侯锋锋（中山市地方公路管理总站，广东中山528400）

水泥混凝土路面配合比正交试验法优化研究

侯锋锋（中山市地方公路管理总站，广东中山528400）

以广东省连州（湘粤界）至怀集公路先行段路面工程为依托，参考国内外前沿研究成果，以优化粗集料级配为基础，通过正交试配法对水泥混凝土路面配合比进行优化，分析各因素与抗折强度的关系，拟合抗折强度的预测模型，得到最优的施工配合比。

1 工程概况

广东省连州（湘粤界）至怀集公路先行段路面工程连接广东范围的二广高速广贺段和广西的灵峰至八步高速公路，主线桩号为K160+700～K173+710，支线桩号为K12+996～K30+ 660，全长共30.6km。本项目全部按双向六车道高速公路标准修建，主线和支线采用刚柔复合式路面结构，具体结构方案如下：7cmGAC-20沥青混凝土面层+防反射裂缝层+30cm水泥混凝土 （设计弯拉强度为5MPa）基层+复合土工布隔离层+ 22cm4～5%水泥稳定碎石底基层+20cm级配碎石垫层。全线水泥混凝土板设计方量累计29.6万m3。

2 研究内容和思路

水泥混凝土路面一般排在路面施工计划的中后期，因此有时间进行实验室的配比设计优化。以优化粗集料级配为基础，通过正交试配法对水泥混凝土路面配合比进行优化，分析各因素与抗折强度的关系，拟合28d抗折强度的预测模型，在满足抗折强度要求和施工和易性的基础上进行科学合理设计，以获得最优配合比。

3 混凝土配合比正交设计试验

正交试验设计（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的一种设计方法，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了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分析因式设计的主要方法，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

3.1 原材料

水泥：硅酸盐水泥（P.Ⅱ42.5）。经试验检验，水泥初凝时间105min，水泥终凝时间235min，安定性2.0mm，3d抗折强度5.2MPa，指标均满足规范要求。

砂：生产Ⅱ区中砂，细度模数2.84。

碎石：采用4.75～9.5mm、9.5mm～19mm、19～26.5m共3种规格碎石。经检验，碎石压碎值为6.3%，含泥量0.6%，针片状含量7%，均满足规范要求。

减水剂：引气缓凝高效减水剂，型号CNF-3。

3.2 粗集料级配优选

优化粗集料的组成级配，使粗集料达到较大的振实堆积密度及较小的骨架孔隙率，构成骨架密实结构，在保证混凝土具有良好工作性的条件下，最大限度的降低胶凝材料的用量进而提高混凝土的力学性能、耐久性和经济性。

3.3 配合比正交法试配

3.3.1 正交试验设计

在粗集料正交试验得最佳粗集料级配基础上，以平行试验得到的混凝土施工配合比为参考，在规范要求范围内取混凝土配合比的另外3大影响因素即砂率、水泥用量、水灰比各四个水平，进行L16（45）正交试验设计（表1）。

3.3.2 比正交试验结果分析

按配合比正交试验设计表进行混凝土的试件成型试验，测定各组试件的坍落度和28d抗折强度，其中坍落度作为施工和易性参考（滑模摊铺规范要求为3～5cm），对28d抗折强度进行直观、极差和方差分析。

表1 混凝土配合比3因素4水平设计表

通过极差分析比较，在试验因素水平变化范围内，水灰比的极差最大，其次是水泥用量和砂率，由此可知，对混凝土抗折强度影响由大到小依次是水灰比、水泥用量和砂率。

表2 28d抗折强度方差分析表

由表2中的方差分析知，水灰比的F比值最大，对抗折强度的影响最大，但各因素的F比值均未超过给定a=0.1的F临界值，这是因为试验因素的水平偏差偏小。

3.3.3 结果线性回归分析

假设三因素与28d抗折强度多元线性回归模型是：

Y=a1X1+a2X2+a3X3+b

式中：a1、a2、a3为回归系数；Y为28d抗折强度；X1砂率；X2为水泥用量；X3为水灰比。通过对16组实验数据进行多元线性回归得到回归方程：Y=-0.0075X1+0.0233X2-15X3+3.63（33≤X1≤39，338≤X2≤365，0.37≤X3≤0.43）。

多元线性回归方程的复相关系数R为0.855，证明多元回归方程与16组实验数据具有较高的回归相关性。

用多元回归线性方程对16组正交配合比试验强度进行预测，预测精度较高，与试配强度相比误差基本都在5%内，能满足工程实际使用的精度要求。

4 确定混凝土路面优化配合比

根据水泥混凝土路面配合比正交设计试配结果和多元线性回归方程，取混合料配合比设计抗折强度5.75MPa（即1.15倍设计强度），考虑施工和易性和经济性，确定优化配合比。

经验证优化配合比塌落度 4.0cm，28d抗折强度为5.80MPa，满足施工和易性和设计抗折强度要求，同时与多元线性回归方程预测的28d抗折强度5.82MPa仅相差0.02MPa。

[1]公路水泥混凝土路面施工技术规范[M].人民交通出版社，2003.

[2]栾 军.现代试验设计优化方法[M].上海：上海交通大学出版社，1994.

[3]邓初首.道路混凝土原材料的选用与抗折强度影响因素的探讨[J].四川建筑科学研究，2005（2）：107～109.

[4]成全喜，郑淑平，孙玉红.正交试验法在混凝土配合比设计中的应用[J].实验科学与技术，2006（6）：28～30.

U414

A

2095-2066（2016）24-0216-01

2016-8-10

侯锋锋（1986-），男，湖南郴州人，中级工程师，研究生，从事路桥建设维修管理工作。