混凝土配合比正交试验设计方法应用.docx

混凝土配合比正交试验设计方法应用 丁文亮( 徐州市交通工程质量监督处，江苏 徐州221002)摘要: 通过将正交试验设计方法应用于混凝土配 合比优化设计，提高配合比设计的精细化程度，兼 顾混凝土技术性能和经济效益，有利于资源节约 和提高混凝土质量控制水平。关键词: 正交试验; 配合比; 优化方法下，推广优化设计方法 ，使混凝土配合比同 时 满 足使用性能和经济 性 要 求 ，将 会 产 生巨大的社会和经 济效益。混凝土的力学性能、耐久性和易于施工浇筑的工 作性能主要受其组成成分和用量的影响，当然也受其施工和使用的环境、气候条件等因素的影响。优良的 配合比设计必须综合考虑工程类型、结构特点、使 用部位、环境气候条件、原材料种类及其特性等诸多 因 素。常用的混凝土配合比设计方法是基于平均 相 关 性的计算法，通 过 计 算、试 配、调 整 的 设 计 过 程，简 化了配合比设计的数学计算和诸多因素对混凝土性能 的相互影响，一方面有利于设计方法的使用，另一 方面由于考虑的因素有限，并且对水胶比、用水量、砂率 等主要因素往往给出经验性的选用范围或限值，在一定程度上将影响配合比精确性的进一步提高。而 采 用试验优化设计的方法建立具体施工条件下较多影 响因素的数学模型，确定各影响因素的主次顺序和影响程度，不仅能使配合比设计精细化，而且能在原 始 参数变化时科学合理地修正配合比，从而在施工过程中有效地控制混凝土的质量。中图分类号: U416 216文献标识码: ADesign method applicationof orthogonal test on concrete mix proportionDING Wen liang( Department of Quality Supervision of Traffic Engineering，Jiangsu Xuzhou 221002 China)Abstract: Through the orthogonal experimental designmethod was applied to optimal design of concrete，it can improve refining level of mix proportion and attend to both technical functions and financial benefits，Which helps to resource saving and raise the level of concrete quality controlKey words: orthogonal test; mix proportion; optimization method引言我国现行水泥混凝土配合比设计规程规定了配 合比设计 的 基 本 方 法1 ，但 在 具 体 应 用 中 ，施 工 单 位往往重视混凝 土的技术性能要求 ，在 配 合 比 设 计 的经济性方面考 虑 不 足 ; 或 是 出 于 对工程质量的担 心，在配合比设计及强度保证上趋于保守 ，这 无 疑 会造成 水泥用量的不必要浪费 。 在 我 国 基 本 建 设 长期保 持 较 大 规 模，混凝土用量逐年递增的情况 1正交试验设计方法正交试验设计方法是常用的一种多因素多指标优化设计方法，它使用正交表这一工具进行因素组合，通过整体设计、综合比较和统计分析，通过较少量的试验，得到尽可能多且可靠的信息，经综合分析评价，得出全 面的结论，找到满足要求的最佳的试验方案。1 1安排试验方案在进行试验时，首先要根据实际情况确定试验指标，挑选影响该项指标的各种因素，要排除影响不 大或已经控制得较好的因素，挑选可能有较大影响但又 没有把握的因素进行考察，同时还要确定被考察的各个因素所取的水平。然后根据因素和水平的多少，选择合适的正交表安排试验。1 1 1各因素水平数相同的试验收稿日期: 20130621作者简 介: 丁 文 亮 ( 1971) ，男，江 苏 徐 州 人，工 程 师，研 究方向为水运工程质量监督、试验检测及管理。如果所考察的各因素的水平数相同，可以选用同水平正交表。例如有 3 个因素，每个因素都是两个水 23 丁文亮: 混凝土配合比正交试验设计方法应用平，一般选用正交表 L4( 23) ，也可以选用 L8 ( 27) ; 当有 4 至 7 个因素时，一般选用 L8( 27) 。如果每个因素 都是 3 水平，当有 3 至 4 个因素时，一般选用 L9( 34) ; 当有 4 至 5 个因素时，一般选用 L16( 45) 。正交表中允 许 出 现 空 列。例 如，使 用 L9 ( 34 ) 安排 3 因素 3 水平试验时，可以把 3 个因素分别填在表 中任意 3 列上，没有安排因素的一列便成为空列。1 1 2 各因素水平数不相同的试验各因素水平数不相同时，可以选用混合水平正交 表安排试验。例 如，有 7 个 因 素 参 加 试 验，其 中 一 个因素为 2 水平，另外六个因素为 3 水平，这时可 选 用L18( 2 37) ，把 2 水平的因素放在第 1 列，把 3 水平 的 6 个因素分别放在后面的列上即可。映了该列所排因素选取的水平变动对试验指标影响 的大小。根据极差的大小可以 排出因素的主次顺 序; 各列中和的最大值代表的 水平的组合一般可作 为优化结果。但需要说明的是，某列的极差不大，不 一定说明该列 所排的因素不 重 要，可能是由于所选 水平的变动不 能反映出这个 因 素 的 重 要 性，应 根 据 具体情况进行 分 析 并做进一步的试验。 另 外，如 果 空列极差特别大，则可能是试验结果误差很大，也 可 能是尚未考虑 到的重要交互 作 用 存 在，应 作 更 深 入 的分析。对各因素水平数不相同的试验，应将各因素各水 平试验结果之和除以水平重复数以后再算极差。水 平重复数是指该水平所对应的试验数据的个数。在 排列因素主次顺序时，要先在水平数相同的因素之间 直接 比较极差的大 小，然后将水平数不 同 的 因 素 插入。对因素间带有交互作用的试验，如果用极差法分析出某两个因素间的交互作用比较重要，则在选取这 两个因素的水平时要考虑水平的哪种搭配好。如 果 交互作用占正交表的两列或多列时，应以极差最大的 一列为准。1 2 2 方差分析法对试验结果进行方差分析的目的是将试 验 条 件 的改变所引起的数据波动与试验误差所引起的数据 波动分开，还将影响试验结果 的主要因素和次要因 素分开，从而 克 服 极 差法不够精确的缺点。 由 于 方 差分析法需用 到较多的数理 统 计 知 识，计 算 相 对 复 杂，使用时可参阅有关数理统计公式进行计算分 析。1 1 3因素间有交互作用的试验当因素间存在交互作用，要使用完备正交表安排试验。例如，影响某指标的因素有 A、B、C、D，A、B、C可能存在交互作用，这时有四个 因 素 A、B、C、D 和 三 个交互作用 A B、A C、B C，共 7 列，因此选用 L8( 27) ，这是一个完备正 交 表，即带有二列间的交互作 用列表。交互作用不是具体的因素，当然也就无所谓水平可言。因此，在安排试验方案时交互作用是不用的，只要将因素 A、B、C、D 的具体水平数值填入正交 表 L8( 27 ) 二列间的交互作用列表就 可 得 到 试 验 方案表。需要指出，两个水平因素间的交互作用只占正交 表的一列，对于 3 个水平因素间的交互作用要占正交 表的两列。一般 地，水平数相同的两个 因 素，其 间 的交互作用在正交表中所占的列数是水平数减去 1。选用正交表的基本原则: ( 1) 正交表的列数不 能 少于因素的个数，最好多于因素的个数，使表中出现空列。( 2) 因素的水平数要同它所在列中的水平数一致。( 3) 如需考察交互作用对试验指标的影响，必 须 使用完备正交表，并按照正交表带的二列间的交互作用列表选定交互作用所占的列。2设计举例配合比优化设计基本步骤: ( 1 ) 根 据 具 体 问 题确定优化指标，如 混 凝 土 强 度、坍 落 度 等，挑 选 影 响指标的因素，如水灰比、砂率、外加剂 掺 量 等，并 选 好 各因素参加试验的水平。因素和水平科学合理的选 择，既关系到对优化指标影响的 显 著 性，又 关 系 到 试 验的工作量，选择不合理将无谓地增加试验量，影 响优化设计方法的 推 广 应 用3 。( 2 ) 根 据 因 素 和 水 平数以 及有无交互作用存 在，选 用 合 适 的 正 交 表。 ( 3 ) 排出试验方案表进行试验，得到试验指标值。 ( 4 ) 用极 差 法 或 方 差分析法对试验结果进行分析， 选取各因素的最 优 水 平 组 合。( 5 ) 如 有 必 要 需 进 行 验证试验。某水运工程配制的高强泵送混凝土，考核指标为 坍落度、泌 水 性、28 d 抗 压 强 度，选择的因素水平见 表 1。1 2试验结果分析按选定的方案进行试验后，通过分析试验结果，可以弄清各因素对指标影响的大小，分清主次因素;掌握每个因素取不同水平时，该指标的变化规律; 找 到较好的水平组合，并为进一步的试验指明方向。分 析试验结果常用极差法和方差分析法。1 2 1极差法极差法分别对每个因素 ( 每 列 ) 同 一 水 平 的 试验结果相加，各列不同和之间的 数值差异可以看作 是由于各列所排因素取不同水平而引起的。每 列 中和的最大值与最小值的差称为 极 差，极 差 的 大 小 反 24 山东交通科技2013 年第 5 期率是 40% 。( 2 ) 由泌水性影响 因素试验分析结果得 知，大流动性混凝土拌和 物多数都有不同程度的泌 水，水胶比、用水量和砂率对泌水性都有一定的影响。 ( 3) 由 28 d 抗压强度的分析结果得知，水胶比对 28 d 强度影响最大，强度随用水量减少略有增加，而砂率 对强度没有影响。( 4) 用综合平衡法得出，混 凝 土 强 度高，泌水量小，坍落度大的较优配合比为 A1B2C2， 即 W / C 为 0 35，W 为 180 kg / m3 ，砂率为 40% ，坍落度 为 176 mm，28 d 抗压强度为 53 4 MPa。表 1 因素水平 用水量( kgm 3 )砂率( % )水平水胶比10 351703520 41804030 4519045由表 2 试验方案及结果分析: ( 1) 根据坍落 度 试验结果的极差分析结果得知，水灰比、用水量和砂率 对坍落度都有一定影响，其中砂率影响最大，最优砂表 2 试验方案与结果试验号因素 A因素 B因素 C空列坍落度( mm)泌水性28 d 强度( MPa)1234567891( 0 35)2( 0 40)3( 0 45)1231231( 170)2( 180)3( 190)2313121( 35)1( 40)1( 45)2223331233122312810713517616313878152748913319809598094072 255 540 153 462 151 865 748 854 3K19410690K2141121159坍落度K3116119101471569K13094140为使极差比较 更 直 观，左 例 K 值取同因素各水平试验结果的平 均值K21076664泌水率K399133317767109K163 857 655 9K261 154 455