基于响应面法的透水混凝土配合比优化设计.pdf

书书书第 卷 第 期年 月沈阳工业大学学报 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：黄志强（），男，黑龙江伊春人，教授，博士，主要从事岩石力学和新型建筑材料等方面的研究檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏殏殏殏建筑工程 ：基于响应面法的透水混凝土配合比优化设计黄志强，李峰，王耀强，柳策，卢嘉轩（沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，沈阳 ）摘要：为了研究基于响应面法 的水胶比、骨料级配和粉煤灰掺量对透水混凝土性能的影响，建立了抗压强度、抗折强度、透水系数与上述 个因素的回归模型，得出了优化的配合比参数 结果表明，对抗压强度和抗折强度影响的显著性排序为：骨料级配大于水胶比大于粉煤灰掺量，对透水系数影响的显著性排序为：水胶比大于粉煤灰掺量大于骨料级配，水胶比和粉煤灰掺量的交互作用对抗压强度和抗折强度影响显著，所有因素之间的交互作用对透水系数的影响均较为显著关键词：透水混凝土；响应面法；水胶比；骨料级配；粉煤灰；抗压强度；抗折强度；透水系数中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：，：，：；人口增长、城镇化建设、自然资源的消耗和气候变化等原因，对人类生活和自然环境产生了诸多不利影响 海绵城市理念的提出，有效解决了发展中的不利影响，是将人工措施同自然途径相结合的新一代雨水管理策略 透水混凝土的多孔结构能够快速排水和蓄水，与海绵城市理念相符合，是海绵城市建设中的关键环节 透水混凝土是一种轻质多孔结构的特殊混凝土，主要由粗骨料、胶凝材料、外加剂和水拌和而成，一般不含细骨料或含有少量细骨料 透水混凝土路面是传统硬质路面的环保替代品之一，具有缓解城市热岛效应、补充地下水、减少城市内涝、削减污染物、净化水质和吸收噪音等优点 由于透水混凝土孔隙率较高，其强度通常低于普通混凝土，在保证透水混凝土能够满足透水要求的前提下，提高其强度成为目前的研究重点透水混凝土的组成材料对其性能影响很大，众多学者开展了透水混凝土配合比研究 陈代果等 研究表明，随着水灰比的增大，透水混凝土的抗压强度先上升后下降，透水系数逐渐下降，最佳水灰比使强度达到最大 透水混凝土的骨料一般选取为单一级配或间断级配，单一级配骨料具有更高的透水性能，间断级配则具有更高的强度但透水性能会有所下降，小粒径骨料制备得到的透水混凝土通常表现出更高的力学性能 为了提高透水混凝土的性能，掺入矿物掺合料是常用的方法 吴等 研究表明，当粉煤灰掺量为 时，透水混凝土达到最大强度且具有更高的抗冻性能；等 研究发现，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度和劈裂抗拉强度均表现为先增大后减小，孔隙率和透水系数均逐渐减小；刘肖凡和 等 研究表明，掺入粉煤灰能够提高透水混凝土的后期强度，对透水性能则产生不利影响当前对于透水混凝土配合比设计方面多采用单因素试验、多因素试验和正交试验，上述试验方法简单快速，但也存在精度不高、预测不佳等缺点为了优化透水混凝土配合比设计，在相关试验和分析中引入统计模型，通常采用响应面法（）进行配合比优化 基于此，本文试验采用响应面法中的 设计，研究水胶比、骨料级配和粉煤灰掺量 个因素对透水混凝土抗压强度、抗折强度和透水系数的影响规律，依据响应面分析和模型图分析讨论因素的影响作用，确定优化目标求解出透水混凝土最佳配合比，为透水混凝土的工程应用提供参考和借鉴 试验方案设计 试验原材料本试验选用的水泥为辽宁山水工源水泥有限公司生产的 级普通硅酸盐水泥；天然骨料为沈阳市附近某石场出产的石灰岩碎石，骨料粒径分为 和 两种规格；粉煤灰采用沈西热电厂生产的 类级粉煤灰；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率约为 ；外加剂采用透水混凝土专用增强剂，为灰色粉末状，含有 等活性物质；试验用水采用实验室自来水 试验方案和试件制备 配合比设计方案在工程领域应用响应面法进行可靠度分析、结构优化等研究较多，近年来开始应用于混凝土和水泥砂浆的配合比优化方面，在透水混凝土配合比优化方面也开展了一些研究 软件是一款强大的专业试验设计软件，其中，中心复合设计（）和 （）设计是目前应用较广泛的响应面设计方法 本文试验研究水胶比、骨料级配和粉煤灰掺量 个因素，在因素数相同时，试验次数要少于 ，且 试验因素水平限制在一定范围内，更具安全性，故本文透水混凝土配合比优化方法采用 设计骨料级配为两种粒径骨料混合，根据前期预试验结果，得到 因素 水平共计 组试验方案 骨料级配 个水平分别为 、和 ，即 粒径骨料与 粒径骨料数量之比，在配合比设计中简化表示为（）、（）、（）；水胶比 个水平分别为 、；粉煤灰掺量 个水平分别为 、透水混凝土配合比的原材料用量根据体积法进行计算，其中粉煤灰掺量为替换水泥质量占比，减水剂掺量为 （胶凝材料质量占比），增强剂掺量为 （胶凝材料质量占比）试件制备与测试试件制备方法为水泥裹石法，即首先加入粗骨料和 水，搅拌 后加入水泥和粉煤灰，搅拌 后加入剩余水和外加剂，搅拌 后出料装模；成型方法为手动插捣成型，分三层装料插捣，插捣过程保证每层插捣到位；用聚乙烯膜覆盖 后脱模，然后将试件放入标准养护箱中养护至规定龄期 图 为透水混凝土试件图 透水混凝土试件 沈阳工业大学学报第 卷本文试验共制备 组试件，试件尺寸为：、三种规格，分别用作抗压强度、抗折强度和透水系数试验 试验方法按照 混凝土物理力学性能试验方法标准 和 透水混凝土 中规定进行测试 试验结果与分析本文试验以试件养护龄期 为准，将抗压强度（）、抗折强度（）和透水系数（）作为响应值，以研究试验因素对透水混凝土力学性能和透水性能的影响 测试得到 组试验方案的结果如表 所示 模型构建与可靠性评估根据试验结果进行多项式拟合，得到响应值与因素间的回归方程，回归方程中仅保留显著项，即 （）（）（）表 试验结果 编号试验因素水胶比（）骨料级配（）粉煤灰掺量（）响应值（龄期 ）抗压强度（）抗折强度（）透水系数（）（）、和 的试验结果方差分析分别如表 所示 方差分析中 值越大，对应的 值就越小，值越小表明模型越显著 由表 可知，、和 三个回归模型的 值均小于 ，表明所建立的模型显著，具有统计学意义；个模型的失拟项所对应的 值均大于 ，表明所得模型拟合精度高，可以较好地描述试验因素与响应值之间的关系个回归模型的拟合统计分析如表 所示 个模型的相关系数、校正相关系数 和预测相关系数 均接近于，且对应的 和 表 回归模型方差分析 （）误差来源值值显著性模型 显著 失拟项 不显著第 期黄志强，等：基于响应面法的透水混凝土配合比优化设计表 回归模型方差分析 误差来源值值显著性模型 显著 失拟项 不显著表 回归模型方差分析 误差来源值值显著性模型 显著 失拟项 不显著之差均小于 ，变异系数 均小于 ，信噪比均远大于 表明回归模型与试验数据十分吻合、预测精确度较高，模型拟合效果良好可用作后续分析优化表 回归模型统计分析 模型 信噪比 响应面分析在响应面分析中，等高线图可以反映出因素之间的交互作用，响应曲面图能够直观地表明不同因素的影响 根据方差分析结果，在响应面分析中因素之间的相互作用只选取显著项进行研究 抗压强度由表 可知，个因素对透水混凝土抗压强度的影响顺序为：骨料级配大于水胶比大于粉煤灰掺量，骨料级配是影响透水混凝土抗压强度的关键因素 水胶比和粉煤灰掺量二者之间交互作用较显著，故模型图分析中固定试验组最佳骨料级配为 图 为水胶比和粉煤灰对抗压强度的影响图 水胶比和粉煤灰对抗压强度的影响 由图 可以看出，随着水胶比的增大，图形变化较为陡峭，表明水胶比对抗压强度影响较显著，随着粉煤灰掺量的增加，响应曲面图的变化较平缓，即粉煤灰掺量对抗压强度影响不显著，符合方差分析结果 由图 、可知，随着水胶比或粉煤灰掺量的增大，抗压强度先上升后下降，当水胶比在 左右，粉煤灰掺量在 之间时，透水混凝土达到最大抗压强度，且随着水胶比的增大，使透水混凝土达到最大抗压强度的粉煤灰掺量也随之增加，这是由于粉煤灰颗粒粒径小、比表面积较大，随着粉煤灰掺量的增加，胶凝材料需水量也随之增加当水胶比过小时，胶凝材料不能充分水化，胶凝浆体流动性较差，无法充分包裹粗骨料，导致骨料间的黏结强度降低，且产生更多孔隙进而引起抗压强度下降；当水胶比过大时，胶凝浆体流动性过大，不能均匀地包裹粗骨料，部分胶凝浆体下沉至试件底部，使试件整体结构强度产生差异，进而导致抗压强度下降 当水胶比在 附近处，胶沈阳工业大学学报第 卷凝材料完全水化且能够充分包裹粗骨料，增强了骨料间的黏结力，从而提高抗压强度在胶凝材料中掺入粉煤灰后，其化学成分中的活性 和 等可以与水泥水化产物 （）发生水化反应，生成水化硅酸钙凝胶（）和水化铝酸钙凝胶（）等，其中 凝胶能够增强胶凝浆体的强度，进而提高透水混凝土的抗压强度 当粉煤灰掺量过多时，水泥占比逐渐减小，水泥水化反应产物 （）消耗量增加而生成量减少，此时过量的粉煤灰无法发生水化反应，只是作为非活性填充料存在，因此 凝胶减少，从而导致抗压强度下降 抗折强度由表 可知，个因素对透水混凝土抗折强度的影响顺序为：骨料级配大于水胶比大于粉煤灰掺量，骨料级配是影响透水混凝土抗折强度的关键因素 水胶比和粉煤灰掺量二者之间交互作用较显著，故模型图分析中固定试验组最佳骨料级配为 图 为水胶比和粉煤灰对抗折强度的影响图 水胶比和粉煤灰对抗折强度的影响 由图 、可知，随着水胶比或粉煤灰掺量的增大，抗折强度先上升后下降，当水胶比在 左右，粉煤灰掺量在 之间时，透水混凝土达到最大抗折强度，且随着水胶比的增大，使透水混凝土达到最大抗压强度的粉煤灰掺量也随之增加，原理同抗压强度分析 由图 可以看出，水胶比的变化对抗折强度影响较大，粉煤灰掺量的变化对抗折强度影响较弱 水胶比和粉煤灰掺量对抗折强度的影响趋势与对抗压强度的影响作用趋同，水胶比和粉煤灰的作用原理和规律同抗压强度分析 透水系数由表 可知，个因素对透水混凝土透水系数的影响顺序为：水胶比大于粉煤灰掺量大于骨料级配，个因素对透水系数的影响均显著，其中水胶比是影响透水系数的关键因素 个交互项（、）均显著，故模型图分析中分别固定对应其他因素，即分析 交互作用时固定粉煤灰掺量为 ，分析 交互作用时固定骨料级配为 ，分析 交互作用时固定水胶比为 图 为因素交互作用对透水系数的影响由图 、可以看出，随着水胶比的增大，透水系数下降明显 由图 、可以看出，随着骨料级配中 粒径骨料占比的增加，透水系数呈现出先上升后下降的趋势，在骨料级配为 附近处，透水混凝土表现出最大透水系数由图 、可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，透水系数逐渐下降 当固定骨料级配为 ，水胶比为 时，粉煤灰掺量由 增大到 ，透水系数下降了 ，在水胶比为 时，粉煤灰掺量由 增大到 ，透水系数下降了 ，表明随着水胶比的增大，粉煤灰掺量增加对透水系数的不利影响增大，这是由于在高水胶比下有更多的粉煤灰发生反应，导致结构更加密实堵塞孔隙进而使透水系数下降；当固定水胶比为 ，骨料级配为 时，粉煤灰掺量由 增大到 ，透水系数下降了 当骨料级配为 时，粉煤灰掺量由 增大到 ，透水系数下降了 ，表明随着 粒径骨料占比的增大，粉煤灰掺量增加对透水系数的不利影响减小，即 粒径骨料占比增加的透水混凝土结构孔隙较大，此时粉煤灰对透水系数的不利影响相对减弱，因此，透水系数下降幅度减小 响应面优化配合比将抗压强度、抗折强度和透水系数均以最大值作为期望目标，个期望目标的重要性均设置为同等重要，试验因素水平为原设计水平范围内通过优化得到满足目标响应值的最佳配合比：水胶比为 ，骨料级配为 ，粉煤灰掺量为 ，此时的期望函数值为 ，接近于，表明预测值具有较高的可靠性第 期黄志强，等：基于响应面法的透水混凝土配合比优化设计图 因素交互作用对透水系数的影响 为方便试验和工程应用，将骨料级配修正为 对优化结果进行验证，试件龄期同上述试验为 ，所测数据如表 所示 根据试验数据可知误差分别为 、和 ，均在 以内，说明此优化设计具有较高的可靠性和精确度，可用作透水混凝土的配合比优化设计 结论本文通过分析得出以下结论：表 响应面优化预测值与实际值 变量抗压强度 抗折强度 透水系数（）预测值 实际值 ）利用 软件中响应面法建立的回归模型，能够较精确表征水胶比、骨料级配和沈阳工业大学学报第 卷粉煤灰掺量 个因素与抗压强度、抗折强度和透水系数 个响应值之间的关系，所建立的回归模型具有较高的可靠性和拟合精度，可用作分析试验因素对透水混凝土各项性能的影响，并进行配合比优化）随着水胶比的增大或粉煤灰掺量的增加，透水混凝土的抗压强度和抗折强度均呈现出先上升后下降的趋势，透水系数逐渐下降；随着骨料级配中 粒径骨料占比的增加，抗压强度、抗折强度和透水系数均表现为先上升后下降）骨料级配是影响透水混凝土抗压强度和抗折强度的关键因素，水胶比、骨料级配和粉煤灰掺量对透水系数影响均显著，其中水胶比对透水系数的影响更为明显；水胶比和粉煤灰掺量的交互作用对抗压强度和抗折强度的影响较显著，随着水胶比的增大，使透水混凝土达到最大强度的粉煤灰掺量随之增加 个因素的交互作用（、）对透水系数的影响均较显著）通过响应面优化的透水混凝土最优配合比参数为：水胶比 、骨料级配 、粉煤灰掺量 此配合比下透水混凝土的抗压强度为 、抗折强度为 、透水系数为 ，与响应面预测模型的预测值误差均小于 ，表明建立的模型准确有效，可为透水混凝土配合比的实际工程应用提供参考参考文献（）：，：，（）：，（）：，：，：，（）：陈代果，付东山 水灰比、孔隙率对透水混凝土性能的影响 西南科技大学学报，（）：（，（）：）周玉玲，明廷臻，万美南 透水混凝土强度及透水性能影响因素研究 中国测试，（）：（，（）：），：，：宋慧，徐多，向君正，等 骨料及水灰比对透水混凝土性能的影响 水利水电技术，（）：（，（）：），（）：，：吴，孟晓宇，刘乳燕，等 粉煤灰透水混凝土的强度与抗冻性能研究 混凝土，（）：（，（）：），：刘肖凡，白晓辉，王展展，等 粉煤灰改性透水混凝土试验研究 混凝土与水泥制品，（）：（，（）：），（）：刘艳，周梅，张凯，等 基于 的自燃煤矸石骨料透水混凝土配比优化研究 矿业科学学报，（）：（，（）：），：（责任编辑：钟媛英文审校：尹淑英）第 期黄志强，等：基于响应面法的透水混凝土配合比优化设计