沉珠复合型高强度砂浆的配合比研究★

李梦苑 谢 雷 阳修荃 宋文泽

(延边大学工学院土木工程专业，吉林 延吉 133002)

现代技术的不断发展和时代进步，使得大型化建筑和快速化交通设计成为流行趋势[1]，因此投入高强度高流动性砂浆的研究才能满足未来土木工程设计科学化和施工建造精细化的要求。目前国内高强度流动性砂浆主要有灌浆料和自流平砂浆两种，但灌浆料造价高，并且国内传统的灌浆料现场配置施工，大部分对于砂浆的使用往往是在施工时仅加入一点减水剂和其余外加剂便投入使用，设施简陋。自流平外加剂因为试配复杂，并且需要加入纤维素醚和木质纤维等稳定性需要考究的材料，让自流平砂浆仍然处于理论性阶段，投入实际的很少[2]。

为了满足砂浆的高强度高流动性条件，并且提高砂浆稳定性，此次实验采用从粉煤灰中提取的沉珠作为主材料。沉珠又名空心玻璃微珠，其连续粒径分布、球状可改善砂浆的流变性、增加密实度、有硅灰的活性能够降低砂浆水化热，并且与砂浆具有良好的适应性的特点使其适用于本次实验。本次实验通过使用Design-Expert软件进行沉珠复合型砂浆配合比设计并且计算配合比的最佳值[3]。

1 试验原材料及设计方法

1.1 试验原材料

本次实验主要原材料沉珠：采用恒源新材料有限公司，触变指数[4]8.0比重：2.4 g/cm3～2.6 g/cm3，粒径0.25 mm～0.35 mm主要化学成分是硅、铝和铁的氧化物。其化学成分见表1。

表1 沉珠的化学成分(w/%)

其余材料如下，水泥：采用延吉市某厂家P.O42.5级普通硅酸盐水泥，密度为3 150 kg/m3；超细矿粉采用S95级矿渣粉细度400 m2/g；可再分散性乳胶粉采用晴俊化工生产的型号为5610VAE乳胶粉，堆积密度350 g/L；减水剂：上海臣启化工科技有限公司生产的德国巴斯夫聚羧酸系减水剂，型号为：CQJ-JSSQ2；水：自来水。

1.2 试验内容及方案设计

实验外加剂因素有：可再分散性乳胶粉、超细矿粉、沉珠三个因素，采用Design-Expert的响应面设计(Response surface)中的Box-Behnken设计试验共17组，如表2所示的配合比。

实验按照水胶比0.45，胶砂比1∶3，减水剂掺率为胶凝体总质量的0.55%的基本要求，如表2所示，用乳胶粉最大4%，超细矿粉最大20%，沉珠最大20%(胶凝体总质量中所占百分比)代替部分水泥称量各组分，倒入砂浆搅拌器内，搅拌后按标准[5]使用砂浆稠度测定仪测定稠度值(见表2)，并按照制备砂浆试块，在标准养护条件(温度(20±2)℃、相对湿度为90%以上)下，按照标准[6]试验方法测得28 d龄期的抗压强度值见表2。

表2 实验数据以及结果

2 试验结果与分析

2.1 试验结果及方程

使用Design-Expert软件得到的可再分散性乳胶粉x，超细矿粉y，沉珠z与强度、稠度之间的回归模型方程为：

强度=+31.070 00-7.051 25x-0.155 25y+0.876 00z+0.357 50xy+0.023 750xz-0.040 250yz+1.155 00x2-0.017 300y2-0.037 050z2。

稠度=+91.691 18+2.375 00x+0.243 75y-1.893 75z。

2.2 实验的可靠性分析

2.2.1验证方程准确性

测验了前10组，强度方程计算值与实际值相比较相差均不超过3 MPa(见表3)，稠度方程计算得出结果与实际值相差均不超过5 mm(见表4)。

表3 强度方程与实际值的检验

表4 稠度方程与实际值的检验

2.2.2方程的显著性分析

F值：模型方差与残差(误差)方差比较的检验。如果方差接近于相同，则比值将接近于1，并且任何因素对响应有显著影响的可能性都较小。计算方法为模型均方除以残差均方。

P值:这个概率等于F分布曲线下的面积在F值之外所占的比例。F分布本身由与被比较的方差相关的自由度决定。

表5中如果Prob>F值非常小(<0.05)，则模型中的terms对响应有显著影响。表格中的F值与P值相差越远，表示模型越精确，如果P值等于0．01，则表示99%的概率认为结论是正确的。如果P≤0．05，则可以认为分析结果是可靠的[7]。也就是说P值非常小(<0.05)，则模型中的terms对响应面方程有显著影响。

表5 回归方程方差显著性分析

2.3 稠度分析

稠度模型为简单的三元一次回归方程，由方程的线性关系可得：

1)可再分散性乳胶粉和超细矿粉的系数均为正数，因此是两个因素对于稠度都是正作用，随着可再分散性乳胶和超细矿粉含量的增加，强度也随之增长，说明在这两者的协同作用下，流动性能得到很好的提升。这可能导致的原因是两种材料的粒径都比较小，能减少水泥的泌水量，并且能提高保水性。

2)可再分散性乳胶粉的系数远远大于超细矿粉，因此可再分散性乳胶粉对于稠度的影响是最大的。

3)沉珠的系数是负值时，对于稠度成负作用。

2.4 强度的3D surface分析

表6 软件预计各种情况下达到的最大值

图1～图3为三因素两两组合下对砂浆强度的3D响应面图，响应面图颜色越深，表明其影响程度越大[3]。反之，颜色越偏浅，那么影响程度越小。可由图2看出图左侧在乳胶粉达到最高含量4%时，图像区域颜色最深也就是强度达到当前情况最大值，说明乳胶粉有利于强度增长。出现这样的原因可能是可再分散性乳胶粉能提高砂浆和其他材料之间的粘结强度，并且提高保水率。图2中也同样能看出在可再分散性乳胶粉与沉珠组合时，沉珠取中间值，乳胶粉取最大值时，强度是最大的。图案波浪状，沉珠合适的取值范围内强度都有提升，但沉珠含量过大或过低均会影响砂浆强度增长。并且由实验数据显示在两种因素的协同作用下能使砂浆的强度达到最大值。图3沉珠和超细矿粉在共同作用时，对于砂浆的强度增长不明显。

2.5 最优方案

表6是根据实验结果以及回归方程的分析得出模拟结果，可以从中看出对于强度和稠度的不同最佳方案为：

强度最高值为第1组，强度为40.074 9 MPa。

配比为：

可再分散性乳胶粉∶超细矿粉∶沉珠=4∶19∶5.01。

稠度最高值为第6组，稠度104.7 mm。

配比为：

可再分散性乳胶粉∶超细矿粉∶沉珠=4∶17∶0.36。

3 结语

合理的沉珠掺量能提高砂浆强度，但砂浆中加入沉珠会降低流动性，并且最佳配比率下稠度可以达到104.7 mm,28 d抗压强度能达到40.1 MPa，具有较好的力学性能。