基于正交试验方法的生态多孔混凝土配合比优化设计

基于正交试验方法的生态多孔混凝土配合比优化设计
伍松云;桑正辉;梁巧;杨婕雯
【摘要】基于正交试验法,开展生态多孔混凝土配合比优化设计研究.试验结果通过极差分析与方差分析法综合各因素试验指标得出:骨料粒径、胶凝材料用量和水胶比对28d抗压强度影响不显著;骨料粒径、胶凝材料用量和水胶比对有效孔隙率有显著影响;水胶比0.30、胶凝材料用量260 kg/m3、骨料粒径19～26.5 mm时生态多孔混凝土可获得最佳配合比.试验结果对生态多孔混凝土的工程应用具有一定的指导作用.
【期刊名称】《廊坊师范学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(018)001
【总页数】5页(P78-82)
【关键词】生态多孔混凝土;抗压强度;孔隙率;极差分析;方差分析
【作者】伍松云;桑正辉;梁巧;杨婕雯
【作者单位】中南林业科技大学,湖南长沙410018;湖南中大建设工程检测技术有限公司,湖南长沙410208;中南林业科技大学,湖南长沙410018;中南林业科技大学,湖南长沙410018
【正文语种】中文
【中图分类】TU528
0 引言
生态城市是这个时代的必然走向，开展绿色生态混凝土的研究对建设生态城市具有重要的意义［1］。

生态多孔混凝土介于普通混凝土和耕植土之间，由水泥、单一大粒径粗骨料、矿物掺合料、水、外加剂等为原材料按一定比例经特殊工艺配制而成，其形成的孔隙结构，既利于植被根系生长又能为植被生长所必需的养分提供存储空间［2-5］，是一种环保（适合植物生长）的新型材料［6］。

目前，生态多孔混凝土主要用于城市人行道、休闲广场、住宅小区的绿化，停车场、屋顶花园、河流、湖泊、水利枢纽等水利工程的生态护坡，高速公路、铁路的边坡绿化等。

20世纪40年代，国外已经开始展开对生态多孔混凝土的研究。

英国、美国、韩国、日本等均对多孔混凝土有一定的研究与应用。

其中，对多孔混凝土申请专利由日本开始，并开始研究在多孔混凝土上覆土种植植物。

学者M.Aamer Rafique Bhutta等［7］对多孔混凝土的性能进行了评价研究，结果表明：多孔混凝土的性能极好。

国内开展对生态多孔混凝土的研究相对较晚。

中国工程院院士吴中伟最早提出绿色混凝土概念，为生态多孔混凝土的研究奠定了基础。

21世纪，冯辉荣等［8］以水泥、粗粒径建筑废料(碎石)、耐冲刷营养土、减水剂等为原料研制而成的多孔混凝土，具有良好的耐冲刷、耐践踏性能。

至此，国内开始展开对植生型多孔混凝土的配合比及力学性能研究［9］，研究发现多孔混凝土的抗压强度随水胶比增大、灰骨比增大及骨料粒径的减小而增强。

综上可知，国内外对生态多孔混凝土配合比设计方法研究甚少，而普通混凝土配合比设计方法对生态多孔混凝土配合比设计并不适用。

本文基于正交试验方法对生态多孔混凝土配合比设计的研究，对生态多孔混凝土的应用推广具有重大意义。

1 试验
1.1 原材料及性能
胶凝材料：42.5级普通硅酸盐水泥，湖南恒宇建材有限公司生产，各项性能指标
见表1。

粗骨料：9.5～26.5mm碎石，长沙顺开石灰石矿业有限公司生产，各项基本性能试验指标见表2。

水：长沙市自来水。

表1 水泥各项性能指标合材掺量（%）13.5 SO3（%）2.41烧失量（%）3 MgO （%）3.34比表面积（m2/kg）354凝结时间（min）初凝155终凝200强度（MPa）3d抗压25.3 3d抗折4.9
表2 粗骨料基本性能指标粒径mm 9.5～16.0 16.0～19.0 19.0～26.5表观密度kg/m3 2600 2690 2680堆积密度kg/m3 1370 1390 1400紧密堆积密度
kg/m3 1650 1600 1550
1.2 试验方法
试件成型方法采用浆体裹石法，即先将胶凝材料和70%的水一起加入搅拌机搅拌
1分钟，再加入粗骨料继续搅拌1分钟，最后将剩余的30%的拌合水加入，继续
搅拌1分钟，共搅拌3分钟。

搅拌完成后，分三层装模，每一层采用插捣法捣实。

基于正交试验方法研究骨料粒径、胶凝材料用量及水胶比对生态多孔混凝土28d
抗压强度及有效孔隙率的影响，本文采用三因素三水平的正交试验表格L9(34)进
行实验，正交试验方案［10］设计如下表3所示。

抗压强度测试方法：采用TYE-2000E型压力试验机进行生态多孔混凝土的抗压强度测试，试件受压面积为150×150mm2，参照（GB/T50081-2002）《普通混
凝土力学性能试验方法标准》的相关规定进行试验。

有效孔隙率测试方法：试验借鉴美国《压实沥青试件有效孔隙率测试标准方法》测试生态多孔混凝土连通孔隙率，其测试原理是排水法，采用真空包装机将试件密封，采用静水天平进行质量计量。

此方法规避了测试试件形状对于测试结果的影响，精确度高。

具体测试步骤如下：
表3 生态多孔混凝土正交试验设计方案注：粗骨料用量为该粒径的紧密堆积密度。

试件编号骨料粒径胶凝材料用量水胶比mmkg/m3W/B 1 19～26.52600.28 2 19～26.52800.3 3 19～26.53000.32 4 16～192600.3 5 16～192800.32 6 16～193000.28 7 9.5～162600.32 8 9.5～162800.28 9 9.5～163000.3
（1）将待测圆柱形绿色生态混凝土小试块自然风干或50℃烘干，尺寸规格为
D*H：100×100（mm2）；
（2）采用真空包装机密封试件，抽成真空；
（3）测量试件在空气中的质量m1；
（4）采用静水天平测量密封试件在水中的质量m2；
（5）水中沿边角剪开密封袋使水充分浸润试件达到饱和，测量此时试件的质量
m3。

孔隙率计算公式：
2 试验结果与分析
2.1 试验结果
各组生态多孔混凝土试件抗压强度及有效孔隙率测试结果如表4所示。

2.2 各因素对生态多孔混凝土28d抗压强度的影响
2.2.1抗压强度极差分析
生态多孔混凝土抗压强度的极差分析见表5。

K为各因素水平所对应的试验指标和，kˉ为K平均值；R为各因素的极差。

表4 生态多孔混凝土测试结果试件编号骨料粒径mm胶凝材料用量kg/m3水胶比W/B 28d抗压强度（MPa）有效孔隙率（%）1 2 3 4 5 6 7 8 9 19～26.5 19～26.5 19～26.5 16～19 16～19 16～19 9.5～16 9.5～16 9.5～16 260 280 300 260 280 300 260 280 300 0.28 0.3 0.32 0.3 0.32 0.28 0.32 0.28 0.3 7.1
8.5 10 7.6 10.9 9.4 8.3 6.7 9.2 33.53 32.65 29.89 31.76 28.35 29.07 28.91 30.03 29.26
表5 生态多孔混凝土抗压强度正交试验极差分析表A（骨料粒径）B（胶凝材料
用量）C（水胶比）D（空列）25.6 23 23.2 27.2 27.9 26.1 25.3 26.2 24.2 28.6 29.2 24.3 8.53 7.67 7.73 9.06 9.3 8.7 8.43 8.73 8.07 9.53 9.73 8.1 1.23 1.86 2 0.96
其中，kˉ反映了各因素不同水平上试验指标的变动幅度，R反映各因素对试验指标的影响幅度，R越大表明影响越大。

根据R大小，可以判断出各因素的主次顺序，根据kˉ的大小可以判断该因素的最优水平。

各因素的极差因子影响见图1。

图1 各因素的极差因子影响
由表5可以看出，生态多孔混凝土28d抗压强度随水胶比与胶凝材料用量的增大
而增大，随骨料粒径的增大先增大后减小。

R0为该生态多孔混凝土28d抗压强度的极差因子，R0C＞ R0B＞ R0A，由图1可得，各因素对生态多孔混凝土28d抗压强度的影响为水胶比（C）＞胶凝材料用量（B）＞骨料粒径（A）。

根据`k大
小判断各因素优水平和优组合为A2B3C3，即当骨料粒径为16～19mm、胶凝材
料用量为300 kg/m3、水胶比为0.32时方案最优。

2.2.2抗压强度方差分析方差分析表通过计算得出，计算公式如下：
Q为因素偏差平方和；
自由度=因素水平数-1；
均方差=偏差平方和/自由度；
F值=因素均方差/误差均方差。

其中，K为各因素水平所对应的试验指标和，g为正交试验的次数，n为因素水平数，xi为正交试验结果，n为正交试验的次数。

计算结果如表6所示。

表6 28 d抗压强度方差分析表（注：误差为空列）2.327 5.247 6.180 1.447
F0.05（2,2）=19.0 F0.01（2,2）=99.0 1.163 2.623 3.090 0.723 A B C 误差2
2 2 2 1.61 3.6
3 4.27
（1）显著性是根据选择的置信度(或称显著性水平)大小、因素自由度和误差自由
度3个变量，对查表所得F临界值与计算所得F值大小进行判断得出的结果。

当
计算所得F值大于查表所得F临界值时，说明在选择的显著性水平上，因素对目
标量的影响是显著的。

（2）由表6可知，各因素对生态多孔混凝土28d抗压强度无显著影响，原则上A、B、C可以取任意水平，但基于均值越大该因素对生态多孔混凝土28d抗压强度影响越大，根据均值大小可以确定各因素影响主次顺序为水胶比（C）、胶凝材料用量（B）、骨料粒径（A）。

（3）通过比较各因素水平上的kˉ值，可以确定基于抗压强度的生态多孔混凝土最优配合比方案为A2B3C3，此结论与极差分析一致。

2.3 各因素对生态多孔混凝土有效孔隙率的影响
2.3.1有效孔隙率极差分析
生态多孔混凝土各配合比的有效孔隙率极差分析见表7所示，各因素的极差因子
影响见图2，对于生态多孔混凝土，有效孔隙率越大越好。

图2 各因素的极差因子影响
表7 生态多孔混凝土有效孔隙率正交试验极差分析表A（骨料粒径）B（胶凝材
料用量）C（水胶比）D（空列）96.07 94.2 92.63 91.14 89.18 91.03 93.67 90.63 88.2 88.22 87.15 91.68 32.02 31.4 30.88 30.38 29.73 30.34 31.22
30.21 29.4 29.41 29.05 30.56 2.62 1.99 2.17 0.35
表中R1为有效孔隙率的极差因子，由图2可得，各因素的主次顺序为骨料粒径（A）＞水胶比（C）＞胶凝材料用量（B），各因素最佳配合比组合为A1B1C2，
即当骨料粒径为19～26.5mm、胶凝材料用量为260 kg/m3、水胶比为0.30时
取得最优配合比。

2.3.2有效孔隙率方差分析
生态多孔混凝土各配合比的有效孔隙率方差分析见表8所示。

表8 有效孔隙率方差分析（注：误差为空列）6.132 2.984 4.090 0.092 F0.05（2,2）=19.0 F0.01（2,2）=99.0 12.263 5.967 8.180 0.184 A B C 误差2 2 2 2 66.72 32.47 44.51* * *
（1）由表8可得，各因素对生态多孔混凝土有效孔隙率的影响均达到显著性水平［11］，通过比较各均值大小可得：各因素影响主次顺序分别为骨料粒径（A）＞水胶比（C）＞胶凝材料用量（B）。

（2）对具有显著影响的因素分别选择其最优水平，通过比较各因素水平`k值，基于有效孔隙率的生态多孔混凝土最优配合比为A1B1C2，此结论与极差分析一致。

2.4 综合分析
（1）单从各因素对生态多孔混凝土28 d抗压强度的影响来看，水胶比（C）作为主要影响因素，当水胶比取0.32时，抗压强度值较大。

生态多孔混凝土与普通混
凝土破坏形态有所不同，其破坏多发生在骨料与骨料之间的接触点上，接触点上水泥浆体与骨料之间的粘结力和粘结面积的大小［12］决定其抗压强度大小。

因此，水胶比大小是影响生态多孔混凝土抗压强度的重要因素。

水胶比增大，水泥浆用量增多，粘结面积增大，粘结点的数量也随之增多，抗压强度随之增大；反之，其抗压强度随之降低。

（2）单从各因素对生态多孔混凝土孔隙率的影响来看，骨料粒径（A）为主要影
响因素，当骨料粒径为19～26.5 mm时，有效孔隙率较大。

对于单一粒径混凝土，在没有细集料填充的情况下，孔隙率的大小取决于混凝土粗骨料粒径的大小［13］，根据试验结果亦能得证。

（3）综合各因素对28d抗压强度及有效孔隙率的影响，各因素对生态多孔混凝土28d抗压强度无显著影响，对有效孔隙率则均表现出显著性。

因此，根据各因素
对生态多孔混凝土有效孔隙率的影响大小来决定其最优工艺水平，即取A1B1C2
作为最优配比组合。

（4）试验结果显示，28 d抗压强度与孔隙率之间存在一定的相关性［14］，孔
隙率越小，骨料之间填充的越密实，混凝土抗压强度越大。

在工程应用中，生态多孔混凝土的孔隙率越大，植被越易生长，但抗压强度随之减小，不利于防洪护堤；反之，抗压强度增大，有利于防洪护堤，但同时孔隙率的减小不利于植被生长。

因此，在实际工程中，应根据工程现场所需抗压强度和孔隙率，合理地选取生态多孔混凝土配合比以满足工程要求。

3 结论
（1）通过极差分析可得，影响生态多孔混凝土28d抗压强度的主次顺序为水胶比、胶凝材料用量、骨料粒径；影响生态多孔混凝土有效孔隙率的主次顺序为骨料粒径、水胶比、胶凝材料用量。

（2）通过方差分析可得，水胶比、胶凝材料用量、骨料粒径对生态多孔混凝土
28d抗压强度无显著影响；而骨料粒径、水胶比、胶凝材料用量对生态多孔混凝
土有效孔隙率均呈显著影响。

（3）正交试验方法下生态多孔混凝土的最优配合比为：水胶比0.30，胶凝材料用量260 kg/m3，骨料粒径19～26.5 mm。

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