应用正交法选取透水混凝土的最优工艺条件Word下载.docx

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摘　要

　为了改善透水混凝土的性能,通过三水平三因素的正交试验研究了集料级配、集灰比、水灰比对透水混凝土性能的影响,结果表明:

骨灰比、骨料粒径是影响透水混凝土抗压强度的关键因素,水灰比的变化对透水混凝土的抗压强度影响不大,对透水系数影响较大。

极差分析表明,集灰比是影响透水混凝土透水系数与抗压强度的关键因素。

关键词:

　透水混凝土;

　透水系数;

　抗压强度;

正交试验

1研究背景

随首我国经济的发展和城市建设步伐的加快,现代城市的地表逐步被建筑物和混凝土路面覆盖。

便捷的交通设施,平整铺设的道路给人们的出行带来了极大的方便,但这些不透水的路面也给城市的生态环境带来诸多负面影响。

由于混凝土铺筑的路面缺乏透水性和透气性,雨水不能渗入地下,致使地表植物由于严重缺水而难以正常生长;

不透气的路面很难与空气进行热量、水分的交换,缺乏对城市地表温度、湿度的调节能力,产生所谓的“热岛现象”。

此外,不透水的道路表面容易积水,降低道路的舒适性和安全性。

当某一时间内集中降雨时,雨水只能通过下水设施排入河流,也加重了排水设施的负担。

为了维持植物生态平衡,保持地下水位,使地下水能得到及时的补充,保证一定面积的可透水区域显得十分重要,透水性混凝土及制品能较好的解决这个问题[1,2]。

透水混凝土是由粗集料、水泥和水拌制而成的一种多孔混凝土,一般不含细集料。

在粗集料表面包裹一薄层水泥浆,集料相互粘结而形成孔穴分布的蜂窝状结构,故具有透气、透水和重量轻等特点。

与密实的路面相比,透水性路面具有诸多生态方面的优点[3],具体表现在以下几方面:

1）透水性好,雨水能够迅速地渗入地下,还原成地下水,使地下水资源得到及时补充。

同时,可以减轻城市排水系统负担,防止暴雨积水。

2）提高地表的透气、透水性,保持土壤湿度,节约灌溉用水。

提高近地面的相对湿度,减小蒸发量,增加城市绿化效益,改善城市地表生态平衡。

3）吸收车辆行驶时产生的噪声,创造安静舒适的交通环境。

4）改善路面的条件,减小路面的滑动力,提高能见度。

5）透水性路面材料具有较大的孔隙率,能蓄积较多的热量,有利于调节城市地表的温度和湿度,消除热岛象。

由于透水混凝土路面材料具有以上诸多生态方面的优良优点,在人类寻求与自然协调、维护生态平衡和可持续发展的思想指导下,欧美、日本等一些发达国家已经开发出了透水性路面材料,并将其应用于广场、人行道及停车场等,增加城市的透水、透气空间,对调节城市微气候、保持生态平衡起到了良好的效果【4】。

20世纪90年代以来,国内对透水性混凝土路面材料开始进行了研究,但是到目前为止仍没有达到实际应用的程度,主要原因是产品本身的性能没有达到十分完善的程度。

与密实的混凝土道路材料相比,透水性混凝土的强度较低,为了使其具有透水性,在混凝土内部必须保持一定的孔隙率,这样就必然降低材料的强度。

现有的研究一般采用与普通混凝土相同的原材料,所配制的透水性混凝土其抗压强度一般只能达到20MPa左右。

本实验通过正交试验探讨集灰比,水灰比,集料级配等几种因素对透水混凝土性能的影响,并通过比较选择最优化工艺。

2正交试验法

2.1正交试验的简介

正交实验法是以正交表为工具，安排实验方案的方法。

采用正交法设计实验，试验次数少。

假如采用全面实验法，4个因素、3个水平的实验需做次。

而采用正交实验法，只需9次实验即可。

显然试验次数大为减少，提高了工作效率。

由于用正交表安排的试验，均衡分散在全面试验方案当中，这就使试验具有代表性。

反映在正交表中，就是表中任何一列，各水平出现的次数相同。

此外，每列因素在各个水平上导致的结果之和中，其它因素的各个水平出现次数都是相同的，这就使在比较某个因素的各个水平对试验结果产生的效应时，最大限度地排除其它因素的干扰。

反映在正交表中，就是表中任意两列，所有各种可能的数对出现的次数都相同。

因此，用正交表安排实验，次数少，能充分反映各因素的各级水平对实验结果的影响，便于数据分析的实验设计。

在科研和生产中,为了提高生产率或研制新产品等,往往要作许多因素试验。

用什么方法安排多因素试验是一个很值得研究的问题。

试验安排得好,既可减少试验次数、缩短时间、节省人力和物力及避免盲目性,又能迅速得到有效的结果;

安排得不好,试验次数多,结果还不一定满意。

“正交设计”（又叫正交试验法）是研究与处理多因素试验的一种科学方法。

它在实际经验与理论分析基础上,利用现成的规格化的“正交表”,科学地挑选试验条件,合理安排试验。

即能在很多的试验条件中,挑选出代表性强的少数次试验,找到最好或较优的方案。

简单地说,就是用正交表安排试验方案以及分析试验结果。

正交设计在国外已得到广泛应用,并在发展经济中起了重大的作用。

在我国,也取得了不少可喜成果,但在应用规模上,与国外相比还有不小差距（5）。

2.2　术语

正交试验设计:

是利用正交表来选择试验的条件,并利用正交表的特点进行数据分析,找出最好的实验条件的方法。

正交表:

是由行列组成的具有正交性的图表,其具有两个特点:

（1）每列中不同的数字重复次数相同

（2）将任意两列的同行数字看成一个数对,一切可能的数对重复次数相同（6）

2.3正交试验的目的

试验的目的通常是解决下述问题:

（1）在影响试验指标的许多因素中,找出起主要作用的因素,即找出对试验结果影响较显著的因素。

（2）找出各个因素中最好的那个“水平”,即各个因素中哪个水平对试验指标影响最大;

（3）在因素水平的各种不同搭配中,找出使试验结果（指标）最优的水平搭配。

把各个因素的所有水平一一搭配起来,进行试验,叫做全面试验。

全面试验当然可以找到较好的水平搭配,但它花时间多、材料消耗大。

例如,上例全面试验次数是23=8次。

如果因素更多,水平也多,试验次数是惊人的,甚至是办不到的。

利用正交表安排试验,就能挑选代表性强的来试验,使试验次数既少,又确实能反映出差别来,还可通过比较,得出正确结论（7）。

2.4正交实验设计的特点

正交试验设计是进行多因素的一种科学实验方法，广泛用于专题性试验和鉴定性试验，它的特点是：

（1）可以成倍的减少试验次数，提高效率，缩短科学研究时间和试验周期。

（2）对错综复杂的多因素实验，考核比较全面。

可以分清各试验因素，影响试验指标的主次作用和趋势，并选出各实验因素的较优水平和实验因素较优组合。

（3）方法简单，只要按照一套表格化的正交表来安排实验和应用四则运算进行计算分析即可（8）。

2.5正交试验设计的原理

在多因素是严重，首先必须确定实验因素及其变化范围及优选区。

进行多因素试验的目的就是要选出个实验因素中的较优水平和试验因素较优组合。

多因素试验的方法很多，可以分为两大类：

一类是从优选区内某一点开始试验，一步一步达到较优点，这类试验方法叫做序贯试验费（全面实验即属此种）。

这种实验能反映优选区内的全面情况，但试验次数太多，如四因子三水平的全面试验次数为34=81次，因此全面实验常常是做不到的。

另一类是在优选区内依次布置一批试验点，通过对这批实验结果的分析，缩小优选范围，这就是正交试验方法（9）。

正交试验设计抓哟是根据均衡性的实验设计原理来安排实验（实验点在优选区的均衡分布，在数学上叫做正交），使得部分实验对全组实验具有代表性，在不同组合试验下，通过分析可以比较各因素中的各水平对试验指标的影响，分析出较优水平和各因素的主次关系（10）。

2.5.1代表性

因为每个实验点是均衡的分布在整个立方体内，所以每个实验都有很强的代表性，能够比较全面的反映优选区的大致情况。

实验中最好的点，虽不一定是全面试验的最好点，但也往往是相当好的点。

2.5.2可比性

因为正交试验具有均衡性，因此提供实验结果的可比性。

均衡性在正交表上体现为：

（1）各因子列的个水平号，出现次数相同。

例如在L9（34）正交表中，梅列的1.2.3水平好都出现三次，次数是相等。

（2）每个因子的各水平在出现三次中，与另两个因子的各水平进行了全部组合，只有在这样基础上，才有可比性，分别选出最好的水平，然后得出较优组合和分析出因子的主次关系。

各因子的各水平在试验中多次重复，在分析时取多次试验结果的平均值，使实验结果更为可靠。

3　试　验

3.1　原材料

水泥为湖北华新水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥,集料为A（2.5～5mm）、B（5～10mm）、C（10～15mm）3种碎石,高效减水剂。

3.2　成型及养护工艺

1）搅拌:

采用集料表面包裹法,即先将100%的集料和70%的拌和水预先搅拌1min,然后加入50%的水泥及减水剂,继续搅拌1min,最后将剩余的50%水泥和30%的拌和水加入搅拌机,搅拌2min。

2）成型:

由于透水混凝土水泥浆较少,不含或含少量细集料,所以在成型时不应采用机械振捣的方式,否则将使水泥浆聚集到底部,使混凝土底部封闭,失去透水能力[11]。

本研究采用用铁棒捣实的方法,分层锤击,第1层为试件模具高度的1/2处、第2层为满高度。

试件尺寸100mm×

100mm×

100mm。

3）养护:

养护时表面要覆盖塑料薄膜或湿草袋,防止水分散失,24h后放入标准养护室,标养至28d龄期。

3.3　性能测试方法

1）抗压强度的测定

参照建材行业标准JC446—91测定试件的抗压强度。

采用液压式万能压力机加压,受压面积为100mm×

100mm,加载速度为0.3～0.5MPa/s,抗压强度取3个试件的平均值。

2）透水系数及其测定方法

透水系数是反映透水性混凝土透水效果的定量参数,透水系数的测定采用自行设计的透水仪,该设备为两端开口的有机玻璃方框,尺寸为300mm×

100mm。

透水仪正面刻有刻度,可用于计量。

测量时先将透水仪置于试件上方,然后将试件与透水仪连接处用橡皮泥封好。

向透水仪中加水至超过20cm刻度,记录水面从20cm下降至0刻度的时间Δt。

透水系数按下式计算[12]V=H/Δt

（1）

式中,V为透水系数,mm/s;

H为水位下降高度,200mm;

Δt为水从200m高度降至0mm的时间,s。

3.4　透水混凝土配比

采用正交试验,选取水灰比,集灰比和集料级配3种因素,研究对透水混凝土的透水系数和抗压强度的影响。

试验采用的水灰比为0.3、0.33、0.36,集灰比则分别采用3.5、4.0、4.5,集料级配如表1所示。

根据因素及水平数量选择L9（33）正交表,实验计划见表2。

表1集料级配表

序号

1

2

3

W（集料级配）/%

A

50%B+50%C

10%A+80%B+10%C

表2正交试验设计

实验序号

集灰比

水灰比

集料级配

3.5

4

0.3

4.5

0.33

5

6

7

0.36

8

9

4　结果及分析

正交试验9组样品养护28d后测其透水系数及抗压强度,每组样品3个试件,数值取平均值,测试结果见表3。

表3透水混凝土的性能参数

集灰比

集料配比

透水系数（28d）/（mm.s-1）

抗压性能（28d）MPa

6.2

11.5

9.7

7.6

10.1

6.3

3.0

21

6.7

11.8

11.2

5.9

2.8

28.6

3.8

14.6

9.1

8.0

4.1　集灰比对透水混凝土性能的影响

透水混凝土中的孔隙大小直接关系着其透水系数的大小,当选定某个粗集料之后,配成的混凝土的骨架就确定了,由填充其间的胶凝材料的多少决定其孔隙大小,进而确定其透水系数的大小。

由实验结果可以看出随着集灰比的增加,透水混凝土的透水系数也随之而增大。

因为集灰比越大,单位透水混凝土中胶凝材料的量就越少,能够填充的孔隙就越少,剩余的孔隙就越大,因此透水系数就越大（13）。

4.2　水灰比对透水混凝土性能的影响

水灰比既影响透水混凝土的强度,又影响其透水性。

对特定的某一骨料,有一最佳水灰比。

透水混凝土中水灰比过大,水泥浆体会从颗粒间淌下,使面层集料间的胶结料明显减少,粘结强度下降。

而底层充满了水泥浆,可能把透水孔隙部分或全部堵死,既不利于透水,也不利于强度的提高,使透水系数难以达到预期目标。

而当水灰比小于这一最佳值时则水泥浆体不足以包裹集料颗粒,并且搅拌时易成团,结果使颗粒间粘结强度不足,无砂混凝土因干燥拌料不易均匀,达不到适当的密度,不利于强度的提高。

由实验可以看出在相同的集灰比下,透水系数随水灰比的增加而减小。

4.3　集料级配对透水混凝土性能的影响

由于粗集料构成透水混凝土的骨架,采用不同的粗集料,配制成的透水混凝土的内部结构不同,密实程度会有很大的差异,从而导致制品的透水系数不同。

骨料的级配直接影响透水性混凝土的透水系数。

若骨料的级配单一或粒径很大,则骨料之间的孔隙就会很大,透水系数就大;

若集料的粒径很小,或级配很连续,骨料堆积会很密实,透水系数很小（14）。

实验也证实:

透水混凝土的透水性随集料颗粒粒径的增大而增大,因为粗集料的粒径越大,组合在一起时的孔隙就会越大,在单位体积内使用相同量的胶凝材料得到的透水混凝土的孔隙就越大,因此透水系数就越大。

相反,使用较小粒径的粗集料配制的透水混凝土时透水系数则较小。

4.4　极差分析

对正交试验结果进行极差分析可知,对于透水混凝土的抗压强度和透水系数来说,集灰比的极差最大,水灰比次之,集料级配最小,极差的大小说明相应因素作用的大小,所以影响透水混凝土透水系数的关键因素是集灰比,一般因素是水灰比和集料级配。

透水混凝土的透水性和强度是两个相互矛盾的性质,两者总是呈反方向变化的。

要得到好的透水性,就得要求透水混凝土的孔隙比较大,但如果透水混凝土的孔隙比率比较大,那么它的密实性就会比较差,从而引起抗压强度的下降,两方面很难统一。

这与混凝土的内部结构紧密相关,内部孔隙多,则透水系数大而抗压强度低;

内部结构密实,则透水系数小而抗压强度高。

表4抗压强度与透水系数极差分析

1位级3次抗压强度之和

61.125.442.1

2位级3次抗压强度之和

3438.741.9

3位级3次抗压强度之和

20.251.231.3

极差40.925.810.8

1位级3次透水系数之和

122723.7

2位级3次透水系数之和

20.220.917.9

3位级3次透水系数之和

31.415.722

极差19.411.35.8

5　结　论

a.透水混凝土的透水系数与抗压强度之间成反比关系。

透水混凝土的透水系数和抗压强度不能同时达到最大值,它们总是向着相反方向变化。

b.通过对正交试验的结果进行极差分析,发现集灰比是影响透水混凝土的关键因素,水灰比和集料级配对透水混凝土性能的影响相对较小。

c.只采用粗集料制备的透水混凝土透水系数高,但强度较低,适用于制作人行道路面砖。

经综合分析,最优方案为:

集灰比3.5,水灰比0.33,集料级配1。

按照最优化方案进行了验证实验,制备出的透水混凝土透水系数为3.5mm/s,抗压强度为26.8MPa,能满足人行道透水路面砖的性能要求。

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