简论正交桥梁C30大体积混凝土配合比正交试验

摘要：采用正交试验的方法，探讨了水泥种类、水胶比、粉煤灰掺量和外加剂掺量等主要因素对大体积混凝土性能的影响。试验结果表明，粉煤灰掺量对混凝土各项性能有较大影响，水胶比对混凝土的和易性、抗拉强度影响明显，水泥类别对混凝土抗压强度和和易性影响明显，外加剂掺量除对凝结时间影响稍明显外，对混凝土其他性能影响较小。结合混凝土早期温升试验数据，推荐了用于施工的混凝土配合比。
关键词：正交试验；大体积混凝土；水泥；粉煤灰；混凝土配合比

随着我国公路交通基础设施建设的迅猛发展，公路桥梁中的长大桥梁不断涌现，大体积混凝土在桥梁工程中的应用也越来越多。在对桥梁大体积混凝土设计和施工中应注重优选混凝土原材料和优化混凝土配合比，在尽量降低水化热对混凝土影响的同时，应保证混凝土具有良好的工作性能、较高的抗拉强度和较强的抗裂能力。影响大体积混凝土性能的因素较多，其中最主要的因素有水泥种类、水胶比、粉煤灰掺量、集料类型及外加剂等。本文结合澧水大桥C30大体积混凝土工程实际，采用正交试验的方法，探讨了各主要因素对大体积混凝土性能的影响，并推荐了用于施工的混凝土配合比。

1 工程背景

澧水大桥位于湖南张家界永定区与湘西自治州永顺县的交界处，横跨澧水河峡谷，为地锚式悬索桥。如图1.1所示，大桥主缆跨径布置为（200+856+190）m，主缆矢跨比为1/10，两根主缆横向间距28 m，全桥共设69对吊索，大桥两岸的索塔基础、锚碇均为C30大体积混凝土。
图

1.1 澧水大桥立面图

2 原材料的性能

2.1 水 泥 按照就地取材、经济合理的原则，本次试验选用两个厂家的两种水泥，分别为石门海螺P.O 42.5和常德中材P.O 42.5水泥。两种水泥的性能指标如表2.1所示。
表

2.1水泥性能指标

2.2 粉煤灰

试验选用石门电厂Ⅰ级粉煤灰，其细度为10.3％，烧失量为4.7％，需水量比为93％，三氧化硫含量

1.8%，含水量0.3%，化学组成如表

3.2所示。

表

2.2 粉煤灰的化学组成

2.3 骨料

配合比设计试验采用张家界产的4.75~26.5mm连续级配碎石，其部分技术指标和连续级配情况分别如表

2.3和表4所示。

表

2.3 碎石部分技术指标

工程位于张家界山区，周边并无可用的河砂，故细骨料采用张家界产的水洗机制砂。机制砂的部分技术指标如表

2.5所示。砂的细度模数为3.5，为Ⅰ区粗砂，其颗粒级配情况如表6所示。

表

2.5 机制砂部分技术指标

表

2.6 机制砂颗粒级配

2.4 外加剂

采用江苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸PCA-Ⅳ型缓凝型高效减水剂，其减水率大于20％。

2.5 拌合用水

混凝土拌和用水采用澧水河河水，按照《混凝土拌和用水标准》（JGJ 63-89） 规定的方法取样试验分析，结果满足混凝土拌和用水要求，其各项技术指标如表

2.7所示。

表

2.7 拌合水的技术指标

3 混凝土配合比正交试验

正交试验法是研究多因素多水平的一种试验设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备“均匀分散性，整齐可比性”的特点。正交试验是一种高效、快速、经济的多因素多水平试验方法，这种试验方法使用正交表来安排试验和分析试验结果。

3.1 试验考察指标

通过正交试验，考察水泥种类、水胶比、粉煤灰掺量及外加剂掺量等因素对大体积混凝土强度抗压强度（3d、7d、28d、56d）；劈裂抗拉强度（3d、7d、28d）；混凝土和易性（流动性、黏聚性和保水性）；混凝土凝结时间（初凝、终凝）的影响，并最终为大体积混凝土施工推荐最优配合比。澧水大桥C30大体积混凝土均为泵送施工，混凝土坍落度要求≧160mm，宜控制在170~210mm之间，且应具有较好的黏聚性和保水性。混凝土一次施工方量较大，整体分层连续浇筑时需要时间较长，要求混凝土的初凝时间不得早于12小时，经初步计算保证在12~15小时为宜。

3.2试验因素与水平

试验采用的集料类型、外加剂种类已定，则正交试验考虑影响混凝土性能的主要因素为水泥种类、水胶比、粉煤灰掺量及外加剂掺量。普通硅酸盐水泥在出厂时掺加了不超过15%的粉煤灰、火山灰等活性材料，考虑保证大体积混凝土的耐久性，控制粉煤灰等活性材料总掺量尽量不超过胶凝材料总量的50%，因此对于两种P.O 42.5水泥，粉煤灰掺量选定了30%，35%和40%三个水平；根据初步计算，水胶比选定0.45和0.47两个水平；根据外加剂厂家推荐，对于两种P.O 42.5水泥，其外加剂掺量选定了0.8%和

1.0%两个水平。试验的因素水平如表

3.1所示。

表1 因素水平表

3.3 选择正交表安排试验

由表3.1可知，试验选定的四个因素中，除了粉煤灰掺量为3水平外，其他3个因素均为2水平，在混合水平表中并无与之直接对应的可用表格。因此，采用拟水平法，将表3.1中粉煤灰掺量的水平2重复，凑足4个水平，然后选用正交表L8(4×24)安排试验。从正交表的5列中任选4列，将试验因素和水平填入，可得正交试验的试验方案如表3.2所示，试验各组的具体配合比如3.3所示。
表

3.2L8(4×24)试验方案

因素/列号

表

3.B1~PB8配合比

4 试验结果分析

试验结果进行分析，各指标的试验结果统计在表4.1中，其中和易性与凝结时间根据试验结果对比性能要求进行评分（百分制）。PB1~PB8各龄期混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和凝结时间对比分别如图4.

1、图4.2和图4.3所示。

表

4.1P.O 4

2.5水泥L8(4×24)试验结果

图

4.1PB1~PB8抗压强度对比图 图2PB1~PB8劈裂抗拉强度对比图

图

4.B1~PB8凝结时间对比图

将各试验指标的分析结果列于表4.2中，其中抗压强度选择有代表性的60d强度列入，劈裂抗拉强度选择7d强度列入，和易性与凝结时间以其评分值列入。
表

4.2 各试验指标分析结果

注：表中K1、K2和K3分别为表3.2中1、2和3水平对应的试验指标之和；k1、k2和k3分别为1、2和3水平的试验指标平均值；R为各水平试验指标平均值的极差。
以因素水平为横坐标，指标的k值为纵坐标，作60d抗压强度、7d劈裂抗拉强度、和易性（评分）、凝结时间（评分）与四因素的关系图，分别如图

4.4、图5、图6和图7所示。

图4.4混凝土60d抗压强度与四因素的关系图 图4.5混凝土7d劈裂抗拉强度与四因素的关系图
图4.6混凝土和易性（评分）与四因素的关系图图4.7混凝土凝结时间（评分）与四因素的关系图
结合表

4.2和图4~图7，对于本次试验可得出以下结论：

（1）对于60d抗压强度，PB1为最好，条件为A1B1C1D1；粉煤灰掺量、水泥种类、水胶比对60d抗压强度影响较大，外加剂掺量对强度影响不明显；从极差（R）计算结果来看，四因素对抗压强度影响的主次顺序为：A﹥B﹥C﹥D。

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