滑模摊铺水泥混凝土路面配合比正交试验与分析
陈自明
(中铁十七局集团二公司,陕西西安710054)
摘要:通过三次正交试验,总结分析了影响滑模摊铺施工的路面混凝土配合比技术参数,应用正交试验既检测了各种材料质量,又选择了满足设计强度、工作性、耐久性和经济性的理论配合比,对路面混凝土施工具有重要的指导作用。
关键词:路面滑模摊铺,正交试验,混凝土配合比
1 概述
驻信高速匝道路面设计为混凝土路面,抗折强度5MPa,采用大型混凝土滑模摊铺机全幅摊铺工艺,动态平整度和路用品质———抗折强度、耐疲劳极限、变形性能和耐久性要求较高。因此要摊铺出高质量的水泥混凝土路面,必须有高质量的水泥混凝土,高质量混凝土在各种原材料符合要求的前提下,做好配合比设计是至关重要的。我们试验室根据公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程、滑模摊铺机性能参数及设计要求,在确保生产及工艺能顺利实施的条件下,于2002年8~10月,就其设计等级、技术参数、工艺要求等作了正交试验设计,科学地进行了一系列试验,选出最佳组合参数(最优配合比),从而对本标段滑模摊铺混凝土路面的施工起到了关键性的作用。
2 正交试验目的和要求
正交设计是一种科学安排试验方案和进行试验结果分析的先进方法,它是用不多的试验次数就能得出满意的结果的优选方案,尤其是在多因素试验中,关系错综复杂,既要取得丰富的试验数据,又要考虑试验过程的工作量。因此,唯有选择正交试验这种优选法,才能达到分析各种因素和满足查询各项技术指标的目的。
配合比设计应按满足弯拉强度、工作性、耐久性和经济性四项基本原则进行。其中,保证滑模施工的最佳工作性及其稳定性和可滑性是其独特工艺要求。
3 滑模摊铺混凝土各组成材料的技术要求
3.1 材料选择及试验鉴定
水泥选择七里岗普硅42.5MPa和华鑫普硅42.5MPa两种水泥。
外加剂选择成都科光TE—6E和南宁科达KD—2两种混凝土高效缓凝外加剂。
碎石选择工地附近的马沟生产的双粒组级配碎石,5~15mm的占25%,15~30mm的占75%。
河砂采用泌阳河砂,细度模数为2.67。
以上各种材料经试验鉴定,均符合JTJ/T037.1—2000技术规范要求。
3.2 材料技术指标要求
粗集料:碎石母岩强度:不小于混凝土配制强度的1.3倍或≥3级;碎石规格级配:为5~30mm全集料级配;压碎值:≤16%;针片状:≤15%;泥土杂质含量:≤1%;孔隙率不大于45%。
细集料:符合规定级配(详见参考文献),宜用中粗砂;含泥量:≤3%;硫化物含量(折算为SO3):≤1%;粗、细集料确认无碱集料反应。
水泥:道路水泥和符合化学成份的硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥;强度等级大于42.5MPa以上,抗折大于8MPa以上;安定性必须合格;游离CaO≤1%,MgO≤5%;宜采用散装水泥。
水:硫酸盐硫酸根含量(按SO2-4计)≤2.7mg/cm³;含盐量小于5mg/cm³;pH值≥4,≤7宜采用饮用水。
外加剂:应符合相关的技术性能指标,应作相应的试验测试。应用减水率高,坍落度损失小,损失速度慢的复合型外加剂。
4 试验设计
4.1 试验前因素分析
混凝土配合比设计的基本原则是必须满足强度、工作性、耐久性和经济性四大要素。因此分析影响混凝土强度的因素有:水灰比、坍落度、含砂率、原材料等;影响工作性的因素有:外加剂掺量、坍落度、粘度系数、用水量、混凝土凝结时间、含砂率、坍落度损失、集料级配等;影响耐久性的因素有:水灰比、强度等级、混凝土含气量、水泥用量、碎石磨耗、混凝土密度等;经济上的因素有:材料的最佳组合。
根据上述分析,我们认为因素太多,一次性进行全因素试验困难较大。因此我们采用正交设计试验。围绕上述四个基本要求,找出三个主要因素进行正交设计试验,对结果进行分析处理后,再选择最佳方案,对次要因素进行验证。通过排查选定水灰比、用水量、外加剂掺量为主要因素,分别对华鑫普硅42.5MPa水泥和七里岗普硅42.5MPa水泥作了正交设计试验。
4.2 配合比设计参数的确定
(1)设计弯拉强度:5MPa。
(2)试配弯拉强度:fc=(1.10~1.15),选择1.15,其配制弯拉强度为5.75MPa。
(3)滑模施工最佳工作性及允许范围:混凝土坍落度(Sl)最佳为30~60mm,Sl允许为20~70mm,Sl稳定为40±20mm;振动粘度系数(η):最佳为150 ~ 500N/m²•s,允许为100 ~600N/m²•s,稳定为300±200N/m²•s;摊铺速度:最佳为1~2m/min,允许为0.5~3m/min,正常为1.5±0.5m/min。
(4)路面混凝土适宜的含气量推荐值:3±1%。
(5)最大W/C及最小水泥用量:W/C不超过0.44,水泥用量不低于300kg/m³。
(6)砂率SP:根据砂的模数Mx=2.67,从表中选择砂率为36%[1]。
(7)配合比计算:按绝对体积法计算。
(8)试拌配合比检测项目:混凝土坍落度、含气量、振动粘度系数、抗折、抗压强度、混凝土坍落度损失率、混凝土凝结时间。
4.3 正交试验程序
(1)确定考核指标:根据路面混凝土的设计和施工规程,主要的考核指标是混凝土弯拉强度和工艺性能。
(2)挑选因素,确定水平:根据试验前因素分析的结果,选择水灰比、用水量和外加剂的掺量为三个因素:
①水灰比:由滑模摊铺施工规程,其最大水灰不得超过0.44,考虑到其工作性,选取0.44、0.42、0.40三个不同的水灰比的水平。
②用水量:根据试拌效果,152kg/cm³较为合适,在其上下各浮动5kg/cm³,选取147kg/cm³、152kg/cm³、157kg/cm³三个不同的用水量。
③外加剂:外加剂的掺量由厂家推荐剂量并考虑到经济性,掺量选取为KD- 2:1.0%、1.3%、1.6%, TE- 6E:1.5%、1.75%、2%。
所以拟定配比方案见表1、表2。
(3)正交表的选用与材料配比的确定:根据方案试验结果确定采用绝对体积法。以1号方案配比为例,已知水灰比W/C=0.44,用水量W=157kg/cm³,外加剂的掺量为1.00%。水泥用量C=W/(W/C)=357kg/cm³,外加剂Y=C×外加剂的掺量=3.568kg/cm³,砂、石用量由Vc+Vg+Vs+Vw+10α=1000和S/(S+G)=Sp,可得S=673kg/cm³,G=1197kg/cm³,其中α=3%,ρc=3.1g/cm³,ρs=2.63g/cm³,ρg=2.71g/cm³,其余配比见表3、表4。
(4)正交设计试验过程及方差计算结果略。
5 正交试验结果与方差分析
5.1 七里岗普硅42.5MPa水泥与TE—6外加剂正交试验结果分析
(1)直观分析:从直观法分析来看,3个因素9个试验均能满足强度、工艺性能等技术要求。
(2)极差分析:从极差结果来看,影响含气量的主要因素为外加剂,其次为用水量,再次为水灰比。影响坍落度的因素为外加剂大于用水量大于水灰比,影响振动粘度系数的因素大小为外加剂大于用水量大于水灰比,影响抗折强度的因素大小为外加剂大于用水量大于水灰比,影响抗压强度的因素大小为水灰比大于外加剂大于用水量。
直观可以看出0.44的水灰比即可满足强度要求,故选择配合比参数时,W/C可定为0.44。
从极差计算结果中,混凝土坍落度从15~31mm波动已较突出,反映有不合理的组配存在。因此,我们认为用水量和外加剂是主要因素,其它为次要因素暂不考虑。所以,首先应把能满足工艺性能的混凝土塑性设定在某一状态,从技术规范和经验考虑,将混凝土的混凝土坍落度设值在30~40mm来决定最佳因素B(用水量)和C(外加剂掺量),同时,考虑混凝土用水量和外加剂掺量对混凝土的坍落度具有交互作用。因此在因素选择时,必须考虑到它们应该是同一组分,所以选择B2、C2作为混凝土配合比的用水量及外加剂参数。
影响混凝土耐久性的主要因素有:混凝土的密度、原材料质量和粗细骨料的合理搭配。原材料质量及配合比集料搭配均是较好解决的因素,可以排除;余下就是通过技术手段,充分排除混凝土的含气量,使混凝土的抗侵蚀、抗折强度达到最佳状态。而影响含气量的主要因素仍是用水量及外加剂,在正交表中也直观地反映了出来,只要混凝土和易性好,坍落度在要求范围内,含气量就合理,混凝土抗折强度就高。但要考虑水与外加剂的交互作用综合选择配合比参数。
(3)选择最佳混凝土配合比参数:根据混凝土配合比四个基本要素及滑模摊铺工艺的具体情况,选择路面混凝土配合比主要参数如下:A2(W/C)=0.44、B2(W)=152kg/cm³、C2(外加剂掺量)=1.75%。
5.2 华鑫普硅42.5MPa水泥与TE—6外加剂正交试验结果分析
从试验结果直观分析来看,混凝土的弯拉强度及其工作性能均能满足路面滑模施工,同时基本满足技术指标要求,但从极差分析中,不难看出某些因素对混凝土不同性能均有一定影响,主要反映在混凝土坍落度和振动粘度系数的极差波动较大。而影响混凝土强度的主要因素水灰比,均能满足不低于抗折5.75MPa的配制强度要求,故下面主要针对工作性及耐久性因素进行分析。
从正交试验方案中可以直观的看到,0.44水灰比的任一个组分,均能满足混凝土配制强度,从经济角度考虑,选择较大水灰比,即0.44。
在正交表中不难看出,混凝土坍落度越大,混凝土塑性越差,振动粘度系数就越小;而坍落度偏小,混凝土塑性越好,自稳力也越强,振动粘度系数也越大。因此从混凝土的最佳工作性考虑,混凝土的坍落度既不能过大也不能过小。影响混凝土坍落度的主要因素是用水量和外加剂掺量(用水量和外加剂掺量对混凝土的坍落度具有交互作用),所以,在决定混凝土最佳工作性要求的坍落度情况下,选择混凝土配合比用水量及外加剂掺量应在同一组分中考虑。故选择B2(W)、C1(外加剂掺量)。
选择最佳混凝土配合比主要参数。根据混凝土配合比设计四个基本要素及滑模摊铺工艺特点,选择路面混凝土配合比主要参数:A1(W/C)=0.44、B1(W)=152kg/cm³、C1(外加剂掺量)=2.0%
5.3 七里岗普硅42.5MPa水泥与KD—2外加剂正交试验结果分析
(1)直观分析。直观可以看出0.44的水灰比即可满足强度要求,故选择配合比参数时,W/C可定为0.44。
(2)极差分析。从极差结果来看,影响含气量的因素大小为外加剂大于水灰比大于用水量,影响坍落度的主要因素为用水量,影响振动粘度系数的因素大小为用水量大于水灰比大于外加剂,影响抗折强度的因素大小为水灰比大于外加剂大于用水量,影响抗压强度的主要因素大小为水灰比和用水量。从机械性能参数及经验角度来将混凝土的坍落度值选定在30~50mm的范围来选择最佳因素A(水灰比)和C(外加剂的掺量),同时考虑到车辆运输时的坍落度的损失,选B2、C2。
(3)选择最佳混凝土配合比参数。根据混凝土配合比四个基本要素及滑模摊铺工艺的具体情况,选择路面混凝土配合比主要参数如下:A2(W/C)=0.44、B2(W)=152kg/cm³、C2(外加剂掺量)=1.30%。
6 试拌验证
6.1 室内试拌
将上面通过正交试验得出的三个配合比参数,再次进行室内试拌验证。其结果如表5。
经过室内试拌验证,其抗折强度和工艺性均满足混凝土滑模摊铺机的工作性能和滑模摊铺施工规范的要求。
6.2 路面试验段验证
由于三个配合比均能满足施工和规范的要求,考虑到七里岗PO.42.5是主供原材料,两种外加剂的性价比均差不多,所以决定采用3号试验方案用于路面的试验段。路面厚度为20cm。
试铺时,测得后台的坍落度维持在50~60mm,振动粘度系数为200~250,前台的坍落度在30~40mm之间,能满足美国SP-6004滑模摊铺机的性能要求,而且提浆厚度均匀,后边用布拉毛效果较优,达到前台滑模摊铺路面混凝土的要求。测得28d抗折强度达到7.0MPa,抗压强度达到35MPa,完全达到路面混凝土的施工要求。
7 结束语
通过这三次正交试验设计与分析,使我们对影响滑模摊铺路面混凝土配合比的主要因素有了足够的理解和认识,这对于以后滑模摊铺施工混凝土路面出现的关于配比的问题,能及时、准确的提出解决方案和措施,不致于因其而影响摊铺的进度和质量,为驻信高速路面创优提供了基础保证。
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