裝配式灌溉渠道砂漿配合比優化試驗研究

2020-12-28 05:59:18關健

水利科學與寒區工程 2020年6期

關健

(新民市農業技術推廣與行政執法中心,遼寧沈陽 110300)

裝配式渠道是一種有利于農業發展的重要灌溉工程措施，具有施工工期短、防滲效果好、建設成本低、抗外力性能好等諸多優勢[1]。顯然，要發揮上述優勢，尋找一種裝配式渠道用砂漿十分重要。傳統砂漿的膠凝材料為水泥，用于填充砂子的孔隙。相對于砂子這一傳統的骨料，硅粉顆粒更為細小，可以有效填充水泥顆粒之間的孔隙，從而形成更為致密的結構[2]。同時，在砂漿凝固過程中，砂漿中的水泥首先水化生成氫氧化鈣，然后再和硅粉的主要成分二氧化硅產生二次反應，生成CSH凝膠，從而大幅改善砂漿的性能。此外，偏高嶺土中的氧化鋁和二氧化硅可以和水泥水化生成的氫氧化鈣反應，生成具有微膨脹性能的鈣礬石，使砂漿中的孔隙率進一步減小，進而大幅改善砂漿性能[3]。基于此，本次研究在傳統砂漿的基礎上，加入硅粉和偏高嶺土，通過試驗研究的方式，尋找一種強度和抗滲等級分別為M10和P8的砂漿，以滿足裝配式小型輸水渠道建設需求。

1 試驗方案設計

1.1 試驗原料

本次試驗試驗用水泥為鐵嶺市鐵新水泥有限公司生產的鐵新牌P·O 32.5型普通硅酸鹽水泥。其初凝和終凝時間分別為140 min和270 min，3 d和28 d抗壓強度分別為18.6 MPa和38.2 Mpa，3 d和28 d抗折強度分別為4.1 MPa和7.4 MPa；試驗用砂為普通河沙，細度模數為2.5，密度為1400 kg/m3；研究中選用硅粉為挪威艾肯公司出品的920U的半加密硅粉，粒徑為0.1～0.15 μm；試驗用偏高嶺土為南通征儀化工有限公司出品的高嶺土，其平均粒度為12 μm；試驗用減水劑為蘇博特有限公司生產的PCA?(I)聚羧酸高效減水劑；本次試驗用水為普通自來水。

1.2 試驗方案設計

本次試驗按照正交試驗方法設計，其基本設計思路是按照傳統砂漿的基準配合比設置固定水灰比，然后內摻硅粉和偏高嶺土，并等量替代砂漿中的膠凝材料，并適當改變砂漿的灰砂比[4]。因此，試驗中選取三個因素，分別是灰砂比(A)、硅粉(B)和偏高嶺土(C)的摻量。結合相關研究成果，灰砂比選擇1∶3(A1)、1∶4(A2)、1∶5(A3)三個因素水平；硅粉摻量選擇5.0%(B1)、7.0%(B2)、9.0%(B3)三個因素水平；偏高嶺土摻量選擇1.0%(C1)、3.0%(C2)、5.0%(C3)三個因素水平。正交試驗設計方案如表1所示。

1.3 試驗過程

試件的制作以表1設定的9組正交試驗方案進行，每組試驗制作6個試件，共54個試件。試件制作的模具尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的長方體鋼模。目前，在砂漿試件制作方面的成型方法主要有插搗、振動、壓力和振壓等四種常用的成型方法[5]。通過對上述四種方法的特征對比，結合本次試驗的目的和要求，確定采用振動臺振動成型法進行試件制作，搗振時間控制在15 s以內。脫模后的試件在標準養護條件下養護至相應的齡期，然后進行后續實驗。

表1 正交試驗方案

1.4 試驗方法

當試件養護至3 d、7 d和28 d時進行抗壓強度測試，測試采用電液壓力試驗機進行測試。將三個試件的測試結果均值的1.3倍作為抗壓強度均值。試驗中采用抗滲標號法進行試件的滲透性能測試，測試采用自動加壓砂漿滲透儀[6]。試驗中的上限水壓和下限水壓分別設置為4.0 MPa和0.2 MPa。在試驗過程中，將儀器逐漸增壓至0.2 MPa，然后每隔1h增加0.1 MPa的水壓力，當試塊頂面滲水時停止試驗，并將此時的壓力值作為抗滲指標等級。

2 試驗結果與分析

2.1 最佳配合比的確定

按照上述試驗方法，對9組試件在不同齡期的抗壓強度和抗滲壓力進行測試，獲得如表2所示的結果。

表2 試驗結果統計表

由表中的試驗數據可知，試件的抗壓強度值隨著灰砂比的增加呈現出先增大后減小的趨勢。具體而言，當試件的灰砂比由1∶3增大到1∶4時，不同齡期的試件抗壓強度均有一定的增加，而灰砂比繼續增大到1∶5時，各齡期試件的抗壓強度值均有明顯的下降。由此可見，灰砂比為1∶4時有利于提高砂漿的抗壓強度。從抗滲壓力來看，隨著灰沙比的增加，砂漿的抗滲能力不斷減小，并且減小幅度不斷增大。由此可見，隨著灰砂比的增加，砂漿的抗滲性明顯減弱，當灰砂比為1∶3時可以獲得較高的抗滲性能。綜上，從抗壓強度的視角來看，A2優于A1；從抗滲壓力的視角來看，A1優于A2。在實際施工過程中，會采取措施進行防滲處理，以提高渠道的防滲能力，因此抗壓強度的需求更為重要。所以，為了獲得強度更高的砂漿，應該選擇A2。

由表中的試驗數據可知，砂漿的抗壓強度會隨著硅粉摻量的增加而增大，也就是硅粉的摻量越高，砂漿的抗壓強度越強。因此，從抗壓強度視角來看，硅粉的適宜摻量為9%；砂漿的抗滲壓力與抗壓強度類似，隨著硅粉摻量的增加而增大，也就是硅粉的摻量越高，砂漿的抗滲壓力越大。因此，從抗滲壓力視角來看，硅粉的適宜摻量為9%。綜上，硅粉的最佳因素水平應該為B3，也就是適宜摻量為9%。

由表中的試驗數據可知，砂漿的抗壓強度和抗滲壓力的變化和偏高領土摻量的變化之間沒有明顯的規律性，因此研究中考慮經添性，偏高領土的摻量以3%為宜。

綜合上述分析結果，本次試驗的最佳配合比應該是A2B3C2，也就是灰砂比為1∶4、硅粉摻量為9%、偏高嶺土的摻量為3%。

2.2 試驗結果驗證

為了驗證試驗獲得的最佳配合比，研究中采用與正交試驗完全相同的材料，按照最佳配合比制作6個相同的試件進行驗證試驗，試驗結果數據如表3所示。由表中的數據可知，在試驗確定的最佳配合比條件下，試件28 d的抗壓強度值為26.28 MPa，抗滲壓力為1.14 MPa，按照砌筑砂漿的等級劃分標準，可以達到M25等級；按照混凝土抗滲標準，可以達到P10等級，完全滿足試驗設計要求。