水泥胶砂抗压强度方差分析计算结果，由此可以得出以下分析结果：

（1）由表2的Ti值和Tj值由极差分析可得出，外掺料取代率50%时Ti值最大，粉煤灰占外掺料比例为0%时Tj值最大，故外掺料取代率50%、粉煤灰占外掺料比例为0%时为胶砂强度试验的最优组合；

（2）外掺料取代率对试验结果的显著性水平>0.25，粉煤灰占外掺料比例显著性水平为0.05，故可得出粉煤灰掺量变化对胶砂强度有显著影响，而矿粉的掺量变化对胶砂强度影响不大。

（3）该次试验的试验水平分析：

试验误差的估计值的均方差σ==3.11，变异系数CV=σ/ =7.14%，在5%～10%之间，故试验水平属于一般水平。

2．28天水泥胶砂抗折强度方差分析采用同样方法对28天水泥胶砂抗折强度进行方差分析计算，可以得出以下分析结果：

（1）同28天水泥胶砂抗压强度分析方法，最优组合为外掺料取代率50%，粉煤灰占外掺料比例为0%；

（2）外掺料取代率对试验结果的显著性水平为0.25，粉煤灰占外掺料比例显著性水平为0.05，故粉煤灰掺量变化对胶砂强度有显著影响，而矿粉的掺量变化对胶砂强度影响不大。

（3）该次试验的试验水平分析：

试验误差的估计值的均方差σ==0.55，变异系数CV=σ/ =6.6%，在5%～10%之间，故试验水平属于一般水平。

3．其他数据分析。对其他胶砂强度试验结果进行分析，得出分析结果：

（1）3天龄期的水泥胶砂强度的最优组合为：外掺料的取代率10%，粉煤灰占外掺料比例为0%。

两因素对水泥3天胶砂强度的影响非常显著，尤其是外掺料的取代率。

（2）7天龄期的水泥胶砂强度的最优组合为：外掺料的取代率10%，粉煤灰占外掺料比例为0%。

两因素对水泥7天胶砂强度的影响显著，其中粉煤灰的掺量影响更大些。

（3）对45天龄期的水泥胶砂抗压强度进行极差分析，最优组合为：外掺料的取代率30%，粉煤灰占外掺料比例为0%；对其抗折强度进行分析，最优组合为：外掺料的取代率60%，粉煤灰占外掺料比例为0%。

矿粉掺量对45天龄期的水泥胶砂强度影响不显著，粉煤灰掺量对后期强度影响较大。

（二）外掺料对不同龄期的水泥胶砂强度的影响

分析试验结果，总结出矿粉对水泥胶砂强度强度的影响规律。以f（X）定义为效能系数，表示强度变化情况，f（X）值为掺有外掺料的水泥胶砂强度与纯水泥胶砂强度的比值。当f（X）>1时，表示较纯水泥胶砂强度高，反之，则低。矿粉对不同龄期的水泥胶砂强度的影响规律如图1，最大值针对不同的矿粉大概出现在x为35%～50%之间，本次试验出现在取代率为50%的条件下。

由试验结果可以看出，当用部分粉煤灰取代矿粉后，胶砂强度明显降低。根据试验结果，总结出用部分粉煤灰取代矿粉后的效能系数f（x）变化情况，图2为粉煤灰取代部分矿粉后对水泥28天龄期的胶砂强度的影响规律。

四、结语

运用正交试验法科学地设计了本次试验方案，并通过对试验结果的一系列分析，得出了矿粉和粉煤灰对不同龄期的水泥胶砂强度的影响程度以及效能系数f（x）的变化规律，为合理利用外掺料配制高性能混凝土具有非常重要的指导意义。

参考文献

[1]任露泉．试验优化设计与分析（第二版）[M]．高等教育出版社，2004．

（责任编辑：赵秀娟）