_正交试验设计_在混凝土配合比设计中的运用_鹿永久

云南水力发电
22 YUNNAN WATER POWER 第 32
卷第1 期
“正交试验设计”在混凝土配合比设计中的运用
鹿永久
（中国长江三峡集团公司试验中心乌东德工程分中心，云南禄劝 651500）
摘要：通过乌东德工程河床围堰防渗墙塑性混凝土配合比设计及其性能试验研究，详细说明“正交试验设计”在混凝土配合比设计
与试验研究中的运用，充分体现“正交试验设计”在混凝土配合比设计与试验研究中发挥的重要作用及特点。

关键词：乌东德水电站；河床围堰防渗墙；正交试验设计；配合比；运用
中图分类号：TV41 文献标识码：B 文章编号：1006-3951(2016)01-0022-04
DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2016.01.008
1 概述
乌东德水电站是金沙江下游河段（攀枝花市至宜宾市）4 个水电梯级—乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝中的最上游梯级，坝址所处河段的左岸隶属四川省会东县，右岸隶属云南省昆明市禄劝县。

乌东德水电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪，水库总库容74.08×108m3，电站装机容量 10 200MW，多年平均年发电量389.3×108kW·h。

大坝为混凝土双曲拱坝。

河床建基面高程的信息。

2 河床围堰防渗墙塑性混凝土配合比设计与研究
2.1 塑性混凝土技术要求
依据长乌设施（技一）通字 [2014] 第 19 号《乌东德水电站河床围堰塑性混凝土防渗墙施工技术要求》，防渗墙塑性混凝土设计技术指标见表 1。

表 1 塑性混凝土墙体材料设计技术指标表
723m，坝顶高程988m，最大坝高265m，拱冠梁
顶厚9.95m，底厚45.45m，厚高比0.172，坝顶上游面弧长 325.67m，弧高比 1.23。

坝体设横缝
强度
R28
/MPa
初始切
线模量
/MPa
700 ～
渗透系数K
/（cm/s）
允许
渗透
比降 J
设计坍落度凝结时间
初始 20 ～ 24cm，初凝≥ 6h，
不设纵缝，共分 15 个坝段，横缝设接缝灌浆，陡坡坝段岸坡设接触灌浆，坝体混凝土方量约4～5
1500 <1×10-7 >100
保持 15cm 以上的
时间不小于 1.5h
终凝≤24h
273×104m3。

大坝上、下游围堰采用防渗墙平台顶部设置防护结构，汛期过流，汛后再加高围堰的方案度汛。

按照施工进度计划安排，防渗墙混凝土配合比设计与试验研究工作显得至关重要，面对目前防渗墙混凝土配合比设计要求及多种材料品种、厂家的特性，经过多方面的技术方案比较，最终选用“正交试验设计”进行防渗墙混凝土配合比设计。

正交试验设计是利用“正交表”进行科学地安排与分析多因素试验的方法。

其主要优点是能在很多试验方案中挑选出代表性强的少数几个试验方案，并且通过少数试验方案的试验结果的分析，推断出最优方案，同时还可以作进一步的分析，得到比试验结果本身给出的还要多的有关各因素注：塑性混凝土强度保证率不低于 80%。

2.2 塑性混凝土原材料检测试验结果
2.2.1 水泥
河床围堰防渗墙塑性混凝土配合比设计与研究采用以四川会东利森P·O42.5水泥为主开展试验，选用云南昆明富民P·O42.5水泥对拟定塑性混凝土配合比进行水泥互换复核性试验。

其水泥的物理力学性能指标、化学指标检测结果均符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》的相应技术要求。

2.2.2 粉煤灰
河床围堰防渗墙塑性混凝土配合比设计与研究以曲靖F 类Ⅰ级粉煤灰为主，采用宣威F 类Ⅰ级粉煤灰对拟定塑性混凝土配合比进行粉煤灰互换复核性试验。

粉煤灰品质指标检测结果均符合
* 收稿日期：2015-07-24作者简介：鹿永久(1973)，男，云南大姚人，高级工程师，主要从事工程建筑材料试验工作。

水胶比 粉煤灰 掺量 ()/% 膨润土
空例 掺量 ()/%
空例 空例 空例 1（0.90） 1（10） 3（40） 2 2 1 2 1（0.90） 2（15） 1（20） 1 1 2 1 1（0.90） 3（20） 2（30） 3 3 3 3 2（0.85） 1（10） 2（30） 1 2 3 1 2（0.85） 2（15） 3（40） 3 1 1 3 2（0.85） 3（20） 1（20） 2 3 2 2 3（0.80） 1（10） 1（20） 3 1 3 2 3（0.80） 2（15） 2（30） 2 3 1 1 3（0.80） 3（20） 3（40） 1 2 2 3 4（0.75） 1（10） 1（20） 1 3 1 3 4（0.75） 2（15） 2（30） 3 2 2 2 4（0.75） 3（20） 3（40） 2 1 3 1 5（0.70） 1（10） 3（40） 3 3 2 1 5（0.70） 2（15） 1（20） 2 2 3 3 5（0.70） 3（20） 2（30） 1 1 1 2 6（0.65） 1（10） 2（30） 2 1 2 3 6（0.65） 2（15） 3（40） 1 3 3 2
鹿永久 “正交试验设计”在混凝土配合比设计中的运用 23
DL/T5055-2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规 范》F 类Ⅰ级粉煤灰的相应技术要求。

2.2.3 细骨料
河床围堰防渗墙塑性混凝土配合比设计与研 究采用的细骨料为下白滩砂石加工系统生产的人 工砂，其人工砂的指标检测结果满足 DL/T5144- 2001《水工混凝土施工规范》对细骨料的相应技 术要求
2.2.4 粗骨料
河床围堰防渗墙塑性混凝土配合比设计与 研究采用下白滩砂石加工系统生产的人工小石 (51 ～ 20mm)，小石所检品质指标均满足 DL/ T5144-2001《水工混凝土施工规范》对粗骨料的 相应品质技术要求和设计要求。

2.2.5 减水剂
河床围堰防渗墙塑性混凝土配合比设计与 研究以浙江龙游 ZB-1A 缓凝高效减水剂为主进 行，采用江苏苏博特 JM- Ⅱ C 缓凝高效减水剂和 PCA 高性能减水剂进行复核试验。

掺 ZB-1A 、 JM- Ⅱ C 缓凝高效减水剂和 PCA 高性能减水剂 的受检混凝土减水率、含气量、泌水率比、凝结 时间差及抗压强度比均满足 GB 8076-2008《混凝 土外加剂》的相应技术要求。

2.2.6 膨润土
塑性混凝土是一种水泥用量较低并掺加较多 膨润土的塑性防渗墙体材料。

在混凝土中加入膨 润土的主要目的是为了提高防渗墙体抗渗性和降 低弹模。

试验以湖南临澧县正立膨润土有限公司 生产的膨润土（简称正立膨润土）为主，采用湖 南临澧县从邦化工有限公司生产的“湘源牌”膨 润土（简称湘源膨润土）进行复核试验。

膨润土 新鲜、无结块，袋装，品质应达到 II 级膨润土要求。

试验用正立膨润土符合 GB/T5005-2010《钻井液 材料规范》中 OCMA 级膨润土的技术要求。

2.2.7 拌和用水
河床围堰防渗墙塑性混凝土配合比设计，拌 和用水采用试验室营地生活用水， 拌和用水水 质符合 JGJ63-2006《混凝土用水标准》和 DL/ T5144-2001《水工混凝土施工规范》对混凝土拌 和用水水质要求。

2.3 正交设计塑性混凝土配合比试验 2.
3.1
确定目标、选定因素（包括交互作用）、
确定水平因子
河床围堰防渗墙塑性混凝土配合比设计与研 究选用两个水泥厂家生产的普通硅酸盐水泥，两 个粉煤灰厂家生产的 F 类Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰掺 量为 10%、15%、25%，两个混凝土外加剂厂生产 的两种类别混凝土外加剂（减水剂），掺入湖南 临澧县正立膨润土有限公司生产的膨润土（掺量 为 20%、30%、40%），混凝土配合比设计时选用 0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90 等 6 个 水 胶比开展试验。

河床围堰防渗墙塑性混凝土配合 比设计选定 4 个水平因子（水胶比、粉煤灰掺量、 膨润土掺量、6 个水胶比），其选定水平因子见表 2。

表 2 防渗墙塑性混凝土配合比设计水平因子表
水平因子 1 2 3 4 5 6 水胶比 W/（C+F+P ） 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 粉煤灰掺量 F/% 10 15 20 膨润土掺量 P/% 20 30 40
若选用全面试验法进行试验，一种水泥、一 种粉煤灰（10%、15%、25% 掺量）、一种膨润土 （20%、30%、40% 掺量）、6 个水胶比，需完成 54（1×1×3×3×6=54）试验组合，若选用正交 试验设计方面，需完成的 18 个试验组合，为全面 试验法的三分之一。

2.3.2 选用合适的正交表
依据混凝土配合比设计时选定的水平因子， 参照正交试验设计法所提供的正交表，选择表 3 进行试验。

表 3 防渗墙塑性混凝土配合比设计水正交表（L18（61×36）） 试验 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 6（0.65） 3（20） 1（20） 3 2 1 1
2.3.3 按选定的正交表设计表头，确定试验方案， 组织实施试验
河床围堰防渗墙塑性混凝土配合比设计与研 究依据表 3 设计试验表头，确定正交试验设计方案，
FSQ01 0.90 82 10 40 315 350 2.2 4.2 FSQ02 0.90 82 15 20 310 344 4.9 8.2 FSQ03 0.90 82 20 30 313 348 2.1 4.3 FSQ04 0.85 81 10 30 313 368 4.5 7.4 FSQ05 0.85 81 15 40 315 371 1.6 3.5 FSQ06 0.85 81 20 20 310 365 4.4 7.7 FSQ07 0.80 80 10 20 310 388 6.7 10.8 FSQ08 0.80 80 15 30 313 391 4.0 6.9 FSQ09 0.80 80 20 40 315 394 1.2 3.4 FSQ10 0.75 79 10 20 310 413 7.3 11.7 FSQ11 0.75 79 15 30 313 417 4.6 8.1 FSQ12 0.75 79 20 40 315 420 1.8 4.4 FSQ13 0.70 78 10 40 315 450 4.3 7.6 FSQ14 0.70 78 15 20 310 443 7.0 11.5 FSQ15 0.70 78 20 30 313 447 4.3 7.8 FSQ16 0.65 77
10
30
313 482
6.9 11.2
FSQ17 0.65 77 15 40 315 485 4.1 7.4
/% /% /% /% /（kg/m 3
） 水 水泥 粉煤灰 膨润土 砂
小石 减水剂 /mm /mm /（kg/m 3） FSQ01 0.90 82 10 40 0.6 350 315 175 28 140 1254 275 2.100 224 354 2190 FSQ02 0.90 82 15 20 0.6 344 310 224 42 69 1279 281 2.067 233 335 2175 FSQ03 0.90 82 20 30 0.6 348 313 174 56 104 1264 278 2.087 238 434 2174 FSQ04 0.85 81 10 30 0.6 368 313 221 27 110 1237 290 2.209 230 370 2210 FSQ05 0.85 81 15 40 0.6 371 315 167 40 148 1227 288 2.224 220 330 2173 FSQ06 0.85 81 20 20 0.6 365 310 219 53 73 1253 294 2.188 236 386 2176 FSQ07 0.80 80 10 20 0.6 388 310 271 25 78 1221 305 2.325 235 387 2204 FSQ08 0.80 80 15 30 0.6 391 313 215 38 117 1210 302 2.348 235 445 2202 FSQ09 0.80 80 20 40 0.6 394 315 158 50 158 1201 300 2.363 221 380 2196 FSQ10 0.75 79 10 20 0.6 413 310 289 23 83 1190 316 2.480 225 350 2205 FSQ11 0.75 79 15 30 0.6 417 313 230 35 125 1180 314 2.504 228 400 2189 FSQ12 0.75 79 20 40 0.6 420 315 168 47 168 1172 312 2.520 231 375 2207 FSQ13 0.70 78 10 40 0.6 450 315 225 22 180 1130 319 2.700 220 330 2202 FSQ14 0.70 78 15 20 0.6 443 310 288 33 89 1163 328 2.657 212 340 2195 FSQ15 0.70 78 20 30 0.6 447 313 224 44 134 1154 325 2.683 210 315 2207 FSQ16 0.65 77 10 30 0.6 482 313 289 20 144 1106 330 2.889 236 395 2176 FSQ17 0.65 77 15 40 0.6 485 315 218 31 194 1101 329 2.908 190 290 2184 FSQ18 0.65
77
20
20
0.6
477
310 286
40
95
1137
340
2.862
206
310
2181
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云南水力发电
2016 年第 1 期
表 4 塑性混凝土配合比及其拌和物性能试验结果表
编号 水胶比 砂率 粉煤灰 膨润土 减水剂 混凝土材料用量（kg/m 3）
拌和物性能
总胶材
组织实施塑性混凝土配合比设计试验，其试验结 果见表 4、表 5。

表 5 塑性混凝土硬化物性能试验成果表
极差最大的那个因素，就是最主要的因素。

方差 分析法：将总的离差平方和分解成各因素及各交 互作用的离差平方和，构造 F 统计量，对各因素 水胶 砂率 粉煤 膨润 用水量 总胶材 抗压强度
是否对试验指标具有显著影响，作 F 检验。

本文 编号 比
/% 灰 /% 土 /% /(kg/m 3
) /(kg/m 3) /MPa
7d 28d
FSQ18 0.65 77 20 20
310
477 6.9 11.9
2.3.4 正交试验结果分析
正交试验结果分析方法有两种：直观分析法 （极差分析法）和方差分析法。

极差分析法通过 计算极差，确定因素的主次顺序。

极差越大，说 明这个因素的水平改变对试验结果的影响越大，
利用 MINITAB 完成塑性混凝土配合比设计正交 试验结果的方差分析，其分析结果见表 6。

表 6 塑性混凝土强度方差分析表
方差来源 均方 S 自由度 f F 值 临界值
显著性 水胶比 308.203 5 5/8 493.126 5.841 ** 粉煤灰掺量 102.318 0 2/8 409.272 5.841 * 膨润土掺量 556.975 5 2/8 2 227.902
5.841
****
注：显著性检验 F 0.01（1,3）=5.841；F 0.05（1,3）=3.182；F 0.10（1,3）=2.353。

由表 6 塑性混凝土强度方差分析结果可知： 影响河床围堰防渗墙塑性混凝土 28d 龄期强度的 因子顺序是：膨润土掺量、水胶比、粉煤灰掺量。

膨润土掺量对塑性混凝土 28d 龄期强度起决定性 作用。

由 F 值检验结果可知：防渗墙塑性混凝土 配合比设计采用正交试验法进行设计所得试验结 果准确可靠，可以采纳接受。

3 河床围堰防渗墙塑性混凝土配合比参数 的确定
在防渗墙塑性混凝土配合比正交试验结果准 确可靠的前提下，对表 5 试验结果混凝土 28d 龄
鹿永久 “正交试验设计”在混凝土配合比设计中的运用 25
期强度 f cu,28d 与水胶比（W /（C +F +P ））、粉煤 灰掺量 F 、膨润土掺量 P 进行多元线回归确定混 凝土配合比参数，其多元线性回归参数见表 7，回 归方程见表 8。

表 7 多元线性回归参数表
膨润土掺量系数 粉煤灰掺量系数 水胶比系数
常数项
-0.26083 -0.22332 10.85453 4.661982
4 结语
综上所述，正交试验方法在河床围堰防渗墙 塑性混凝土配合比设计与成功运用，初步归纳得 出以下结论：
1）混凝土配合比设计与研究建议采用正交试 验设计方法，正交试验设计法能够快速、准确、 膨润土掺量 标准误差 粉煤灰掺量 标准误差 水胶比 标准误差 常数项标准误差 高效地解决混凝土配合比设计时多个厂家、多种 0.003926 0.007852 0.219733
0.333418
相关系数 残余标准误差 / / 0.998176 0.136006 / / F 观察值 自由度 / / 2554.216 14 / / 平方和 残差平方和 / / 141.7412
0.258968
/
/
表 8 多元线性回归方程表
品种、多种掺合方式下不同材料组合试验工作量 问题，同时能确定各种材料因子对混凝土性能响 应程度的组合顺序和材料因子最优组合试验方案。

2）正交试验设计法必须通过多因子方差分析 检验所得到混
凝土配合比参数是否准确可靠，试
验方法是否达到最优状态。

3）正交试验设计法通过对试验结果的多元回 项 目
混凝土 龄期 /d
回归方程
fcu,28d=10.8545- 样本 数 相关系数 剩余均方差 归分析，可以准确地得到混凝土配合比施工参数， 使混凝土配合比设计方案达到最优方案。

这对于 抗压强度
28
0.2233F-0.2608P+
4.6620
18
0.9981
0.1360
验证或检验混凝土配合比和优化混凝土配合比参 注：相关系数 R （18）0.05=0.4683 R （18）0.02=0.5425 R （18）0.01=0.5897
由多元回归曲线复相相关系数 r （18） =0.9881 ＞ R （18）0.01=0.5897 可知，混凝土 28d 龄 期强度 fcu,28d 与水胶比（W /（C +F +P ））、粉 煤灰掺量 F 、膨润土掺量 P 存在多元回归关系， 且相关性较好，回归方程可靠。

防渗墙塑性混凝土配合比水胶比选择见表 9。

表 9 防渗墙塑性混凝土配合比水胶比计算表
数有至关重要的作用。

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0.82 6.6 ～ 8.3 15 25 0.919 ～ 0.803 0.91 6.6 ～ 8.3 20 30 0.763 ～ 0.681 0.76 6.6 ～ 8.3 20 25 0.827 ～ 0.742 0.82 6.6 ～ 8.3 25 30 0.707 ～ 0.636 0.70 6.6 ～ 8.3 25 25
0.773 ～ 0.689
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4 ～
5 200 ～ 240 0.75 79 20 30 0.65
413 310
依据防渗墙塑性混凝土设计技术指标要求， 混凝土设计强度为 4 ～ 5MPa ，强度保证率为 95% 时，配制强度为 6.6 ～ 8.3MPa ，选定表 10 防渗 墙塑性混凝土推荐配合比进行现场生产性试验，
现场生产性试验成果表明，该混凝土配合比可以 用于防渗墙塑性混凝土施工。

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