橡胶微粒路面水泥混凝土配比正交试验分析.docx
《橡胶微粒路面水泥混凝土配比正交试验分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《橡胶微粒路面水泥混凝土配比正交试验分析.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
橡胶微粒路面水泥混凝土配比正交试验分析
橡胶微粒路面水泥混凝土配比
正交试验分析
指导老师：
范
学生姓名：
陈
专业班级：
材料工程
摘要
道路工程中，在水泥混凝土里掺入适量的橡胶颗粒，可有效改善水泥混凝土的韧性、抗冲击性能，此外，这种掺入橡胶的水泥混凝土还具有轻质、模量低和吸收噪声的特点。
针对橡胶微粒混凝点所独有的特性，其配合比设计与普遏混凝土有较大区剐。
本文通过一个四因素三水平正交试验,在橡胶微粒路面水泥混凝土配比方案中选出最佳配比方案，确定四个主因素参数，即水灰比为0.4，坍落度为40mm，砂率为34％，胶粒粒径2～3mm。
在整过分析过程中，通过结合计算机技术完成整过正交试验数据的处理分析等工作，并给出了直观分析法中相关数据的趋势线图等等。
关键词：
橡胶微粒，混凝土,正交试验设计，直观分析法，方差分析法
目录
1.绪论1
1.1橡胶微粒混凝土的研究意义1
1.2正交试验的原理3
1.2.1正交试验设计方法3
1.2.2正交试验的优点4
1.2.3正交试验的直观分析法6
1.2.4正交试验的方差分析法6
2.橡胶微粒路面水泥混凝土配比正交试验分析6
2.1正交试验设计6
2.2正交试验结果及数据8
2.3正交实验结果分析8
2.3.1多指标正交直观分析9
2.3.2正交试验方差分析15
3.结论18
参考文献20
致谢21
1.绪论
1.1橡胶微粒混凝土的研究意义
随着汽车工业的迅速发展，轮胎产量呈现出快速增长的趋势，相应的废旧轮胎产生量也逐年增多。
2006年我国轮胎生产趋势虽然有所放缓，但也达到了4．33亿条，较2005年增长15％，我国轮胎翻新量仅为每年400-450万条，约为新轮胎产量的3％和废旧轮胎产量的10％，且目前翻新胎以斜交胎为主，全钢丝胎的翻新刚刚起步，翻新量仅为几十万条，子午胎中比重最大的半钢丝胎翻新几乎为零。
据有关统计，2005年我国汽车保有量为3300万辆，废旧轮胎产生量约为1.2亿条。
预计到2010年，我国的汽车保有量将达到7000万辆，废旧轮胎的产生量将达到两亿条。
2006年，我国轮胎翻新量虽已达到950万条，但轮胎翻新的总量只占新胎总产量的4％以下，仍远低于发达国家的水平。
换言之，每年我国都将产生大量的废旧轮胎，并呈逐年增多之势，废旧轮胎大量的产生和总量的持续增长使得废旧轮胎处理成为一个日益令人关注的产业。
如果废旧轮胎处理不当，会造成严重的环境污染和资源浪费。
如何处理日益增加的废旧橡胶，已成为一个全球共同关注的问题[2]。
目前处理废旧橡胶的方式主要有以下三种：
堆积填埋、焚烧和回收利用。
橡胶在常温下是一种高分子固体材料，不溶于水，难溶于有机溶剂，难于腐蚀、不易降解。
对其进行堆积和填埋，橡胶的固体形态难以破坏，随着时间的延长，堆积填埋地会成为蚊子的孳生场所，不但污染环境、传染疾病，而且容易引起火灾；将废旧橡胶作为燃料焚烧，可以产生较多热量，但会造成严重的大气污染。
回收利用是一种比较好的处理方式，既可以减少环境污染，也能节约资源。
国内在橡胶的综合回收和加工利用方面尚处于初期，因此大多数废旧橡胶只能露天堆放，得不到合理有效利用。
目前，我国对废旧轮胎的主要处理方式包括轮胎翻新、生产再生胶、生产胶粉三种。
此外，热裂解作为从最终途径上完成轮胎资源的循环利用方式，已经在我国局部地区开始应用。
但废旧橡胶的总体利用率仍不足20％，而且轮胎翻新和再生橡胶生产过程中使用的脱硫工艺污染大、能耗高，不利于环保。
因此，如何合理有效回收利用废旧橡胶，我们研究人员需要共同关注的课题。
目前，废旧橡胶粉在沥青混凝土路面中有一定的应用，在水泥混凝土路面的应用很少。
用胶粉改性沥青铺设的路面，耐久性比较好，产生的裂纹少，耐候性好，遇严寒天气不易结冰。
1991年，美国国会通过了陆上综合运输经济法案（ISTEA），其中第1038款要求：
从1994年起，凡使用联邦经费的热拌沥青混合料必须拿出5％的经费用于废旧橡胶改性沥青，以后逐年增加5％，至1997年达到20％。
国内也开展了对橡胶改性沥青混凝土的研究，并有工程应用实例。
1982至1986年，江西省和四川省用胶粉改性沥青试铺了几段路面，使用后发现改性沥青材料在降低光线反射、减少路面裂缝、提高路面热稳定性等方面均有良好效果。
1994年，沈阳市在五爱路至浑河大坝间试铺了30000m2的胶粉改性沥青路面，经过多年的高负荷运行考验，效果良好。
1995年，北京路翔技术发展有限责任公司用胶粉和聚乙烯复合改性沥青，在北京小红门和广东韶关地区的323国道上试铺了4km的路面，使用效果良好。
但是，废旧橡胶改性沥青的施工工艺复杂，需要的胶粉一般要达到60目以上才有改性效果，投资成本高，且掺量比较小，一般不大于沥青用量的20％，能消化利用的废旧轮胎较少。
与橡胶改性沥青混凝土相比，橡胶改性水泥混凝土具有以下优势：
（1）施工工艺简单；
（2）投资相对较小，掺加的橡胶仅需粗加工即可；（3）消化吸收废旧轮胎的数量较大，文献中最大的橡胶掺量己达240kg／m3；（4）改善了水泥混凝土的性能，橡胶混凝土具有较好的韧性、抗开裂性能，密度较小。
在路用水泥混凝土中掺加橡胶微粒，可以提高混凝土路面的韧性，增强路面吸能耗能的能力，起到减震降噪的效果，用于城市道路可降低城市交通的噪音污染；可以改善路面抗疲劳、抗撕裂、耐磨等方面的性能，改善轮胎和路面间的摩擦性能；可以大量消化利用废旧橡胶，减少其对环境的污染。
因此，研究橡胶混凝土的性能，对于降低道路的噪音污染，减少废旧橡胶的环境污染，以及改善水泥混凝土路面的使用性能都具有重要意义。
1.2正交试验的原理
正交试验设计是利用规格化的正交表，恰当的设计出试验方案和有效的分析实验结果，提出最优配方和工艺条件，并进而设计出可能更优秀的试验方案的一种科学方法[3]。
1.2.1正交试验设计方法
正交试验设计是多因素的优化实验设计方法，也称为正交设计，一般是从实验的全部样本点中挑选出部分有代表性的样本点进行实验，利用这些代表点所做的实验能够反映出每个因素各个水平对实验结果的影响。
由于这些代表点具有正交性，因此称这组实验为正交试验。
挑选正交的样本点，安排正交试验的过程，称为正交试验设计。
正交试验一般用正交表（orthogonalarray）来安排实验，表1为4因素（factor）、3水平（1eVel）的正交表，记为LM（QN）=L9（34），其中L代表正交表，M表示要做M次实验；QN表示有N个因素，每个因素有Q个水平。
表中每一纵列代表同一因素的不同水平；每一横行代表要运行的一次实验，实验完成后，将实验结果（yi）写在右侧[4]。
表1L9（34）的正交表
试验次数
因素
A
B
C
D
结果
1
1
1
1
1
y1
2
1
2
2
2
y2
3
1
3
3
3
y3
4
2
1
2
3
y4
5
2
2
3
1
y5
6
2
3
1
2
y6
7
3
1
3
2
y7
8
3
2
1
3
y8
9
3
3
2
1
y9
1.2.2正交试验的优点
正交试验法，也称为正交试验设计法，就是一种多快好省地安排和分析多因素试验的科学方法。
它是应用正交性原理，从大量的试验中挑选适量的具有代表性、典型性的试验点，根据“正交表”来合理安排试验的一种科学方法。
而利用正交表来安排实验，其优点是明显的：
（1）减少实验次数．对于上述实验，如果要进行全面实验共需要34=81次实验，而按照正交表的安排只需要9次实验——只需要部分实验即可。
图1L4（23）的空间模型
（2）样本点分布的均衡性．在正交表的每一列中，不同数字出现的次数相等，且都为M／Q次；将任意两列中同一行的两个数字看成有序数对，则每种数对出现的次数相等，都为M/Q2次。
正交试验设计中样本点的均衡性可以通过图1所示的L9（34）的空间模型来进一步说明。
图中每个轴线代表一个因素，正方体的8个顶点代表了全面实验的8个实验点，用正交表确定的4个样本点（黑点所示）均衡散布其中．具体来说，1）正方体每个面4个顶点中恰有2个点是样本点；2）每条棱上2个顶点中恰有1个是样本点；3）分别沿轴线方向投射，在映射面上样本点恰好完全遍布其中．这些特点适应于一般情况。
1.2.3正交试验的直观分析法
综合平衡法师先对每个指标分别进行直观分析，得到每个指标的影响因素主次顺序和最佳水平组合，然后根据理论知识和实际经验，对对各指标的分析结果进行综合比较和分析，得出最优方案。
综合评分法是根据各个指标的重要程度，对得出的试验结果进行分析，给每个试验评出一个分数，作为这个实验的总指标，显然根据这个总指标，利用单指标实验结果的直观分析法进一步的分析，确定较好的实验方案。
1.2.4正交试验的方差分析法
直观分析法虽具有简单、直观、计算量较少的优点,但其不能给出误差大小的估计。
因此，也就不能知道精确的结果。
方差分析可以弥补直观分析的不足之处。
对于正交试验多因素的方方差分析，先计算出各因素和误差的离差平方和，然后求出自由度、均方、F值，最后检验F值。
2.橡胶微粒路面水泥混凝土配比正交试验分析
2.1正交试验设计
在水泥混凝土路面配合比设计过程中，单方混凝土用水量是一项重要指标，它不仅影响混凝土的工作性能，而且影响混凝土的力学性能。
混凝土的用水量主要由混凝土设计水灰比、坍落度、砂率决定，因此本试验路面混凝土以水灰比、坍落度、砂率、胶粒微粒种类为4个主要因素，并在满足浇筑混凝土施工、一级以上公路要求的前提下，设计一个四因素三水平试验。
通过测试混凝土的工作性能和强度，最终确定一种较为合适的基准配合比设计方案[5]。
正交试验设计见表2。
表2正交实验设计方寨
因素
水灰比
坍落度（mm）
砂率（％）
胶粒微粒（mm）
1
0.40
20
32
1～2
2
0.40
40
34
2～3
3
0.40
60
36
2～4
4
0.42
20
34
2～4
5
0.42
40
36
1～2
6
0.42
60
32
2～3
7
0.44
20
36
2～3
8
0.44
40
32
2～4
9
0.44
60
34
1～2
表3正交试验配合比
原料
不同实验组配合比（kg/m3）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
水泥
337.6
353.3
369
321.2
336.2
343.8
306.6
313.8
328.1
水
135.1
141.3
147.6
134.9
141.2
144.4
134.9
138.1
144.4
石子
1371.1
1311.2
1250.4
1339
1279.4
1350
1306.4
1380.2
1319.3
砂
516.2
540.4
562.5
551.2
575.6
508.4
587.8
519.4
543.6
橡胶
30.68
33.14
37.14
36.46
34.21
31.18
36.04
34.3
32.31
减水剂
2.53
2.65
2.77
2.41
2.52
2.58
2.3
2.35
2.46
2.2正交试验结果及数据
表4新拌混凝土正交试验结果
因素
水灰比
坍落度
砂率
胶粒微粒
表观密度
含气量
（mm）
（％）
（mm）
（kg/m3）
（％）
1
0.4
20
32
1～2
2280
5.1
2
0.4
40
34
2～3
2300
3.7
3
0.4
60
36
2～4
2270
4.6
4
0.42
20
34
2～4
2280
4.8
5
0.42
40
36
1～2
2240
5.5
6
0.42
60
32
2～3
2230
3.9
7
0.44
20
36
2～3
2290
3.9
8
0.44
40
32
2～4
2300
4
9
0.44
60
34
1～2
2260
5.1
表5混凝土强度试验结果
因素
水灰比
坍落度
砂率
胶粒微粒
3d强度
7d强度
28d强度
（mm）
（％）
（mm）
Mpa
Mpa
Mpa
1
0.4
20
32
1～2
34.9
43.5
49.5
2
0.4
40
34
2～3
35.2
43.6
55.3
3
0.4
60
36
2～4
34.1
42.2
52.1
4
0.42
20
34
2～4
33.1
42.2
52.5
5
0.42
40
36
1～2
27.7
35.4
42.7
6
0.42
60
32
2～3
32.1
40.1
48.4
7
0.44
20
36
2～3
32.6
40.9
47.6
8
0.44
40
32
2～4
33.1
41.4
45.7
9
0.44
60
34
1～2
26.4
33.2
38.4
2.3正交实验结果分析
2.3.1多指标正交直观分析
通过对试验数据进行多指标正交直观分析，发现三个指标与因素参数之间的关系：
（1）表观密度
由表4结合正交实验各组的因素水平，橡胶混凝土的表观密度在等胶粒取代掺量前提下主要受橡胶微粒粒径的影响，在胺粒粒径为l～2mm时，混凝土的表观密度仅为2260kg／m3，而线胶粒粒径为2～3mm时，其表观密度最大，达到2297kg／m3，由此可知，当掺入2～3mm胶粒时，混凝土中各种物料级配比达到最佳，相对堆积紧密。
此外，混凝土表观密度还受到砂率的影响，程较大的砂率下，胶粒取代砂的体积将会增大，混凝土的表观密度则随之减小。
（2）含气量
混凝土的含气量在一定程度上影响混凝土的工作性能和强度，尤其对路面混凝土的耐久性、降噪、抗渗性有较大影响。
表4是各组正交实验的含气量情况。
结合正交设计各实验因素承平分析可知，橡胶混凝土的含气量主要受胶粒品种的影响，其中掺加l～2mm胶粒时含气量最大，而添加2～3mm胶粒时的含气量最小。
橡胶微粒作为一种弹性集料加入混凝土，混凝土内部的含气量则直接影响橡胶微粒周围过度区域的强度，从而影响混凝土的整体强度，因此，实验结果以含气量较低的2～3mm橡胶微粒为好。
（3）强度
表5是橡胶微粒混凝土试块的3d、7d、28d抗压强度，结合正交实验各组因素水平，发现橡胶混凝土试块的3d、7d强度主要由水灰比和胶粒种类决定，其影响力远大于其他因素，而28d强度显示，水灰比是决定混凝土强度的主要因素，其影响力远大于胶粒种类。
在强度分析的基础上，橡胶微粒混凝土强度主要受水灰比的影响，在橡胶微粒混凝土配合比设计时应尽量选择较小的水灰比。
表6新拌混凝土正交试验数据分析结果
因素
水灰比
坍落度
砂率
胶粒微粒
表观密度
含气量
[A]
[B]（mm）
[C]（％）
[D]（mm）
（kg/m3）
（％）
1
0.4
20
32
1～2
2280
5.1
2
0.4
40
34
2～3
2300
3.7
3
0.4
60
36
2～4
2270
4.6
4
0.42
20
34
2～4
2280
4.8
5
0.42
40
36
1～2
2240
5.5
6
0.42
60
32
2～3
2300
3.9
7
0.44
20
36
2～3
2290
3.9
8
0.44
40
32
2～4
2300
4
9
0.44
60
34
1～2
2260
5.1
表观密度
K1
6850.0
6850.0
6880.0
6780.0
K2
6820.0
6840.0
6840.0
6890.0
K3
6850.0
6830.0
6800.0
6850.0
k1
2283.3
2283.3
2293.3
2260.0
T=20520
k2
2273.3
2280
2280
2296.7
k3
2283.3
2276.7
2266.7
2283.3
△R
30
20
80
110
含气量
K1
13.4
13.8
13.0
15.7
K2
14.2
13.2
13.6
11.5
K3
13.0
13.6
14.0
13.4
k1
4.47
4.60
4.33
5.23
T=40.6
k2
4.73
4.40
4.53
3.83
k3
4.33
4.53
4.67
4.47
△R
1.20
0.60
1.00
4.20
图2新拌混凝土表观密度正交试验结果分析趋势图
图3新拌混凝土含水量正交试验结果分析趋势图
表7混凝土强度正交试验数据分析结果
因素
水灰比
[A]
坍落度
砂率
胶粒微粒
3d强度
7d强度
28d强度
[B]（mm）
[C]（％）
[D]（mm）
Mpa
Mpa
Mpa
1
0.4
20
32
1～2
34.9
43.5
49.5
2
0.4
40
34
2～3
35.2
43.6
55.3
3
0.4
60
36
2～4
34.1
42.2
52.1
4
0.42
20
34
2～4
33.1
42.2
52.5
5
0.42
40
36
1～2
27.7
35.4
42.7
6
0.42
60
32
2～3
32.1
40.1
48.4
7
0.44
20
36
2～3
32.6
40.9
47.6
8
0.44
40
32
2～4
33.1
41.4
45.7
9
0.44
60
34
1～2
26.4
33.2
38.4
3d强度
K13d
34.7
33.5
33.4
29.7
K23d
31.0
32.0
31.6
33.3
K33d
30.0
30.9
31.5
33.4
k13d
11.6
11.2
11.1
9.90
T3d=289.2
k23d
10.3
10.7
10.5
11.1
k33d
10.2
10.3
10.5
11.1
△R3d
4.00
2.70
1.90
3.80
7d强度
K17d
43.1
42.2
41.7
37.4
K27d
39.2
40.1
39.7
41.5
K37d
38.5
38.5
39.5
41.9
k17d
14.4
14.1
13.9
12.5
T7d=362.5
k27d
13.1
13.4
13.2
13.8
k37d
12.8
12.8
13.2
14.0
△R7d
4.60
3.70
2.20
4.60
28d强度
K128d
52.3
49.9
47.9
43.5
K228d
47.9
47.9
48.7
50.4
K328d
43.9
46.3
47.5
50.1
k128d
17.4
16.6
16.0
14.5
T28d=432.2
k228d
16.0
16.0
16.2
16.8
k328d
14.6
15.4
15.8
16.7
△R28d
8.40
3.60
1.30
6.90
图4混凝土三天强度正交试验结果趋势图
图5混凝土七天强度正交试验结果趋势图
图6混凝土二十八天强度正交试验结果趋势图
2.3.2正交试验方差分析
（1）离差平方和
T表观密度=
=2280+2300+…+2260=20520
（1）
T含气量=
=5.1+3.7+…+5.1=40.6
（2）
Q表观密度=
=22802+23002+…+22602=4678000.0（3）
Q含气量=
=5.12+3.72+…+5.12=186.6（4）
P表观密度=T2表观密度/n=205202/9=46785600.0（5）
P含气量=T2含气量/n=40.62/9=183.2（6）
（2）所以总离差平方和：
SST表观密度=Q表观密度-P表观密度=46789000.0-6785600.0=3400.0（7）
SST含气量=Q含气量-P含气量=168.6-83.2=3.4（8）
SSA表观密度=（6850.02+6820.02+6850.02）/3-P表观密度=200.0（9）
SSB表观密度=（6850.02+6840.02+6830.02）/3-P表观密度=66.7（10）
SSC表观密度=（6880.02+6840.02+6800.02）/3-P表观密度=1066.7（11）
SSD表观密度=（6780.02+6890.02+6850.02）/3-P表观密度=2066.7（12）
SSA含气量=（13.42+14.22+13.02）-P含气量=0.2（13）
SSB含气量=（13.82+13.22+13.62）-P含气量=0.1（14）
SSC含气量=（13.02+13.62+14.02）-P含气量=0.2（15）
SSD含气量=（15.72+11.52+13.42）-P含气量=2.9（16）
（3）计算自由度
总自由度：
dfT=n-1=9-1=8（17）
各因素自由度：
dfA=dfB=dfC=dfD=r-1=3-1=2（18）
（4）计算均方
MSA表观密度=SSA表观密度/dfA=200.0/2=100.0（19）
MSB表观密度=SSB表观密度/dfB=66.7/2=33.3（20）
MSC表观密度=SSC表观密度/dfC=1066.7/2=533.3（21）
MSD表观密度=SSD表观密度/dfD=200.0/2=1033.3（22）
MSA含气量=SSA含气量/dfA=0.2/2=0.1（23）
MSB含气量=SSB含气量/dfB=0.1/2=0.05（24）
MSC含气量=SSC含气量/dfC=0.2/2=0.1（25）
MSD含气量=SSD含气量/dfD=2.9/2=1.5（26）
（5）计算F值
由于不存在空列，则F值即为均方值：
FA表观密度=MSA表观密度=100.0（27）
FB表观
升级会员 