高強水泥基灌漿料配合比的正交試驗研究

【摘要】通過正交試驗,研究了硫鋁酸鹽水泥、標準砂、硅灰、減水劑和膨脹劑摻量對水泥基灌漿料的流動度、3 d抗壓強度和28 d抗壓強度的影響。試驗結果表明:硅灰摻量對灌漿料的流動度影響最大,減水劑摻量對水泥基灌漿料3 d抗壓強度的影響最大,硅灰摻量對水泥基灌漿料28 d抗壓強度的影響最大。通過正交試驗分析優(yōu)化得到高強水泥基灌漿料的配合比:硫鋁酸鹽水泥摻量為75%、標準砂摻量為40%、減水劑摻量為12%、硅灰摻量為2%、膨脹劑摻量為1.1%。

0 引言

灌漿料是由水泥、外加劑、集料和礦物摻合料等材料拌合在一起的干混料，具有高流動性、不離析、微膨脹等良好工藝特性以及硬化快、早強高強等性能特點[1]。灌漿料最早是由美國人發(fā)明的，他們發(fā)明的目的是為利用這種灌漿料快硬和超早強的性質(zhì)完善其軍事設備[2]。水泥基灌漿材料廣泛用于設備基礎的二次灌漿、鋼筋混凝土結構的維修與加固、預應力混凝土孔道灌漿等工程[3]。目前國內(nèi)從事水泥基灌漿材料的生產(chǎn)企業(yè)達200余家，年產(chǎn)量超過80萬t [4]。

水泥基灌漿料不僅組成的材料較多，影響因素也較多，利用“全面試驗法”，試驗的次數(shù)非常多，采用正交試驗設計方法，通過科學安排試驗方案和有效地分析試驗結果，僅以16次試驗就推斷出各種因素的影響規(guī)律和顯著性關系，并確定出最佳配合比。正交試驗設計和分析方法是目前最常用的工藝優(yōu)化試驗設計和分析方法，是部分因子設計的主要方法[5]。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

水泥：唐山冀東水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O42.5R硅酸鹽水泥和唐山北極熊建筑材料有限公司生產(chǎn)的92.5硫鋁酸鹽水泥，其各項指標均符合規(guī)范要求，水泥物理性能指標見表1。

表1 水泥物理性能指標

品種	凝結時間/min		抗折強度/MPa		抗壓強度/MPa
品種	初凝	終凝	3d	28d	3d	28d
硅酸鹽水泥	105	185	4.7	7.9	20.12	45.63
硫鋁酸鹽水泥	40	170	8.95	12.1	85.18	96.3

UEA膨脹劑：外觀灰白色粉末，自然堆積容重1g/ml。

聚羧酸減水劑：減水率30%，固含量30%。

硅灰：北京利泓創(chuàng)業(yè)國際貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的微硅灰，平均粒徑0.045μm，其物理性能見表2。

表2 硅灰物理性能指標

名稱	SiO2含量/%	比表面積/（m2/kg）	燒失量/%	氯離子含量/%	含水率/%	需水量比/%
硅灰	86	21000	3.5	0.2	1.85	110

砂：ISO標準砂，細度模數(shù)3.0。

水：自來水。

1.2 試驗方法

流動度試驗方法按照國家標準《水泥膠砂流動度測定方法（ISO法）》GB/T2419-2005進行，截錐圓模尺寸為下口內(nèi)徑100mm±0.5mm，上口內(nèi)徑70mm±0.5mm，高60mm±0.5mm，玻璃板尺寸不小于500mm×500mm。強度試驗采用40mm×40mm×160mm試模，裝模時無需插搗，自然成型，灌漿料放入模后靜置24h，然后拆模，再將試塊放在標準條件下養(yǎng)護到規(guī)定齡期后進行強度試驗。

1.3 正交試驗設計

通過正交表合理地安排試驗，確定主次因素，找到最優(yōu)的水泥基灌漿料的配合比。正交設計是一種安排多因素試驗的數(shù)學方法。本試驗選用硫鋁酸鹽水泥摻量（因素A）、標準砂摻量（因素B）、硅灰摻量（因素C）、減水劑摻量（因素D）和膨脹劑摻量（因素E）五個主要因素進行研究，每個因素取四個水平。試驗指標是高強水泥基灌漿料的流動度、3d抗壓強度和28d抗壓強度。根據(jù)試驗因素與水平個數(shù)，選取正交表L16（45）進行正交試驗，因素水平表見表3。

表3 因素水平表

編號	A/%	B/%	C/%	D/%	E/%
1	60	10	2	0.8	6
2	65	30	8	0.9	8
3	70	40	10	1.0	10
4	75	50	12	1.1	12

2 試驗結果及分析

正交試驗方案與試驗結果見表4，正交試驗結果極差分析見表5。

表4 正交試驗方案與試驗結果

編號	A	B	C	D	E	試驗結果
編號	A	B	C	D	E	流動度/mm	3d抗壓強度/MPa	28d抗壓強度/MPa
1	1(60)	1(10)	1(2)	1(0.8)	1(6)	360	84.34	98.65
2	1(60)	2(30)	2(8)	2(0.9)	2(8)	200	64.63	84.33
3	1(60)	3(40)	3(10)	3(1.0)	3(10)	270	76.28	78.8
4	1(60)	4(50)	4(12)	4(1.1)	4(12)	170	72.34	85.31
5	2(65)	1(10)	2(8)	3(1.0)	4(12)	340	79.52	88.78
6	2(65)	2(30)	1(2)	4(1.1)	3(10)	380	77.99	104.78
7	2(65)	3(40)	4(12)	1(0.8)	2(8)	220	84.53	76.48
8	2(65)	4(50)	3(10)	2(0.9)	1(6)	200	63.94	82.81
9	3(70)	1(10)	3(10)	4(1.1)	2(8)	350	63 34	62.47
10	3(70)	2(30)	4(12)	3(1.0)	1(6)	330	72.68	78.69
11	3(70)	3(40)	1(2)	2(0.9)	4(12)	340	88.56	105.82
12	3(70)	4(50)	2(8)	1(0.8)	3(10)	285	85.01	66.81
13	4(75)	1(10)	4(12)	2(0.9)	3(10)	340	55	77.28
14	4(75)	2(30)	3(10)	1(0.8)	4(12)	270	87.56	81.46
15	4(75)	3(40)	2(8)	4(1.1)	1(6)	380	80.24	83.64
16	4(75)	4(50)	1(2)	3(1.0)	2(8)	350	69.18	98.57

表5 正交試驗結果極差分析

編號	流動度/mm					3d抗壓強度/MPa					28d抗壓強度/MPa
編號	A	B	C	D	E	A	B	C	D	E	A	B	C	D	E
K1	1000	1390	1430	1135	1270	297.59	282.20	320.07	341.44	301.20	347.09	327.18	407.82	323.40	343.79
K2	1140	1180	1205	1080	1120	305.98	302.86	309.40	272.13	281.68	352.85	349.26	323.56	350.24	321.85
K3	1305	1210	1090	1290	1275	309.59	329.61	291.12	297.66	294.28	313.79	344.74	305.54	344.84	327.67
K4	1340	1004	1060	1280	1120	291.98	290.47	284.55	293.91	327.98	340.95	333.50	317.76	421.51	361.37
k1	250	348	345	284	250	74.40	70.55	80.02	85.36	74.40	86.77	81.80	101.96	80.85	86.77
k2	285	295	301	270	285	76.50	75.72	77.35	68.03	76.50	88.21	87.32	80.89	87.56	88.21
k3	326	303	273	323	326	77.40	82.40	72.78	74.42	77.40	78.45	86.19	76.39	86.21	78.45
k4	335	251	265	320	335	73.00	72.62	71.14	73.48	73.00	85.23	83.38	79.44	105.38	85.23
R	85	97	93	53	49	4.40	11.85	8.88	17.33	11.58	9.76	5.52	25.57	24.53	9.88

注： Ki、ki分別表示第i水平，每個因素的試驗結果總和及平均值；R表示極差。

從表5可以看出，影響高強水泥基灌漿材料流動性的主次順序是B→C→A→D→E，影響高強水泥基灌漿材料3d抗壓強度的主次順序是D→B→E→C→A，影響高強水泥基灌漿材料28d抗壓強度的主次順序是C→D→E→A→B。

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