基于正交设计法的混凝土配合比试验研究

第9期(总第221期)试验研究・淒谈IE交试验法面层水潟混凝土配合此谡计吴善圳(福州建通工程试验检测有限公司，福建福州350108)摘要以某高速公路弯拉强度为5.0MPa水泥混凝土面层配合比设计为例，根据原材料、路面结构及施工工作性要求,通过正交试验拟定混凝土配合比的控制性参数,选用水泥用量、砂率、用水量3个因素，并选用L/33正交表安排试验方案，通过测定坍落度、抗弯拉强度，对正交试验结果进行了分析,确定了目标配合比。

关键词正交试验;面层;水泥混凝土；配合比1正交试验目的及要求正交试验是利用正交表来安排与分析多因素、多指标试验优化的一种设计方法。

它是由试验因素的全部水平组合中,挑选部分有代表性的水平组合进行试验,通过对这部分试验的分析了解全面试验的情况，找出最优的因素水平组合。

指标是衡量试验效果的目标值。

如混凝土配合比最终试验结果要求达到抗弯拉强度、抗压强度、工作性、耐久性等相关要求。

本次试验指标为抗弯拉强度、坍落度。

因素是在试验中直接影响指标的事件，称它们为因素。

如混凝土配合比中的用水量、水泥用量、水灰比、砂率、外加剂掺量和品种等。

因素水平是因素在试验中所处状态的变化会引起指标的变化。

如水泥用量的变化、水灰比和砂率的变化等。

本次试验选用水泥用量、砂率、用水量3个因素水平，并选用L/33正交表安排试验方案,通过测定坍落度、抗弯拉强度两个指标,对正交试验结果进行回归分析,确定目标配合比。

2水泥混凝土路面配合比设计要求根据委托单位提供要求,配合比用于高速公路水泥混凝土面层，交通荷载等级为特重等级，设计抗弯拉强度为5.0MPa,施工坍落度30~50mm o3原材料选择及技术指标要求(1)水泥:漳平红狮水泥有限公司生产的P-O42.5水泥，水泥物理力学性能符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》标准要求。

(2)粗集料:石灰岩碎石，产地为联建隧道出口碎石场，经过筛分试验分析，试验选用4.75~26.5mm的连续级配碎石。

基于正交试验高强混凝土的配和比分析
高强混凝土具有强度高、耐久性好等特点，可以满足一些特殊工程的需要，但是其配
合比的设计较为复杂。

为了确定高强混凝土最佳配合比，可以采用正交试验方法进行分析。

正交试验是一种多因素多水平的试验方法，在多个因素对实验结果有影响时，通过对
每个因素不同水平的组合进行试验，从而确定各因素对实验结果的主次影响程度。

针对高
强混凝土的配合比设计，可以选择影响混凝土强度的几个主要因素，如水灰比、粉煤灰掺量、石子级配等，并设定不同水平进行组合试验。

在试验中，首先要确定正交试验的因素和水平，这需要根据实际工程需要和已有经验
进行综合考虑。

然后根据正交表进行试验设计，选择试验方案和样本数量，进行混凝土配
合比的制备和强度测试。

最后对试验结果进行统计分析，以确定各因素对混凝土强度的影
响程度，并确定最优配合比。

正交试验方法可以有效地降低混凝土配合比设计的成本和时间，同时提高混凝土强度
和耐久性。

但是需要注意的是，正交试验只是一种试验设计方法，需要结合实际情况进行
评估和优化。

并且在实际施工中，还需要考虑混凝土材料的质量和施工工艺等因素，以保
证最终施工效果。

基于正交设计法的混凝土配合比试验研究摘要：混凝土配合比设计直接决定混凝土的质量与强度，利用正交试验法对配合比进行设计，对各因素水平进行极差分析、方差分析。

结果表明：正交表安排试验能够筛选出代表性较强的少数试验，进而来得出最优或较优的试验条件，正交试验与分析是实现混凝土最优配合比设计的重要方法。

关键词：配合比；正交试验；极差；方差1 引言混凝土配合比设计是混凝土领域的一个重要的研究课题。

随着高强、高性能混凝土的推广应用，影响混凝土性能的因素越来越多，因素之间的关系更加复杂，单凭经验判断很难达到预期要求，必须通过试验设计及分析来选择各个因素的最佳试验状态。

试验设计的种类很多，包括正交试验、均匀试验等。

其中正交试验设计是研究与处理多因素试验的一种方法，它是在实际经验与理论认识的基础上，利用一种排列整齐规格化表来安排试验，这种正交表具有“均匀分散，齐整可比”的特点。

利用正交表安排试验，能够筛选出代表性较强的少数试验来得出最优或较优的试验条件。

2 混凝土强度正交试验在混凝土配合比中，水胶比、胶凝材料用量、砂率、外加剂掺量等多种因素均对混凝土强度和质量有影响。

本试验研究水胶比、胶凝材料用量、砂率、粉煤灰掺量这四个因素及每个因素的数量水平对混凝土强度的影响。

即：水胶比以A 表示，选取0.42、0.44、0.46、0.48这4个变化水平作为试验条件；胶凝材料用量以B表示，选取330kg、360kg、390kg、420kg这四个变化水平作为试验条件；砂率以C表示，选取38%、40%、42%、44%这四个变化水平作为试验条件；粉煤灰掺量以D表示，选取10%、15%、20%、25%这四个变化水平作为试验条件。

其中粉煤以超量取代系数1.5来取代水泥。

具体见表1所示。

表1正交水平与因素安排上述的4因素4水平正交表，如果按照全面试验的方法，需要做4×4×4×4=256次试验，才能覆盖全部的组合条件，而选用正交试验设计，在条件考察范围内，选择代表性强的少数试验，仅做16次试验，就能找到最优或较优的方案。

基于正交设计原理泵送混凝土配合比设计汇报人：日期:•引言•泵送混凝土配合比设计基础•正交设计原理在泵送混凝土配合比设计中的应用目录•实验设计与数据分析•优化与改进建议•结论与展望01引言混凝土配合比设计的重要性混凝土配合比设计是混凝土制备过程中的关键环节，直接影响到混凝土的工作性能、强度和耐久性。

传统混凝土配合比设计的局限性传统的混凝土配合比设计方法往往基于经验或试验，存在设计周期长、成本高、效果不稳定等问题。

基于正交设计原理的混凝土配合比设计的优势正交设计原理是一种高效、经济、科学的设计方法，能够通过合理的试验设计和数据分析，优化混凝土配合比设计，提高混凝土性能。

主题介绍正交设计原理概述正交设计的概念正交设计是一种基于正交表进行多因素、多水平试验设计的方法，具有均衡分散、整齐可比的特点。

正交表的特点正交表具有均衡分散性、整齐可比性和综合可比性等特点，能够通过简单的计算和排列组合，实现多因素、多水平的试验设计。

正交设计在混凝土配合比设计中的应用在混凝土配合比设计中，可以利用正交设计原理进行多因素、多水平的试验设计，通过对试验结果的分析和优化，得到最佳的混凝土配合比设计方案。

02泵送混凝土配合比设计基础泵送混凝土是一种通过泵送设备进行输送的混凝土，具有流动性好、可泵性强、强度高等特点。

定义泵送混凝土具有较好的工作性能，能够通过管道输送至浇筑部位，同时具有较高的抗压强度和耐久性。

特性泵送混凝土定义与特性配合比设计需根据结构形式、构件尺寸和强度要求等因素进行，确保混凝土满足结构设计要求。

满足结构要求配合比设计需考虑混凝土的流动性、可泵性、保水性等性能，以确保混凝土在输送和浇筑过程中不出现离析、泌水等现象。

优化工作性能在满足性能要求的前提下，配合比设计应尽量降低成本，提高经济效益。

控制成本配合比设计基本原则根据混凝土各组分的体积比例进行配合比设计，适用于普通混凝土。

体积法重量法统计法根据混凝土各组分的重量比例进行配合比设计，适用于特殊要求的混凝土。

基于正交试验高强混凝土的配和比分析1. 引言1.1 背景介绍高强混凝土是一种具有优异性能的新型建筑材料，其强度、耐久性和耐久性等性能明显优于传统混凝土。

在建筑工程中，高强混凝土被广泛应用于大型桥梁、高楼大厦等重要工程中，以提高结构的承载能力和使用寿命。

高强混凝土的配合比设计对混凝土的性能影响巨大。

传统的经验配合比设计方法往往存在一定的局限性，不能充分发挥高强混凝土的优势。

正交试验是一种有效的实验设计方法，可以通过有限的试验数据对多个因素进行全面而高效的研究，利用正交试验设计可以同时优化多个影响混凝土配合比的因素，找到最佳的配合比方案。

基于正交试验的高强混凝土配合比研究具有重要意义和深远影响。

通过系统地研究混凝土的原材料性能、配合比设计、施工工艺等方面，可以为高强混凝土的应用提供科学的依据和有效的配合比设计方法。

本研究旨在探究基于正交试验的高强混凝土配合比设计方法，为高强混凝土在工程实践中的应用提供技术支持和理论指导。

1.2 研究意义高强混凝土是一种在工程中广泛应用的新型混凝土材料，具有很高的抗压和抗弯强度，可以在工程结构中起到重要作用。

研究高强混凝土的配和比对其性能的影响，有利于优化混凝土配方，提高混凝土的力学性能和耐久性，从而延长工程结构的使用寿命，减少维护与修复成本，促进工程结构的可持续发展。

深入研究基于正交试验的高强混凝土配和比分析具有重要的实际意义和科学价值。

通过研究高强混凝土的配比优化，可以为混凝土工程提供可靠的技术支撑，推动混凝土工程的发展和进步。

通过正交试验设计，可以有效地降低试验次数，减少试验成本，提高研究效率，为混凝土配比的优化提供科学的方法和指导。

本研究对于推动高强混凝土的应用与发展具有重要意义。

1.3 研究目的研究目的是通过正交试验的方法，对高强混凝土的配和比进行分析，探讨不同比例下混凝土的性能表现，并寻求最优的配比方案。

通过对比不同配比下混凝土的抗压强度、抗折强度、抗渗性等性能指标，确定最佳的配比比例，提高混凝土的力学性能和耐久性，以满足工程建设的需求。

第42卷第4期2023年4月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.4April,2023基于正交试验的EPS 轻型混凝土配合比设计及性能研究曹军平,朱㊀健,高㊀镇(佛山科学技术学院,交通与土木建筑学院,佛山㊀528225)摘要:保温性能和抗冻性能对衡量功能一体化材料耐久性,以及促进绿色节能㊁减排具有重要影响㊂借助正交试验方法,以聚苯乙烯(EPS)掺量㊁水胶比㊁聚甲醛(POM)纤维掺量为影响因素,开展EPS 轻型混凝土的力学性能㊁保温性能及抗冻性能试验,并对试验结果进行极差分析和AHP-CRITIC 混合加权分析,得到综合性能最佳的EPS 轻型混凝土基础配合比㊂结果表明:EPS 掺量对EPS 轻型混凝土力学性能影响最大,POM 纤维能显著提高EPS 轻型混凝土的抗拉强度,水胶比对EPS 轻型混凝土力学性能影响最小;当EPS 掺量为35%(体积分数)㊁POM 纤维掺量为0.9%(质量分数)㊁水胶比为0.21时,EPS 轻型混凝土的力学性能最优;在冻融循环下,EPS 轻型混凝土冻融损伤满足二参数Weibull 分布模型,该模型能较好地反映EPS 轻型混凝土冻融损伤变化规律㊂关键词:EPS 轻型混凝土;正交试验;AHP-CRITIC 混合加权法;抗冻性能;导热系数;冻融损伤模型中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)04-1270-12Mix Proportion Design and Properties Study of EPS Lightweight Concrete Based on Orthogonal TestCAO Junping ,ZHU Jian ,GAO Zhen(School of Transportation and Civil Architecture,Foshan University,Foshan 528225,China)Abstract :Insulation property and frost resistance have an important impact on measuring the durability of functional integrated materials and improving green energy conservation and emission ing orthogonal test,expanded polystyrene (EPS)content,water-binder ratio,polyoxymethylene (POM)fiber content were used as the influencing factors,and the mechanical properties,insulation property and frost resistance of EPS lightweight concrete were tested.The test results were analyzed to obtain the EPS lightweight concrete foundation mix ratio with the best comprehensive performance by range analysis and AHP-CRITIC hybrid weighting analysis.The results show that EPS content has the greatest influence on the mechanical properties of EPS lightweight concrete,POM fiber can significantly increase the tensile strength of EPS lightweight concrete,and water-binder ratio has the least influence on the mechanical properties of EPS lightweight concrete.When the volume fraction of EPS is 35%,the mass fraction of POM fiber is 0.9%,and the water-binder ratio is 0.21,the mechanical properties of EPS lightweight concrete are the best.Under freeze-thaw cycles,the freeze-thaw damage of EPS lightweight concrete satisfies two-parameter Weibull distribution model,which can better reflect the change rule of freeze-thaw damage.Key words :EPS lightweight concrete;orthogonal test;AHP-CRITIC hybrid weighting method;frost resistance;thermal conductivity;freeze-thaw damage model 收稿日期:2022-11-08;修订日期:2023-01-13基金项目:国家自然科学基金(51468050);广东省教育厅 十三五 教育科研课题(2020GXJK399);佛山市2022年博士后科研启动基金;教育部2021年第2批产学协同育人项目(202102011047)作者简介:曹军平(1997 ),男,硕士研究生㊂主要从事新型建筑材料的研究㊂E-mail:2817162845@通信作者:朱㊀健,博士,教授㊂E-mail:zhujian@0㊀引㊀言由于经济的快速发展,泡沫塑料成为当今各国主要的产品外包装材料,据统计,全球每年有800万吨塑㊀第4期曹军平等:基于正交试验的EPS轻型混凝土配合比设计及性能研究1271料垃圾被排入海洋,其中泡沫塑料占很大比例,而中国的塑料垃圾占全球海洋塑料垃圾的28%㊂针对产生的大量泡沫塑料垃圾,目前主要的处理方式是填埋和焚烧,但均存在难以降解和污染环境的问题,易造成 白色污染 [1]㊂将聚苯乙烯(expanded polystyrene,EPS)泡沫塑料回收制备成EPS轻型混凝土,可以有效解决环境问题,对我国早日实现 碳达峰㊁碳中和 目标具有重大意义㊂同时EPS轻型混凝土在制备过程中还可以消耗其他固废材料,如粉煤灰㊁矿渣㊁城市生活垃圾和药渣等[2-3]㊂EPS轻型混凝土具有绿色㊁轻质㊁保温㊁隔音的突出优点,Srinivas等[4]制备了掺15%(体积分数)椰壳的EPS轻型混凝土,与普通混凝土相比,其质量减轻了24%㊂杨飞等[5]将EPS掺量增加到30%(体积分数)后,其质量比未掺EPS的混凝土组质量减小了34.8%,导热系数降低了60%㊂Sosoi等[6]用废骨料(破碎塑料瓶㊁EPS和木屑)制备的绿色高性能EPS 轻型混凝土导热性能优于普通混凝土㊂Patricia等[7]研究发现EPS替代混凝土中15%细骨料质量后,使导热系数降低了53%,在500~1000Hz,隔音效果优于同质量替代的蛭石轻骨料砂浆㊂但EPS轻型混凝土也存在一些缺点:1)EPS易上浮,导致混凝土质量不均,从而影响EPS轻型混凝土力学性能[8]㊂张文华等[9]表明EPS轻型混凝土的和易性与水灰比密切相关,当水灰比过大时,浆体黏结性能降低,EPS上浮严重;当水灰比过小时,浆体流动性差,EPS轻型混凝土不易成型㊂矿物掺合料是改善浆体黏结强度的重要手段㊂在试验中掺入微硅粉和粉煤灰等工业废料后,EPS颗粒与水泥浆体之间黏结致密,EPS 上浮现象有所改善㊂2)EPS颗粒的弹性模量小,热胀冷缩和干缩叠加效应易导致EPS轻型混凝土收缩变形大,影响材料的力学性能和耐久性㊂掺入适量纤维可以有效改善EPS轻型混凝土性能:Sun等[10]采用正交试验研究纤维种类㊁长度㊁掺量对EPS轻型混凝土性能影响,发现碳纤维对其力学性能和微观形貌影响最为明显;刘凤利等[11]研究表明在EPS轻型混凝土中掺入0.8%(体积分数)聚乙烯醇(PVA)纤维可使抗拉强度提高50%以上,收缩率降低了50%,且能改善冻融循环中EPS轻型混凝土剥落和内部损伤情况;郭雷等[12]认为纤维起到连接作用,阻止了胶凝材料中裂缝的产生与扩展,使吸能效率增大㊂3)EPS轻型混凝土强度低㊂EPS体积掺量是影响EPS轻型混凝土力学性能和导热性能的重要因素[13]㊂Anjaney等[14]发现EPS的体积掺量对EPS轻型混凝土力学性能有重要影响,当EPS体积掺量增加时,混凝土的强度㊁容重和导热系数均呈下降的趋势㊂目前,国内外学者对EPS轻型混凝土的研究主要集中在轻质和保温性能等方面,对EPS轻型混凝土抗冻性能和高强等方面的研究较少㊂本文中制备了一种强度满足C30,且具有轻质㊁保温和良好抗冻性能的高性能EPS一体化混凝土材料,并将其创新性地用于建筑承重及围护部位㊂EPS㊁水胶比(W/B)和纤维是影响EPS轻型混凝土强度和抗冻性能的重要因素㊂聚甲醛(polyoxymethylene,POM)纤维是一种受力性能优异的新型纤维材料,但近年来,其对于各类型混凝土相关影响的研究均甚少㊂因此,本文中考虑EPS㊁水胶比和POM纤维三个因素对EPS轻型混凝土力学性能㊁保温性能㊁抗冻性能的影响并设计了正交试验㊂采用极差分析探究这些因素对EPS轻型混凝土的影响规律,利用功效系数结合AHP-CRITIC法分析并确定综合性能最优的基础配合比㊂在冻融循环下,探究了新型EPS轻型混凝土导热系数的变化规律,并建立了EPS轻型混凝土冻融劣化模型㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料水泥为P㊃O42.5普通硅酸盐水泥,密度为3.1g/cm3;粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰,密度为2.55g/cm3;硅粉密度为2.1g/cm3;EPS颗粒的表观密度为0.025g/cm3,导热系数为0.04W/(m㊃K),直径为3~5mm,EPS 纤维形貌如图1(a)所示;POM纤维为重庆云天化聚新材料有限公司生产,形貌如图1(b)所示,其主要性能参数见表1;砂子为天然河砂(中砂,细度模数为2.68);聚羧酸减水剂由南通浦发建材有限公司生产,含固量为40%(质量分数),减水率为25%㊂1272㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图1㊀EPS和POM纤维形貌Fig.1㊀Morphology of EPS and POM fiber表1㊀POM纤维主要性能参数Table1㊀Main performance parameters of POM fiberPerformance Length/mm Diameter/mm Density/(g㊃cm-3)Elastic modulus/MPa Tensile strength/MPa Value120.2 1.4>8000>9671.2㊀试验配合比在课题组前期研究[15]基础上,考虑多因素水平对试验性能评价指标的影响规律,采用正交试验设计法,考察的因素有:EPS掺量(A),水胶比(B),POM纤维掺量(C)㊂为保证EPS轻型混凝土强度达到C30,EPS 掺量比例参考文献[14]选取,EPS掺量为胶凝材料体积的35%㊁40%㊁45%㊂水胶比依据前期试验调配EPS 轻型混凝土流动性能和稠度进行选取㊂参照厂家推荐的POM纤维掺量划分为三水平,掺量分别为0.3%㊁0.9%㊁1.5%(质量分数)㊂本试验基础配合比m水泥ʒm砂ʒm粉煤灰ʒm硅粉=1.00ʒ1.08ʒ0.20ʒ0.39(质量比)㊂在此配合比基础上,选择L9(33)试验方案,因素水平表如表2所示㊂表2㊀正交试验因素水平表Table2㊀Factor level table of orthogonal testLevel FactorA(volume fraction)/%B C(mass fraction)/% 1350.190.32400.210.93450.23 1.51.3㊀试件制作及试验方法EPS轻型混凝土的制备流程图如图2所示㊂抗压强度㊁劈裂抗拉强度指标按照‘混凝土物理力学性能试验方法标准“(GB/T50081 2019)[16]规定测试;导热系数指标按照‘绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法“(GB/T10294 2008)[17]规定测试;抗冻性能按照改进快冻法[18]测量EPS轻型混凝土质量损失率和相对动弹性模量损失率㊂第4期曹军平等:基于正交试验的EPS 轻型混凝土配合比设计及性能研究1273㊀图2㊀EPS 轻型混凝土制备流程图Fig.2㊀Preparation flow chart of EPS lightweight concrete 2㊀结果与讨论2.1㊀极差分析根据表3试验结果,研究各因素对EPS 轻型混凝土力学性能㊁保温性能㊁抗冻性能的影响㊂相对动弹性模量能够反映混凝土内部的损伤程度,质量损失率受含水率影响,因此采用冻融循环100次的相对动弹性模量进行极差分析,根据表3的试验结果得到正交试验极差分析结果(见表4)和EPS 轻型混凝土中各因素不同水平与指标的关系(见图3)㊂表3㊀EPS 轻型混凝土正交试验结果Table 3㊀Orthogonal test results of EPS lightweight concreteGroup A /%B C /%ρa /(kg㊃m -3)28d f c /MPa 28d f t /MPa λ/[W㊃(m㊃K)-1]D N /%Z-1350.190.3183442.09 4.150.4711590.6Z-2350.210.9188445.78 4.730.4889888.9Z-3350.23 1.5178337.03 4.780.4268389.8Z-4400.19 1.5167328.72 3.600.4228092.0Z-5400.210.3167729.89 2.500.4207493.4Z-6400.230.9169430.67 3.160.4579494.0Z-7450.190.9167429.28 3.180.3078795.8Z-8450.21 1.5158024.52 3.440.4160496.7Z-9450.230.3166928.10 1.880.3775995.2㊀㊀Note:ρa ,apparent density;f c ,compressive strength;f t ,tensile strength;λ,thermal conductivity;D N ,relative dynamic elastic modulus.表4㊀正交试验极差分析Table 4㊀Orthogonal test range analysisIndexFactor Level 1Level 2Level 3Range Ratio of range /%A 18341681164119369ρa /(kg㊃m -3)B 172717141715135C 1727175116797226A 41.6329.7627.3014.3368f c /MPaB 33.3633.3931.93 1.467C 33.3635.2430.09 5.1525A 4.55 3.08 2.83 1.7254f t /MPaB 3.64 3.56 3.270.3712C 2.84 3.69 3.92 1.0834A 0.462320.433830.367170.0951567λ/[W㊃(m㊃K)-1]B 0.400610.441920.420790.0413129C0.423160.418260.421890.004904A 89.893.195.9 6.192D N /%B 92.893.093.00.23C 93.192.992.80.351274㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图3㊀EPS轻型混凝土中各因素不同水平与指标的关系Fig.3㊀Relationship between different levels and indexes of factors in EPS lightweight concrete2.1.1㊀表观密度分析由图3和表4可知,各因素对表观密度影响的大小顺序为A>C>B,最佳水平组合为A3B2C3,EPS掺量占比69%,POM纤维掺量占比26%,水胶比影响最小㊂EPS对表观密度影响最大,当EPS掺量从35%增加到40%时,混凝土容重减轻了8.34%;当EPS掺量从35%增加到45%时,则混凝土容重减轻了10.52%,这表明掺入EPS可以大幅度减轻混凝土的容重㊂当POM纤维掺量增加时,表观密度呈先升高后下降的小幅波动,这主要是POM纤维具有良好的亲水性和分散性,在浆体中呈三维乱向分布,消减了部分微孔隙和微空气泡结构,发挥了纤维的填充作用,提高了EPS轻型混凝土的内部密实度,使纤维与胶凝体更加紧密地黏结在一起㊂但随着POM纤维掺量的不断增多,分散性降低,填充作用减弱,纤维团聚使额外产生的微空气泡数量增多,额外产生有害孔隙,从而导致EPS轻型混凝土的密实度由升转降㊂2.1.2㊀抗压强度分析分析图3和表4可知,各因素对抗压强度影响的大小顺序为A>C>B,最佳水平组合为A1B2C2,EPS掺量影响最大,占比68%,POM纤维掺量占比25%,水胶比占比7%㊂当EPS掺量从35%增加到40%时,混凝土抗压强度从41.63MPa下降至29.76MPa,下降了28.5%;当EPS掺量从40%增加到45%时,抗压强度下降至27.30MPa,下降了8.3%,说明随着EPS掺量增加,包裹EPS颗粒的浆体厚度变薄,使EPS轻型混凝土胶凝体受力骨架体系受到了明显的削弱,EPS轻型混凝土抗压强度呈先急剧降低后缓慢减小的规律㊂当POM纤维掺量增加时,EPS轻型混凝土的表观密度先上升后降低,密实度也发生了变化,而材料密实度的变化直接导致材料的抗压强度也发生了相应的变化,最终使EPS轻型混凝土抗压强度也呈先上升后降低的规律㊂2.1.3㊀抗拉强度分析分析图3㊁表4可知,各因素对抗拉强度影响大小顺序分别为A>C>B,EPS掺量影响最大,占比54%, POM纤维掺量占比34%,水胶比占比12%㊂EPS会对混凝土的抗拉强度造成不利影响,但掺入POM纤维后混凝土材料的抗拉性能得到明显改善,POM纤维的相对动弹性模量和抗拉强度高,且纤维呈三维乱向分布,有一定的阻拉裂作用,在抗劈裂破坏过程中能抑制混凝土的横向变形[19],从而降低混凝土材料的泊松比,间接提高EPS轻型混凝土的抗拉强度㊂不同POM纤维掺量下EPS轻型混凝土抗拉破坏形貌如图4所示,掺入POM纤维后,裂缝长度变短且主裂缝宽度变窄㊂第4期曹军平等:基于正交试验的EPS 轻型混凝土配合比设计及性能研究1275㊀图4㊀不同POM 纤维掺量下EPS 轻型混凝土抗拉破坏形貌Fig.4㊀Tensile failure morphology of EPS lightweight concrete with different POM fiber content 2.1.4㊀导热系数分析如图3㊁表4所示,各因素对导热系数影响程度大小顺序为A >B >C,最优水平组合为A 3B 1C 2,EPS 掺量占比67%,水胶比占比29%,POM 纤维掺量占比4%㊂当EPS 掺量从35%增加至40%时,导热系数降低了6.2%,当掺量提升至45%时,导热系数降低了20.58%㊂如图6(a)所示,低导热性的EPS 掺入到混凝土中,阻断了导热通道,降低了导热系数,提升了轻型混凝土材料的保温隔热性能㊂2.1.5㊀抗冻性能分析如图3和表4所示,各因素对抗冻性能影响大小顺序为A >C >B,EPS 掺量占比92%,POM 纤维掺量占比5%,水胶比占比3%㊂EPS 轻型混凝土的抗冻性能随着EPS 掺量的增加而提高,主要由于EPS 为孔隙水,结冰后膨胀提供缓冲空间,缓解了混凝土冻结时产生的静水压力,降低了对孔壁的破坏㊂王纯璇[20]研究发现,最大静水压力与毛细孔之间的距离成正比,掺入吸水率低的EPS 能缩短未冻结水的迁移路径,有效阻止凝胶孔中冷水在冻结过程中毛细渗透现象的发生,减缓了混凝土内部的渗透压力,从而提高了混凝土的抗冻性能[21]㊂抗压强度是研究EPS 轻型混凝土的核心指标,EPS 掺量对抗压强度影响最大,其次是POM 纤维掺量,水胶比影响最小㊂通过极差分析发现,只有当EPS 掺量为35%时,EPS 轻型混凝土满足目标强度要求,POM 纤维掺量为0.9%㊁水胶比为0.21时,EPS 轻型混凝土的抗压强度最高,故A 1B 2C 2为目标强度的最佳配合比㊂2.2㊀功效系数法结合AHP-CRITIC 混合加权法分析层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是依据主观比较指标的相对重要性来定量确定权重的方法[22]㊂当配制承重功能一体化的EPS 轻型混凝土时,首先要确保抗压强度达到C30,赋值4分;掺入POM 纤维后,各组抗拉强度都可达1.43MPa,赋值1分;在保证强度的前提下,同时具有轻质㊁保温㊁抗冻等性能,表观密度㊁保温性能㊁抗冻性能都赋值2分㊂基于指标相关性的权重确定方法(criteria importance through intercriteria correlation,CRITIC)是根据指标变异性和冲突性作为标准进行计算,将AHP 法和CRITIC 法结合进行综合权重,按照式(1)计算[23]㊂AHP㊁CRITIC㊁AHP-CRITIC 权重结果如表5所示㊂w ij =w AHP -ij w CRITIC -ij ðw AHP -ij w CRITIC -ij (1)式中:w ij 为各指标综合权重;w AHP -ij 为AHP 法求得各指标权重;w CRITIC -ij 为CRITIC 法求得各指标权重;ðw AHP -ij w CRITIC -ij 为各指标AHP 法和CRITIC 法乘积之和㊂对各组EPS 轻型混凝土工作性能进行综合评价[24],研究中采用功效系数法将五个指标转化为可以度量的评价分数,分析结果如表6所示,然后根据式(1)求得各指标的综合权重,五个评价指标的功效系数乘以各自的综合权重系数,得到综合评价指标总功效系数值㊂从表6综合评分来看,Z-2组的综合评分最高,综合评分为98㊂最佳组合形式为A 1B 2C 2,如表3中Z-2组数据结果所示,该配比下抗压强度可达45.78MPa,劈裂抗拉强度为4.73MPa,导热系数为0.488W /(m㊃K),且EPS 和POM 纤维最佳掺量与极差分析结果一致㊂1276㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷表5㊀AHP ㊁CRITIC ㊁AHP-CRITIC 权重结果Table 5㊀Weight results of AHP ,CRITIC ,AHP-CRITIC Typeρa /(kg㊃m -3)f c /MPa f t /MPa λ/[W㊃(m㊃K)-1]D N /%AHP 18.1836.369.1018.1818.18CRITIC 9.5031.3936.6917.11 5.31AHP-CRITIC 8.4155.5216.2415.13 4.70表6㊀各指标功效系数和综合评分Table 6㊀Efficacy coefficient and comprehensive score of each indexGroup Power coefficient ρa /(kg㊃m -3)f c /MPa f t /MPa λ/[W㊃(m㊃K)-1]D N /%Comprehensive score Z-193.4293.0691.3196.0668.7292Z-2100.00100.0099.31100.0060.0098Z-386.7183.54100.0086.2764.6286Z-472.2467.9083.7285.3875.9074Z-572.7670.1068.5584.9383.0873Z-675.0071.5777.6693.1486.1577Z-772.3768.9677.9360.0095.3871Z-860.0060.0081.5283.89100.0069Z-971.7166.7460.0075.4092.31692.3㊀EPS 轻型混凝土抗冻性能分析2.3.1㊀质量损失率与相对动弹性模量EPS 轻型混凝土冻融循环100次后冻融损伤小于25%,远低于破坏评判标准要求的40%,表明EPS 轻型混凝土具有优异的抗冻性能,符合‘水工混凝土结构设计规范“(SL 191 2008)[25]中对寒冷地区冬季无水干燥建筑㊁结构外露阳面抗冻等级ȡ100的抗冻性能要求㊂冻融循环下EPS 轻型混凝土的质量损失率㊁相对动弹性模量如图5(a)㊁(b)所示,随着冻融循环次数的增加,EPS 轻型混凝土的质量损失率增加,相对动弹性模量降低㊂当冻融循环达到100次时,EPS 掺量45%组的抗冻性能最好,其平均质量损失率为0.156%,相对动弹性模量为95.9%,与EPS 掺量35%组相比,其抗冻性能得到改善㊂图5㊀冻融循环下EPS 轻型混凝土的质量损失㊁相对动弹性模量和导热系数Fig.5㊀Mass loss rate,relative dynamic elastic modulus and thermal conductivity of EPS lightweight concrete under freeze-thaw cycles 2.3.2㊀导热系数EPS 轻型混凝土的导热系数受骨料和孔隙率等影响较大,在冻融循环作用下,孔隙率发生变化,EPS 颗粒遭受破坏,这将导致EPS 轻型混凝土的保温性能发生变化㊂随机选取五组EPS 轻型混凝土配合比进行冻融循环下导热系数的测定㊂在冻融循环下EPS 轻型混凝土导热系数变化如下图5(c)所示㊂由图5(c)可知,各组EPS 轻型混凝土在不同冻融循环下导热系数变化规律类似,在冻融循环下,导热系第4期曹军平等:基于正交试验的EPS 轻型混凝土配合比设计及性能研究1277㊀数呈降低-升高-降低的变化规律㊂图6为冻融循环前后EPS 轻型混凝土外观变化㊂冻融循环前,EPS 轻型混凝土结构稳定,如图6(a)所示㊂当冻融循环25次时,在孔隙水冻融过程中,EPS 颗粒与水泥石之间的空隙有所增加,导致导热系数略有降低㊂当冻融循环50次时,冻融逐渐破坏了EPS 内部封闭气孔结构,如图6(b)所示,EPS 颗粒的保温性能稍有下降,导热系数转为上升[26]㊂当冻融循环75次时,包裹EPS 颗粒的水泥石遭受冻融破坏,产生弥散性封闭微裂缝,导热系数开始下降㊂当冻融循环100次时,固体骨架局部有断裂,EPS 轻型混凝土内部微裂缝开始变长且变宽,内部孔隙继续增大,如图6(c)所示,从而导致导热系数继续下降㊂图6㊀冻融循环前后EPS 轻型混凝土外观变化Fig.6㊀Appearance change of EPS light concrete before and after freeze-thaw cycles 2.3.3㊀冻融损伤模型为了更好地描述冻融损伤模型规律,研究中采用冻融循环前后相对动弹性模量来间接表征材料在冻融后的损伤程度㊂引入损伤变量描述材料内部裂缝发展状态,如式(2)所示㊂采用二参数Weibull 分布模型来描述损伤变量,冻融损伤演化方程如式(3)所示㊂为了方便计算,对式(3)取两次对数,最终得到式(7)㊂计算各组对应的X 和Y ,然后对X 和Y 进行回归拟合,确定参数A 和B 的数值,具体见表7,将参数代入冻融损伤演化方程,得到基于Weibull 概率分布的EPS 轻型混凝土冻融损伤方程,如式(8)所示㊂D N = E N E (2)D N =1-exp -N η()β[](3)ln ln 11-D N ()=βln 1η+βln N (4)令Y =ln ln 11-D N (),X =ln N (5)A =β,B =βln 1η(6)Y =AX +B (7)D N =1-exp[-(N ˑe B /A )A ](8)式中:D N 为材料损伤值,即相对动弹性模量; E N 为冻融循环N 次后的动弹性模量;E 为材料冻融前动弹性模量;η为尺度因子;β为韦布尔形状因子;N 为冻融循环次数㊂上式冻融损伤方程具有一定的精确性,能够反映EPS 轻型混凝土冻融破坏程度,根据实际经验确定的破坏评判标准为D N =40%,代入冻融损伤方程得到室内抗冻循环次数㊂通过式(9)预测该地区的轻型混凝土外墙体材料的抗冻融寿命,预测结果见表8㊂t =K ˑN M (9)式中:t 为混凝土结构室外的使用寿命,a;K 为试验系数,即试验冻融循环一次相当于室外自然冻融循环的次数,一般取10~14,本文平均值为12;M 为地区混凝土结构在实际环境一年所可能遭受的自然冻融循环次1278㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷数,次/a [27]㊂表7㊀EPS 轻型混凝土的损伤方程参数A ㊁B 与相关度R 2Table 7㊀Damage equation parameters A ,B and correlations R 2of EPS lightweight concreteGroup A B R 2Z-1 1.03-7.300.89Z-20.91-6.550.91Z-3 1.38-8.890.83Z-40.61-5.480.66Z-50.89-7.030.86Z-60.68-6.260.80Z-70.54-5.690.95Z-80.45-5.540.90Z-90.51-5.450.90表8㊀不同地区抗冻融寿命预测结果Table 8㊀Prediction results of frost resistance service life in different regions2.4㊀微观结构与机理分析图7为Z-2组EPS 轻型混凝土经不同冻融循环后微观形貌变化图㊂在冻融循环前,水化硅酸钙(C-S-H)凝胶与其他生成物连接致密㊂当冻融循环50次时,致密的结构出现少许孔洞,与冻融循环前相比,孔洞变大㊁变深㊂当冻融循环75次时,一条细长的裂缝横穿基体,破坏了致密结构㊂当冻融循环100次时,C-S-H 凝胶受损而不完整,表面存有许多孔洞和裂缝,裂缝变多㊁变宽,导致EPS 轻型混凝土的强度和导热系数下降㊂图8为Z-7组EPS 混凝土微观形貌,可以观察到Z-7组冻融循环前存有少量片状结构㊁较大孔洞和裂缝,结构松散,整体性差㊂冻融循环100次后的Z-7组孔洞增多,无细长裂缝㊂冻融循环前Z-7组的微观结构虽然没有Z-2组致密,但是在冻融循环100次后,Z-7组内部结构破坏程度明显小于Z-2组,这一现象与冻融过程中相对动弹性模量变化试验结果一致㊂产生这种现象主要有两方面原因:一方面,EPS 颗粒可以缓冲附近由冻融循环产生的膨胀压力,降低周围混凝土的损伤,图9(a)为Z-2组冻融循环100次后EPS 颗粒附近的微观形貌,离EPS 较远处存有一条细长裂缝,但近处结构致密;另一方面,POM 纤维的SEM 照片如图9(b)所示,纤维承担冻融循环产生的抗拉强度,抑制裂缝的产生,提高了EPS 轻型混凝土的抗冻性能㊂第4期曹军平等:基于正交试验的EPS 轻型混凝土配合比设计及性能研究1279㊀图7㊀不同冻融循环次数下Z-2组EPS 轻型混凝土的SEM 照片Fig.7㊀SEM images of Z-2group EPS lightweight concrete under different freeze-thaw cyclestimes 图8㊀Z-7组EPS 轻型混凝土的SEM 照片Fig.8㊀SEM images of Z-7group EPS lightweightconcrete 图9㊀ESP 和POM 纤维的SEM 照片Fig.9㊀SEM images of ESP and POM fiber 3㊀结㊀论EPS 轻型混凝土具有较为优异的保温性能和低碳固废属性,对添加POM 纤维后的EPS 轻型混凝土材料基于冻融循环条件下的综合性能开展 双碳 目标下的全面评价具有积极的工程价值,研究取得了以下成果:1)研究设计了一种新型承重功能一体化轻型混凝土建筑外墙体材料,采用功效系数法结合AHP-CRITIC 混合加权法确定EPS 轻型混凝土综合性能最优配合比,当EPS 体积掺量为35%㊁POM 纤维质量掺量为0.9%㊁水胶比为0.21时,该配比下抗压强度可达45MPa,劈裂抗拉强度为4.73MPa,导热系数为0.488W /(m㊃K),满足北方一体化轻型墙体技术要求㊂2)正交试验的三因素对力学性能的影响程度为EPS 掺量>POM 纤维掺量>水胶比㊂EPS 掺量增加,混1280㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷凝土的力学性能呈指数下降㊂EPS轻型混凝土的抗拉强度随着POM纤维掺量的增加而增大㊂3)采用二参数Weibull分布模型建立的EPS轻型混凝土冻融损伤模型,相关性较高,具有一定的可靠度,可以依据该地区破坏标准和EPS轻型混凝土冻融损伤模型预测冻融循环次数,从而预测轻型混凝土外墙体材料的抗冻融寿命㊂4)微观测试结果与冻融损伤机理分析进行验证,表明掺入矿物掺合料后EPS颗粒与基体黏结致密,通过比较材料损伤值发现,EPS颗粒可以吸收缓冲冻融循环产生的膨胀压力,使混凝土抗冻性能提高,POM纤维可以有效分担冻融循环导致的材料损伤,有效增强EPS轻型混凝土的力学性能㊂参考文献[1]㊀中国聚合物网.海洋垃圾危害267个物种-泡沫塑料垃圾占比过半[EB/OL].2022./polymernews/2016-12-26/_20161226152621930.htm.China Polymer Network.Marine debris endangers267species-more than half of foam plastic waste[EB/OL].2022./ polymernews/2016-12-26/_20161226152621930.htm(in Chinese).[2]㊀李碧雄,汪知文,苏柳月,等.减小EPS混凝土收缩的配合工艺试验研究[J].材料导报,2021,35(16):16021-16027.LI B X,WANG Z W,SU L Y,et al.Experimental study on matching process to reduce the shrinkage properties of EPS concrete[J].Materials Reports,2021,35(16):16021-16027(in 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