沉珠復合型高強度砂漿的配合比研究★

李夢苑 謝 雷 陽修荃 宋文澤

(延邊大學工學院土木工程專業，吉林 延吉 133002)

現代技術的不斷發展和時代進步，使得大型化建筑和快速化交通設計成為流行趨勢[1]，因此投入高強度高流動性砂漿的研究才能滿足未來土木工程設計科學化和施工建造精細化的要求。目前國內高強度流動性砂漿主要有灌漿料和自流平砂漿兩種，但灌漿料造價高，并且國內傳統的灌漿料現場配置施工，大部分對于砂漿的使用往往是在施工時僅加入一點減水劑和其余外加劑便投入使用，設施簡陋。自流平外加劑因為試配復雜，并且需要加入纖維素醚和木質纖維等穩定性需要考究的材料，讓自流平砂漿仍然處于理論性階段，投入實際的很少[2]。

為了滿足砂漿的高強度高流動性條件，并且提高砂漿穩定性，此次實驗采用從粉煤灰中提取的沉珠作為主材料。沉珠又名空心玻璃微珠，其連續粒徑分布、球狀可改善砂漿的流變性、增加密實度、有硅灰的活性能夠降低砂漿水化熱，并且與砂漿具有良好的適應性的特點使其適用于本次實驗。本次實驗通過使用Design-Expert軟件進行沉珠復合型砂漿配合比設計并且計算配合比的最佳值[3]。

1 試驗原材料及設計方法

1.1 試驗原材料

本次實驗主要原材料沉珠：采用恒源新材料有限公司，觸變指數[4]8.0比重：2.4 g/cm3～2.6 g/cm3，粒徑0.25 mm～0.35 mm主要化學成分是硅、鋁和鐵的氧化物。其化學成分見表1。

表1 沉珠的化學成分(w/%)

其余材料如下，水泥：采用延吉市某廠家P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，密度為3 150 kg/m3；超細礦粉采用S95級礦渣粉細度400 m2/g；可再分散性乳膠粉采用晴俊化工生產的型號為5610VAE乳膠粉，堆積密度350 g/L；減水劑：上海臣啟化工科技有限公司生產的德國巴斯夫聚羧酸系減水劑，型號為：CQJ-JSSQ2；水：自來水。

1.2 試驗內容及方案設計

實驗外加劑因素有：可再分散性乳膠粉、超細礦粉、沉珠三個因素，采用Design-Expert的響應面設計(Response surface)中的Box-Behnken設計試驗共17組，如表2所示的配合比。

實驗按照水膠比0.45，膠砂比1∶3，減水劑摻率為膠凝體總質量的0.55%的基本要求，如表2所示，用乳膠粉最大4%，超細礦粉最大20%，沉珠最大20%(膠凝體總質量中所占百分比)代替部分水泥稱量各組分，倒入砂漿攪拌器內，攪拌后按標準[5]使用砂漿稠度測定儀測定稠度值(見表2)，并按照制備砂漿試塊，在標準養護條件(溫度(20±2)℃、相對濕度為90%以上)下，按照標準[6]試驗方法測得28 d齡期的抗壓強度值見表2。

表2 實驗數據以及結果

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果及方程

使用Design-Expert軟件得到的可再分散性乳膠粉x，超細礦粉y，沉珠z與強度、稠度之間的回歸模型方程為：

強度=+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 實驗的可靠性分析

2.2.1驗證方程準確性

測驗了前10組，強度方程計算值與實際值相比較相差均不超過3 MPa(見表3)，稠度方程計算得出結果與實際值相差均不超過5 mm(見表4)。

表3 強度方程與實際值的檢驗

表4 稠度方程與實際值的檢驗

2.2.2方程的顯著性分析

F值：模型方差與殘差(誤差)方差比較的檢驗。如果方差接近于相同，則比值將接近于1，并且任何因素對響應有顯著影響的可能性都較小。計算方法為模型均方除以殘差均方。

P值:這個概率等于F分布曲線下的面積在F值之外所占的比例。F分布本身由與被比較的方差相關的自由度決定。

表5中如果Prob>F值非常小(<0.05)，則模型中的terms對響應有顯著影響。表格中的F值與P值相差越遠，表示模型越精確，如果P值等于0．01，則表示99%的概率認為結論是正確的。如果P≤0．05，則可以認為分析結果是可靠的[7]。也就是說P值非常小(<0.05)，則模型中的terms對響應面方程有顯著影響。

表5 回歸方程方差顯著性分析

2.3 稠度分析

稠度模型為簡單的三元一次回歸方程，由方程的線性關系可得：

1)可再分散性乳膠粉和超細礦粉的系數均為正數，因此是兩個因素對于稠度都是正作用，隨著可再分散性乳膠和超細礦粉含量的增加，強度也隨之增長，說明在這兩者的協同作用下，流動性能得到很好的提升。這可能導致的原因是兩種材料的粒徑都比較小，能減少水泥的泌水量，并且能提高保水性。

2)可再分散性乳膠粉的系數遠遠大于超細礦粉，因此可再分散性乳膠粉對于稠度的影響是最大的。

3)沉珠的系數是負值時，對于稠度成負作用。

2.4 強度的3D surface分析

表6 軟件預計各種情況下達到的最大值

圖1～圖3為三因素兩兩組合下對砂漿強度的3D響應面圖，響應面圖顏色越深，表明其影響程度越大[3]。反之，顏色越偏淺，那么影響程度越小。可由圖2看出圖左側在乳膠粉達到最高含量4%時，圖像區域顏色最深也就是強度達到當前情況最大值，說明乳膠粉有利于強度增長。出現這樣的原因可能是可再分散性乳膠粉能提高砂漿和其他材料之間的粘結強度，并且提高保水率。圖2中也同樣能看出在可再分散性乳膠粉與沉珠組合時，沉珠取中間值，乳膠粉取最大值時，強度是最大的。圖案波浪狀，沉珠合適的取值范圍內強度都有提升，但沉珠含量過大或過低均會影響砂漿強度增長。并且由實驗數據顯示在兩種因素的協同作用下能使砂漿的強度達到最大值。圖3沉珠和超細礦粉在共同作用時，對于砂漿的強度增長不明顯。

2.5 最優方案

表6是根據實驗結果以及回歸方程的分析得出模擬結果，可以從中看出對于強度和稠度的不同最佳方案為：

強度最高值為第1組，強度為40.074 9 MPa。

配比為：

可再分散性乳膠粉∶超細礦粉∶沉珠=4∶19∶5.01。

稠度最高值為第6組，稠度104.7 mm。

配比為：

可再分散性乳膠粉∶超細礦粉∶沉珠=4∶17∶0.36。

3 結語

合理的沉珠摻量能提高砂漿強度，但砂漿中加入沉珠會降低流動性，并且最佳配比率下稠度可以達到104.7 mm,28 d抗壓強度能達到40.1 MPa，具有較好的力學性能。