基于正交试验方法的装配式小型水工建筑物混凝土配合比研究

刘建刚，张礼华

（1.常州市武进区水利局，江苏 武进 213100 ；2.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

1 问题的提出

小型装配式建筑物由于具有施工简、工期短、资金少等方面的优点，近年来在小型水利工程中得到越来越多的应用。但同时，由于小型水工建筑物面广量大，且一般地处偏远，交通不便，而采用传统混凝土预制构件存在笨重，运输、安装不便等问题，依然在一定程度上制约了小型装配式水工建筑物的推广。因此，如何寻找一种强度满足要求条件下，兼具质量较轻特性的混凝土预制构件材料，已成为下一步水利发展的紧迫问题之一。

正交试验方法由于具有“均衡搭配”和“综合可比性”的特点[1]，多年来得到了极为广泛的应用。材料方面，由于玻璃纤维混凝土具有强度高、韧性大、抗冲击性强等特点，在隧道、道路、房屋等领域得到较为广泛的应用，但目前针对该种材料混凝土的研究主要集中在抗拉、抗剪等力学性能等方面的研究[2-8]，尚少见到该建筑物应用于水工建筑物中，且同时满足轻质、高强的目的。现拟根据装配式小型水工建筑物的要求，结合常规混凝土外掺剂粉煤灰、硅粉，利用正交设计方法，开发出一种适宜配合比的玻璃纤维混凝土，与传统混凝土相比，满足轻质、高强的要求，以期为小型装配式水工建筑物的发展和推广提供助力。

2 试验设计

2.1 试验目的

一般情况下，小型水工建筑物混凝土强度达到C25 即可满足使用要求，特殊情况下需达到C30 以上。该项试验以C25 为控制指标，在传统混凝土建筑材料的基础上，通过掺加适宜的耐碱玻璃纤维等外掺剂，使之与传统混凝土相比，在满足强度要求的前题下，容重降低10%以上，达到轻质高强的要求。

2.2 材料选取

该项试验选用材料除包括传统的混凝土材料外，主要有水泥、黄砂、石子等，还包括外掺剂粉煤灰、硅粉、耐碱玻璃纤维。

试验用水泥采用南京海螺水泥有限公司生产的海螺牌P·042.5 级普通硅酸盐水泥，其比表面积≤300，总碱含量≤0.6，28 d 抗压强度≥42.5。选用常州Ⅱ级粉煤灰，其主要性能为SiO2含量49.5%。硅粉购自常州航艇，其特性为SiO3含量0.41%，CaO 含量0.59%。耐碱玻璃纤维产自河南永兴，密度2 700 g/cm3，长度16 mm，抗拉强度1 900 MPa。

对采用不同产地的产品，构成材料各项性能可能不完全一致。

2.3 配合比设计

为减少试验次数，规划采用正交试验方法，探寻不同外掺剂掺量对混凝土性能的影响。在前人研究的基础上，确定此次试验粉煤灰掺量分别为10%、20%、30%，硅粉掺量分别设定为3%、6%、9%，玻璃纤维掺量分别设定为1%、2%、3%。由此，构造L9（34）型正交表，其因素及水平见表1 所列。

表1 因素与水平一览表

根据上述因素和水平，可构造正交试验设计，见表2 列（1）~ 列（4）。

表2 正交表设计一览表

根据上述正交表，制作混凝土试块，试块规格150 mm×150 mm×150 mm，每组试验制作三块，总计27 块，在恒温恒氧养护室中养护至28 d 龄期，测取每一试块容重后，再进行破坏荷载试验，试验室中取每一组试块的平均值作为该配合比条件下的试块容重和强度。

同时，试验室中按水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.48∶3.63∶0.44 的比例，制备普通混凝土，在同样条件下养护，以作对比分析。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

对实验室试制的每一组试块测算容重，并采用破坏荷载试验确定其强度，容重和强度平均结果见表2 列（5）~列（6）。由结果可知，每一组试块强度均能满足C25 强度要求。

3.2 结果分析

3.2.1 极差分析

3.2.1.1 极差分析

进行极差分析的主要目的是：由于粉煤灰、硅粉、耐碱玻璃纤维均对混凝土强度和容重产生影响，通过极差分析，找出影响上述指标的主要因素和次要因素；同时，分析粉煤灰、硅粉、耐碱玻璃纤维处于什么水平时，使混凝土达到轻质高强的目的。极差分析见表3 所列。

表3 极差分析表

根据极差分析结果，试件强度- 因素变化、试件容重-因素变化趋势见图1、图2 所示。

图1 试件强度- 因素趋势图

对试件强度- 因素和试件容重-因素关系曲线进行分析可知：

（1）随着A 因素（粉煤灰）掺量的不断加大，混凝土强度呈现先增加后减小的现象，强度由水平1（10%）提升至水平2（20%）时，相应强度提升2.5%，掺量进一步提升至水平3（30%）时，相应强度降低3.5%；但同时，其容重则随掺量的不断提升呈现不断降低的趋势，当掺量由水平1（10%）经水平2（20%）提升至水平3（30%）时，容重分别降低6.0%、7.0%。由于粉煤灰是用来代替水泥的，粉煤灰掺量的不断增大，对保证混凝土强度不利。

图2 试件容重- 因素趋势图

（2）随着B 因素（硅粉）掺量的不断加大，混凝土试件强度呈现先减小后增加的趋势，当掺量由水平1（3%）经水平 2（6%）提升至水平 3（9%）时，强度先降低2.6%、再提升7.5%；而容重则呈现不断降低的趋势，当掺量由水平 1（3%）经水平 2（6%）至水平 3（9%）时，容重分别降低7%、22%。说明随硅粉掺量的不断加大，对强度的增加是有利的，且不低于2%。

（3）随着C 因素（耐碱玻璃纤维）掺量的不断增大，强度和容重均随之减少，当掺量由水平1（3%）经水平2（6%）至水平3（9%）时，强度分别降低1.1%、1.0%；而容重则分别降低2.2%、4.0%。

3.2.1.2 成果

综合上述极差分析成果，易知：

（1）对强度影响的主次次序是：C＞B＞A；对容重影响的主次次序是：A＞C＞B。

（2）对强度而言，最优组合为A2B3C1（要求试块强度越高越好）；对容重而言，最优组合为A3B3C3（要求试块容重越低越好）。

3.2.2 最优配合比确定

以综合平衡法确定最优配合比。

根据极差分析成果，最优强度组合和最优容重组合并不一致，因此，尚需对极差结果进一步分析，以找出最优配合比，根据各因素影响主次次序，采用综合平衡法确定最优配合比。

以A（粉煤灰）因素为例，判断过程如下：由极差分析表易知，A 因素对容重影响最大，而对强度影响最小。对强度而言，随着掺量的增加，强度呈现先增加、再减少的现象，因此，A2方案为最优选择。而对于容重而言，呈现掺量越大容重越低的现象，因此，A3为最优选择。为便于比较A2、A3对优选结果的影响，分别以 A2、A3为基准，在权重 1∶1，即强度、容重同等重要条件下，判断A 因素不同掺量时相对变化幅度，以此确定A 因素最优掺量，见表4 所列。

表4 A 因素不同掺量相对变化幅度一览表

由表4 分析可知，以A2为基准，掺量A3相对于A2，试件强度减少3.5%（不利），容重减少7.5%（有利）；以A3为基准，掺量A2相对于A3，强度增加3.7%（有利），但容重增加达8.1%（不利）。因此，综合上述分析，A 因素宜选择A2。

同理，可确定 B 因素（硅粉）、C 因素（耐碱玻璃纤维）最优选择分别为B3、C1，则此试验最优配合比为A2B3C1。

根据上述最优配合比，其最优试验刚好为第6号试验，即粉煤灰掺量20%、硅粉掺量9%、耐碱玻璃纤维掺量1%时，可取得较好的强度和容重，其试验结果为：强度30.5 MPa，容重2 015 kg/cm3。其与普通混凝土（水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.48∶3.63∶0.44）性能比较结果见表5 所列。

表5 与普通混凝土性能比较表

由表5 可知，与传统C25 混凝土相比，通过上述优选比例添加粉煤灰、硅粉、耐碱玻璃纤维等，可使混凝土强度提升15.1%，容重减少15.3%，达到轻质高强的目的。

4 结 语

（1）在传统混凝土建筑材料基础上，通过正交试验方法，确定粉煤灰、硅粉、耐碱玻璃纤维等外掺剂的优化配合比，在保证混凝土抗压强度的同时，能够有效降低混凝土容重，从而为装配式水工建筑物的实施提供了保障。

（2）在试验中，采用指定产地的产品材料，水泥采用的是南京海螺水泥有限公司生产的海螺牌P·042.5 级普通硅酸盐水泥，粉煤灰选用常州Ⅱ级粉煤灰，硅粉购自常州航艇，耐碱玻璃纤维产自河南永兴，由于不同产地产品，其性质并不一定相同，甚至差异很大，因而具体推广应用时，应在试验的基础上，进一步调整适宜的配合比。

（3）优选结果假定混凝土试块的强度、容重对试验结果的影响重要性比值为1∶1，如改变两者的重要性比值，则相应结果可能随之改变。

（4）通过综合平衡法确定最优配合比，其最优结果刚好为6 号试验，但往往大量工程试验中最优配合比并不一定刚好位于已发生试验中。此时，尚需根据所分析的最优配合比结果重新试验，并与已知试验结果进行比对，进一步判断优化结果的合理性。