外加剂对预拌砂浆的正交试验研究

朱雪峰，张楼，刘小全

（南京益夫新材料科技有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

外加剂作为预拌砂浆重要的组成部分， 能够显著改善预拌砂浆的性能。 外加剂[1]按其功能可分为减水剂、保水剂、引气剂、缓凝剂等。 纵观预拌砂浆研究现状，发现研究多集中在不同品种[2]不同掺量[3-4]外加剂对预拌砂浆的性能影响，而对几种外加剂综合影响预拌砂浆的性能研究较少。 基于此，文章设计了减水剂、保水剂、引气剂在不同掺量下的三因素三水平正交试验，分析了预拌砂浆的表观密度、保水性和立方体抗压强度。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥采用安徽海螺水泥股份有限公司生产的P·O 42.5 水泥，主要化学成分组成见表1。

表1 水泥的化学成分组成单位：%

粉煤灰采用马鞍山第二发电厂生产的F 类Ⅱ级粉煤灰，45 μm 筛筛余量为24.7%， 需水量比为102%，活性指数为76%，化学成分组成见表2。

表2 粉煤灰化学成分组成单位：%

砂为机制砂，母岩为石灰岩，细度模数2.7，石粉含量3.4%。

减水剂为粉剂聚羧酸减水剂，减水率≥20%。

保水剂为羟丙基甲基纤维素 （HPMC）， 黏度100 000 mPa·s。

引气剂为α-烯基磺酸钠。

水为自来水。

1.2 试验方法

控制砂浆稠度90~100 mm。 砂浆的搅拌、制备及性能按JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行，分别测试砂浆的稠度、表观密度、保水性、立方体抗压强度。

1.3 正交试验方案设计

本试验主要针对不同外加剂掺量对水泥基材料的性能影响进行研究， 其基准配合比为水泥∶粉煤灰∶砂=0.12∶0.08∶0.8。 选用三因素三水平正交试验表，见表3，以减水剂、保水剂、引气剂为因素，考察指标为用水量、表观密度、保水率、立方体抗压强度，试验安排与配合比见表4。

表3 正交试验因素水平单位：‰

表4 正交试验方案设计

2 结果与分析

2.1 试验结果

外加剂对预拌砂浆性能影响的试验结果如表5 所示。 从表5 可知，Z1 组保水率低于GB/T 25181—2019《预拌砂浆》中要求，Z2~Z9 组指标均符合标准要求。其中，Z5 组抗压强度明显高于其他组， 该组的减水剂掺量为0.10‰， 保水剂掺量为0.10‰，引气剂掺量为0.06‰。

表5 预拌砂浆正交试验结果

2.2 表观密度试验结果分析

基于正交试验结果进行单指标极差分析，分别计算每一个影响因素不同水平下的试验结果。表观密度的极差分析结果如表6 所示。

表6 表观密度极差分析单位：kg/m3

由表6 可知，三种外加剂对于表观密度的影响顺序为引气剂＞保水剂＞减水剂。 同时，预拌砂浆的表观密度都随着引气剂、保水剂和减水剂掺量的增加而降低。 掺入引气剂后，砂浆会在搅拌过程中引入大量均匀、稳定的微小气泡，因而可以明显降低砂浆的表观密度，这也与试验结果相符。 掺入保水剂后，HPMC 吸水膨胀，导致大孔数量增加，也起到了稳泡作用[5]，因而保水剂掺量越高，表观密度越低。掺入减水剂后，在保证砂浆稠度的前提下，降低了砂浆的用水量，从而提升了砂浆的黏度[6]，提升了砂浆含气量[7]，因而减水剂掺量增加，砂浆的表观密度降低。

2.3 保水率试验结果分析

保水率的极差分析结果如表7 所示，由表7 可知，三种外加剂对表观密度的影响顺序为保水剂＞减水剂＞引气剂。 同时，砂浆的保水率都随着保水剂、减水剂和引气剂掺量的增加而增加。

表7 保水率极差分析单位：%

掺入保水剂后， 可显著提升砂浆的保水率，这是由于HPMC 的吸附特性所致，HPMC 吸水后膨胀形成胶体膜结构，改变了新拌水泥浆体孔壁表面结构，与水化产物一起缩小或堵塞了水分的传输通道，提升了砂浆的保水性，同时保水剂掺量越高，保水率越高。掺入减水剂后，降低了砂浆的用水量，提升了砂浆的黏度，因而减水剂掺量越高，砂浆保水率越高。 掺入引气剂后，引入了大量均匀稳定的微小气泡，有助于提升砂浆的均匀性，降低了水分从砂浆中离析出来的速度[8]，因而砂浆的保水率随着引气剂的增加逐渐增加。

2.4 抗压强度结果分析

抗压强度的极差分析结果如表8 所示，由表8可知， 三种外加剂对抗压强度的影响顺序为引气剂＞保水剂＞减水剂。 同时，砂浆的抗压强度随着引气剂掺量的增加而降低，随着保水剂、减水剂掺量的增加先增加后降低。

表8 抗压强度极差分析单位：MPa

掺入引气剂后，砂浆的含气量增加，降低了砂浆的密实度，强度随之下降[9]。 掺入保水剂后，提升了砂浆的保水性和均匀性， 因而在一定范围内，保水剂掺量增加，强度略微增加，但随着HPMC 掺量的提高，气孔增多，强度也会随之下降。掺入减水剂后，在保持砂浆稠度不变的前提下，随着减水剂掺量的增加，用水量减小，表现出强度上升，但由于保水剂和引气剂的综合作用， 减水剂掺量继续增加，砂浆表观密度降低，强度因而降低。

综合上述几个指标， 对减水剂和引气剂掺量，取水平2 较优，保水剂掺量取水平1，因此要得到性能指标较优的砂浆，建议最佳组合为A2B1C2。

3 结论

（1）在试验因素所取水平范围内，对表观密度的影响顺序为引气剂＞保水剂＞减水剂。 对保水率的影响顺序为保水剂＞减水剂＞引气剂。 对强度的影响顺序为引气剂＞保水剂＞减水剂。

（2）综合几个指标，得到较优砂浆性能指标的最佳组合为A2B1C2，即减水剂掺量0.10‰，保水剂掺量0.10‰，引气剂掺量0.06‰。