摘要：试验以普通混凝土的配制方法为理论依据，控制因素包括水胶比、水泥强度等级、掺和料种类以及减水剂四个方面。通过正交设计试验方案来确定各因素对混凝土性能影响的主次顺序，从而选择出最优方案。试验结果表明：从功效系数极差△R可看出，各项因子影响指标的主次顺序：水胶比＞外加剂种类＞水泥强度等级＞掺和料组合；理论最优方案为A1B3C1D1（A1：P·O42.5R、B3：0.24、C1：柯帅、D1：矿渣粉）。
1. 前言
自密实混凝土(Self Compacting Concrete，简称SCC)是指在自身重力作用下，能够流动、密实，即使存在致密钢筋也能完全填充模板，同时获得很好均质性，并且不需要附加振动的混凝土[1]。早在20世纪70年代早期，欧洲就已经开始使用轻微振动的混凝土[2]，但是直到20世纪80年代后期，自密实混凝土才在日本发展起来[3]。国内对自密实混凝土的研究与应用开始于90年代初期。1987年冯乃谦教授提出了流态混凝土概念[4、5]，奠定了这一研究的基础。1993年北京城建集团构件厂[6]在研制出C60~C80大流动性高强度混凝土的基础上开始着手免振捣自密实高性能混凝土的研制，于1996年获得了免振捣自密实混凝土的国家专利。对于高强C80混凝土，除在施工工艺方面进行精心组织外，还必须从混凝土配合比入手研究混凝土的工作特性，本试验通过正交分析法找到了配制C80混凝土的最优配合比。随着社会的发展，资源的多元化利用，人口的日益增多，有限的人类可利用资源变得更加珍贵，为了满足人类的可持续发展，高性能混凝土越来越成为建筑业未来发展的趋势。
2. 试验工作
2.1试验原材料
2.1.1 水泥
试验选用两种强度等级的水泥，其化学成分如表1.1所示。
表1.1水泥的化学成分/%
| 化学成分 | SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | CaO | MgO | SO3 | IL |
| P·O42.5RP·O52.5R | 22.2721.21 | 5.153.27 | 8.266.70 | 53.2158.81 | 1.802.17 | 2.432.06 | 4.103.82 |
2.1.2 骨料
骨料采用重庆某搅拌站提供的硅质骨料，分为粗细骨料两种，其性质如表1.2和1.3所示。
（1）粗骨料
表1.2 粗骨料性质
| 种类 | 粒径范围（mm） | 压碎指标（%） | 针片状含量（%） | 表观密度（kg/m3） |
| 破碎卵石 | 5~10 | 3.9 | 1 | 2710 |
| 破碎卵石 | 10~20 | 3.9 | 2 | 2690 |
（2）细骨料
表1.3 细骨料性质
| 种类 | 细度模数 | 含泥量（%） | 有机物含量 |
| 岳阳中砂 | 2.7 | 1.1 | 合格 |
2.1.3 矿物掺合料
为了寻找最佳的配比效果，在本次试验中，掺合料的种类将按照不同比例进行复合，测试其效果。各种掺合料的性能参数如下所示：
表1.4粉煤灰性能参数
| 粉煤灰等级 | 烧失量（%） | 细度（%） | 需水量（%） |
| I级 | 1.9 | 6.0 | 87 |
表1.5 矿渣粉性能参数
| 名称 | 密度（g/cm3） | 比表面积（m2/kg） | 活性指数 | 流动度比（%） | |
| 7d | 28d | ||||
| 睿亮S95 | 2.9 | 413 | 75 | 96 | 103 |
表1.6 硅灰性能参数
| 名称 | SiO2含量（%） | 烧失量（%） | 比表面积（m2/kg） | 需水量比（%） |
| 锦艺硅灰 | 92 | 3.2 | 16000 | 101 |
2.1.4 减水剂
配制高强混凝土时高效减水剂是必不可少的原材料，在减水作用基本相同的情况下，为了测定不同减水剂达到的效果，试验选用柯帅、苏博特和科之杰三种不同的高效减水剂。
2.2试验方案
为了找出可行性方案和理论最优方案，以及影响混凝土性能的主要因素，在试验时间有限的情况下，正交试验能够合理有效的实现这一目的。在试验前期，先进行数次基准试验，选择工作性较优的数值或数值组合，作为正交试验的依据。本试验中正交试验的变量因素水平为水泥强度（A1：P?O42.5R、A2：P?O52.5R、A3：P?O52.5R），水胶比（B1：0.2、B2：0.22、B3：0.24），外加剂（C1：柯帅、C2：苏博特、C3：科之杰），矿物掺合料（D1：矿渣粉渣、D2：硅灰、D3：矿渣粉+硅灰），其余因素保持不变。为了使正交试验表简洁，可以添加一个水泥强度等级水平，最后只需在处理数据的方式上稍做变化，便可达到等效的结论。采用等水平正交设计表L9（34），需进行9次试验，如表1.7所示。制作试件时砂率均为38%，粉煤灰为97kg/m3，中砂665kg/m3。
表2.1 试验配合比正交表L9（34）
| 组号 | 正交组合 | 水泥强度 | 水胶比 | 外加剂品种 | 掺合料 | |
| 硅灰 | 矿渣粉 | |||||
| 1 | A1B1C1D1 | P·O42.5R | 0.20 | 柯帅 | --- | 80 |
| 2 | A1B2C2D2 | P·O42.5R | 0.22 | 苏博特 | 60 | --- |
| 3 | A1B3C3D3 | P·O42.5R | 0.24 | 科之杰 | 45 | 42 |
| 4 | A2B1C2D3 | P·O52.5R | 0.20 | 苏博特 | 45 | 42 |
| 5 | A2B2C3D1 | P·O52.5R | 0.22 | 科之杰 | --- | 80 |
| 6 | A2B3C1D2 | P·O52.5R | 0.24 | 柯帅 | 60 | --- |
| 7 | A3B1C3D2 | P·O52.5R | 0.20 | 科之杰 | 60 | --- |
| 8 | A3B2C1D3 | P·O52.5R | 0.22 | 柯帅 | 45 | 42 |
| 9 | A3B3C2D1 | P·O52.5R | 0.24 | 苏博特 | --- | 80 |
3. 试验结果及分析
按照上述配合比进行拌和，测试各项数据，如下表所示。
表3.1 试验所测各项数据
| 组号 | 正交组合 | 抗压强度（MPa） | 坍落度（mm） | 扩展度（mm） | 倒坍t（s） | |
| 7d | 28d | |||||
| 1 | A1B1C1D1 | 61.5 | 79.6 | 260 | 800*820 | 8.5 |
| 2 | A1B2C2D2 | 79.1 | 97.6 | 230 | 620*630 | 13.0 |
| 3 | A1B3C3D3 | 76.0 | 89.0 | 240 | 700*670 | 11.0 |
| 4 | A2B1C2D3 | 86.8 | 99.3 | 230 | 660*650 | 23.0 |
| 5 | A2B2C3D1 | 65.0 | 80.9 | 250 | 670*680 | 19.0 |
| 6 | A2B3C1D2 | 64.1 | 83.3 | 230 | 660*640 | 4.0 |
| 7 | A3B1C3D2 | 77.0 | 98.9 | 190 | 350*330 | 23.0 |
| 8 | A3B2C1D3 | 65.5 | 92.3 | 240 | 700*670 | 9.0 |
| 9 | A3B3C2D1 | 74.2 | 90.7 | 240 | 720*750 | 9.0 |
本次试验中，自密实混凝土的主要性能评价指标为扩展度、28d抗压强度和倒坍时间。这是一个多指标正交试验，我们通过极差分析来判断主次影响因素，以及采用多指标功效系数法分析试验数据，确定理论最优方案。
3.1 极差分析
极差分析是正交试验的基本分析方法，可以确定各因素对结果影响的主次顺序以及各因素的可能最优水平，以此为参考，设计出可能的最优试验方案。如果某一因素极差最大，说明该因素起到关键作用。
3.1.1 扩展度极差分析
根据表3.1试验结果，计算出平均值k和极差△R：
表3.2扩展度极差分析数据
| A水泥强度等级 | B水胶比 | C外加剂种类 | D掺合料组合 | |
| K1 | 706.7 | 601.7 | 715.0 | 740.0 |
| K2 | 623.3 | 661.7 | 671.7 | 538.3 |
| K3 | 623.3 | 690.0 | 566.7 | 675.0 |
| △R | 83.4 | 88.3 | 148.3 | 201.7 |
由数据分析得出在扩展度方面掺合料组合影响最大，单使用矿渣粉扩展度最好；外加剂种类影响较大，使用柯帅减水剂效果较好；水胶比影响其次，水胶比为0.24时较好；水泥强度等级影响最小，P?O42.5水泥略高。
3.1.2倒坍时间极差分析
表3.3 倒坍时间极差分析数据
| A水泥强度等级 | B水胶比 | C外加剂种类 | D掺合料组合 | |
| K1 | 10.8 | 18.2 | 7.2 | 12.2 |
| K2 | 14.5 | 13.7 | 15.0 | 5.7 |
| K3 | 14.5 | 8.0 | 17.7 | 14.3 |
| △R | 3.7 | 10.2 | 10.5 | 8.6 |
由数据分析可得出在倒坍时间方面外加剂种类影响最大，使用柯帅减水剂其倒坍时间最短；水胶比影响较大，水胶比为0.24时效果较好；掺合料组合影响其次，只使用硅灰为宜；水泥强度等级影响不明显；
3.1.3 28d抗压强度（非振捣）极差分析
表3.4 抗压强度极差分析数据
| A水泥强度等级 | B水胶比 | C外加剂种类 | D掺合料组合 | |
| K1 | 88.7 | 92.6 | 85.1 | 83.7 |
| K2 | 90.9 | 90.3 | 95.9 | 93.3 |
| K3 | 90.9 | 87.7 | 89.6 | 93.5 |
| △R | 2.2 | 4.9 | 10.8 | 9.8 |
由数据分析可得出在混凝土28d抗压强度方面外加剂种类对强度值影响最大，使用科之杰减水剂强度较高；掺合料组合对强度影响较大，硅灰与矿渣粉共同掺加效果较好；水泥强度等级和水胶比对强度影响较小，宜使用P?O52.5R水泥和较小的水胶比。
3.2 功效系数法分析
本试验属于多指标试验，极差分析法仅仅分别针对某一指标影响因素的重要程度进行判断，所以为了反映出各因素对多指标的综合效果并选出理论最优组合，必须采用功效系数法进行进一步分析。
功效系数是指选定某一指标的最优测试值作为基准，计算其他测试值与基准值的比值为功效系数。总功效系数是三个指标功效系数的平均值。总功效系数指标反映了坍落扩展度、倒坍时间以及28d抗压强度三个指标的要求，将多个指标化为一个指标进行分析。
根据表3.1试验测试结果，将三个指标试验结果转换为功效系数如下：
表3.5 各因素指标功效系数
| 组号 | 正交组合 | 坍落扩展度功效系数 | 倒坍时间倒数功效系数 | 28d强度功效系数 | 总功效系数 |
| 1 | A1B1C1D1 | 1.00 | 0.47 | 0.80 | 0.76 |
| 2 | A1B2C2D2 | 0.77 | 0.31 | 0.98 | 0.69 |
| 3 | A1B3C3D3 | 0.85 | 0.36 | 0.90 | 0.70 |
| 4 | A2B1C2D3 | 0.81 | 0.17 | 1.00 | 0.66 |
| 5 | A2B2C3D1 | 0.83 | 0.21 | 0.81 | 0.62 |
| 6 | A2B3C1D2 | 0.80 | 1.00 | 0.84 | 0.88 |
| 7 | A3B1C3D2 | 0.42 | 0.17 | 0.99 | 0.53 |
| 8 | A3B2C1D3 | 0.85 | 0.44 | 0.93 | 0.74 |
| 9 | A3B3C2D1 | 0.91 | 0.44 | 0.91 | 0.75 |
由上表可计算出总功效系数平均值K和极差△R，如下所示：
表3.6 功效系数极差分析
| A水泥强度等级 | B水胶比 | C外加剂种类 | D掺合料组合 | |
| K1 | 0.72 | 0.56 | 0.79 | 0.71 |
| K2 | 0.70 | 0.68 | 0.7 | 0.70 |
| K3 | 0.78 | 0.62 | 0.70 | |
| △R | 0.02 | 0.22 | 0.17 | 0.01 |
由数据分析可知：从△R可看出各项因子影响指标的主次顺序：水胶比＞外加剂种类＞水泥强度等级＞掺合料组合；根据试验结果分析可看出理论最优方案为A1B3C1D1。
4. 结论
1) 使用P?O52.5R的水泥在强度方面优于P?O42.5R的水泥，但在新拌混凝土的工作性方面不理想，在施工浇筑时可能会出现堵塞泵管的问题。水胶比越大，硬化混凝土强度越小，扩展度越大。使用矿渣粉使混凝土拥有更大的扩展度，但是流动速度较为缓慢，粘聚性增大。
2) 从功效系数极差△R可看出各项因子影响指标的主次顺序：水胶比＞外加剂种类＞水泥强度等级＞掺合料组合。根据试验结果分析可看出理论最优方案为A1B3C1D1。
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