影响混凝土收缩性能因素的正交实验优化设计

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发布时间：2021-09-03

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影响混凝土收缩性能因素的正交实验优化设计
黄小涛
(甘肃工业职业技术学院，甘肃天水74025)
摘要：为研究混凝土收缩性能，以单因素水平筛选实验为参考，建立L (34)I交正交实验模型，运用sPss 18．0软件对其结果进行差
异显著性分析。结果表明，影响混凝土收缩性能的因素主次关系为：水泥用量>水灰比>龄期>含气量>粉煤灰掺量>矿渣粉掺量。
混凝土收缩最佳条件为：水泥用量为400 kg／m3、水灰比为0．45、龄期为45 d、含气量为6％、粉煤灰掺量为5％、矿渣粉掺量为30％，在
此条件下。混凝土的收缩量为281×10r6。通过实验，为混凝土性能的提升和改进提供一定的参考依据。
关键词：正交实验；混凝土；收缩性能；条件
中图分类号：TU502 文献标识码：A 文章编号：1o09—7716(2014)10—0173—05
0 前言
混凝土做为当今土木工程中用量最大的建筑
材料，其各种性能也随着相应的科学研究得到了
极大的提高，各种外加剂和矿物掺合料的广泛应
用，使得混凝土的性能得到了很大提升fl1。但是，不
论是普通混凝土，还是高性能混凝土，开裂问题始
终困扰着工程界，成为亟需解决的一大难题。混凝
土裂缝的形成原因，主要有收缩、冻胀、化学侵蚀、
钢筋锈蚀、碱骨料反应及荷载作用等。随着混凝土
技术的不断提高，对于由冻胀、化学侵蚀、钢筋锈
蚀、碱骨料反应及荷载作用等裂缝的防治技术日
渐成熟，但对于由收缩引起的混凝土裂缝的防治
仍需要进一步的深入研究。大量研究表明，8o％q~
荷载裂缝是由收缩造成的，可见收缩是混凝土开
裂的最主要因素【。
混凝土收缩主要包括化学收缩、塑性收缩、自
收缩、干燥收缩和温度收缩等。化学收缩又称水化
收缩，是由水泥水化和凝结硬化而产生的自身体
积缩减引起的。塑性收缩发生在硬化前的塑性阶
段，当混凝土中的水分蒸发速度超过泌水速度时，
就会引起塑性收缩【。自收缩主要是由于随着水化
的进行，毛细孔中的水逐渐减少，形成弯月面，引
起毛细压力，导致收缩。干燥收缩指的是混凝土
停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔
水、凝胶孔水及吸附水而发生的长度或体积的减
少】。温度收缩主要是指混凝土内部温度由于水
泥水化反应而升高，最后又冷却到环境温度时产
生的收缩。
收稿日期：2014一o6一o9
基金项目：2013年甘肃省科技计划资助项目(1308~ZE305)
作者简介：黄小涛(1976一)，男，甘肃天水人，副教授，从事建
筑设计及建筑材料等教学与研究工作。
本研究为考察探究混凝土收缩最佳条件，以混
凝土的收缩量为考察指标，首先选择龄期、水灰
比、水泥用量、含气量、粉煤灰掺量和矿渣粉掺量
等6个影响因素进行单因素轮换实验；在单因素
筛选实验的基础上，选出4个主要的影响因素，进
行正交实验设计，用以研究混凝土的最佳收缩条
件。以期为工程工作者提供一定的数据参考。
1 方法
采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试
件模型，试件预埋检测头。混凝土试件成型后带模
养护1 d，拆模后送标准养护室养护，至3 d龄期
时从标准养护室取出测量。测量室为恒温恒湿室，
温度为20±2℃ 、湿度为60±5％，测定混凝土试件
的初始长度，此后按7d的时间间隔测量试件变形
读数，计算混凝土试件的收缩率，混凝土试件收缩
率的计算公式为：
8 = 。一￡ Zb (1)
式中：。—— 混凝土收缩率；
￡一试件长度的初始读数；
广一试件在t时测得的长度读数；
厶_一试件的测量标距。
1．1 混凝土龄期对收缩性能的影响
为考察混凝土的龄期对混凝土收缩性能的影
响，以及为实验的进行选择最佳的龄期，先将考察
的影响混凝土收缩性能的5个因素固定，分别是：
水灰比0．40、水泥用量400 kg／m 、含气量7．5％、粉
煤灰掺量20％、矿渣粉掺量15％。以收缩率为测定
指标，考察龄期对混凝土收缩性能的影响，以及为
后面的实验确定龄期。
1．2 单因素实验
选取水灰比、水泥用量、含气量、粉煤灰掺量、
矿渣粉掺量等5个单因素进行测定，以确定其对混
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174 科技研究城市道桥与防洪 2014年l0月第10期
凝土收缩性能的影响。首先水泥用量为400 kg／m。、
含气量为7．5％、粉煤灰掺量为20％、矿渣粉掺量
为15％，考察水灰比为0．30、0．35、0．40、0．45、0．50、
0．55时对混凝土收缩性能的影响。然后将最佳的
水灰比固定，依次选取考察水泥用量为320、360、
400、440、480 kg／m3，含气量为2．5、5．0、7．5、10．0、
12．5％，粉煤灰掺量为0、10、20、30、40％，矿渣粉掺
量为0、15、15、30、45％时对混凝土收缩性能的影
响。将每次优选后的最佳条件固定，再逐次筛选其
余最佳条件，直至结束 Ⅻ。
1．3 正交实验
单因素实验只是考察单一变量对混凝土收缩
性能的影响，实验数据分布不均匀，代表性不强，
并且实验的次数较多，工作量大，不经济；如果使
用正交实验设计，可以减少的实验次数，综合考虑
多个多个因素，达到较全面地反映各因素水平的
效果。因此本研究根据混凝土龄期对收缩性能影
响的考察结果和单因素实验分析结果，优选4个
因素，按照L (34)正交表进行正交实验，用SPSS
18．0软件对其结果进行统计学比较分析，得出影
响混凝土收缩性能的最佳收缩条件【l1]。
2 结果与分析
2．1 混凝土龄期对收缩性能影响的考察结果
为考察混凝土龄期对收缩性能的影响，固
定其它因素的值，水灰比为0．40、水泥用量为
420 kg／m 、含气量为7．5％、粉煤灰掺量为5％、矿
渣粉掺量为15％，实验考察结果见图1，其中实线
表示测定值的趋势线，虚线表示模拟值得趋势线。
350
300
250
曼200
褂
好150
1O0
50
0
图1 混凝土龄期对收缩性能的影响
根据实验结果，结合图1可知，混凝土的收缩
率随着龄期的增大总体上呈现增大趋势，但是当
龄期大于45 d后，收缩率虽然增大，但增大的幅度
比较小，这中增大在我们的实验研究中是没有实
际意义的，但在实际的施工之中存在很大的意义，
因此基于实验的需求，在实验研究过程中，将龄期
确定为45 d，以便于实验研究，以及在后续的实验
中对龄期和其他因素的综合考察。
2．2 单因素实验结果
2．2．1 水灰比对混凝土收缩性能的影响
根据混凝土龄期对收缩性能影响的考察结
果，在考察水灰比对混凝土收缩性能的影响时，将
混凝土的龄期确定为45 d，考察结果见图2，其中
实线表示测定值的趋势线，虚线表示模拟值得趋
势线。
水灰比
图2 水灰比对混凝土收缩性能的影响
从图2可以看出，对于不同水灰比的混凝
土，收缩率随着水灰比的增大而增大，当水灰比
小于0．45时，混凝土的收缩率随着水灰比的增大
而呈现单向的增大；当水灰比大于O．45时，混凝
土的收缩率随着水灰比的增大而有所下降，但收
缩率要比低水灰比时的收缩率大。水灰比是影响
混凝土收缩的重要因素之一，高水灰比的混凝
土，收缩方式主要是干燥收缩和化学收缩；低水
灰比的混凝土，主要的收缩方式是自收缩、干燥
收缩和化学收缩。若当水泥用量固定时，化学收
缩的程度则相对比较固定，而干燥收缩会随着水
灰比的增大而增大；在龄期固定时，混凝土的自
收缩同样比较固定，但仍然是进行的。根据拟合
曲线和实测值，最终确定，龄期为45 d时水灰比
以0．45为最佳，在此条件下的混凝土的收缩性能
达到最佳。
2．2．2 水泥用量对混凝土收缩性能的影响
根据混凝土龄期对收缩性能影响的考察结果
和水灰比对混凝土收缩性能的影响的考察结果，
在考察水泥用量对混凝土收缩性能的影响时，将
混凝土的龄期确定为45 d，水灰比为0．45，考察结
果见图3，其中实线表示测定