高强水泥基灌浆料配合比的正交试验研究
-
- -
《混凝土》2015年第3期 转载须注明出处违者必究
| 徐国强;张静; | 149-151 |
【摘要】 通过正交试验,研究了硫铝酸盐水泥、标准砂、硅灰、减水剂和膨胀剂掺量对水泥基灌浆料的流动度、3 d抗压强度和28 d抗压强度的影响。试验结果表明:硅灰掺量对灌浆料的流动度影响最大,减水剂掺量对水泥基灌浆料3 d抗压强度的影响最大,硅灰掺量对水泥基灌浆料28 d抗压强度的影响最大。通过正交试验分析优化得到高强水泥基灌浆料的配合比:硫铝酸盐水泥掺量为75%、标准砂掺量为40%、减水剂掺量为12%、硅灰掺量为2%、膨胀剂掺量为1.1%。
0 引言
灌浆料是由水泥、外加剂、集料和矿物掺合料等材料拌合在一起的干混料，具有高流动性、不离析、微膨胀等良好工艺特性以及硬化快、早强高强等性能特点[1]。灌浆料最早是由美国人发明的，他们发明的目的是为利用这种灌浆料快硬和超早强的性质完善其军事设备[2]。水泥基灌浆材料广泛用于设备基础的二次灌浆、钢筋混凝土结构的维修与加固、预应力混凝土孔道灌浆等工程[3]。目前国内从事水泥基灌浆材料的生产企业达200余家，年产量超过80万t [4]。
水泥基灌浆料不仅组成的材料较多，影响因素也较多，利用“全面试验法”，试验的次数非常多，采用正交试验设计方法，通过科学安排试验方案和有效地分析试验结果，仅以16次试验就推断出各种因素的影响规律和显著性关系，并确定出最佳配合比。正交试验设计和分析方法是目前最常用的工艺优化试验设计和分析方法，是部分因子设计的主要方法[5]。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
水泥：唐山冀东水泥股份有限公司生产的P·O42.5R硅酸盐水泥和唐山北极熊建筑材料有限公司生产的92.5硫铝酸盐水泥，其各项指标均符合规范要求，水泥物理性能指标见表1。
表1 水泥物理性能指标
品种 | 凝结时间/min | 抗折强度/MPa | 抗压强度/MPa | |||
初凝 | 终凝 | 3d | 28d | 3d | 28d | |
硅酸盐水泥 | 105 | 185 | 4.7 | 7.9 | 20.12 | 45.63 |
硫铝酸盐水泥 | 40 | 170 | 8.95 | 12.1 | 85.18 | 96.3 |
UEA膨胀剂：外观灰白色粉末，自然堆积容重1g/ml。
聚羧酸减水剂：减水率30%，固含量30%。
硅灰：北京利泓创业国际贸易有限公司生产的微硅灰，平均粒径0.045μm，其物理性能见表2。
表2 硅灰物理性能指标
名称 | SiO2含量/% | 比表面积/（m2/kg） | 烧失量/% | 氯离子含量/% | 含水率/% | 需水量比/% |
硅灰 | 86 | 21000 | 3.5 | 0.2 | 1.85 | 110 |
砂：ISO标准砂，细度模数3.0。
水：自来水。
1.2 试验方法
流动度试验方法按照国家标准《水泥胶砂流动度测定方法（ISO法）》GB/T2419-2005进行，截锥圆模尺寸为下口内径100mm±0.5mm，上口内径70mm±0.5mm，高60mm±0.5mm，玻璃板尺寸不小于500mm×500mm。强度试验采用40mm×40mm×160mm试模，装模时无需插捣，自然成型，灌浆料放入模后静置24h，然后拆模，再将试块放在标准条件下养护到规定龄期后进行强度试验。
1.3 正交试验设计
通过正交表合理地安排试验，确定主次因素，找到最优的水泥基灌浆料的配合比。正交设计是一种安排多因素试验的数学方法。本试验选用硫铝酸盐水泥掺量（因素A）、标准砂掺量（因素B）、硅灰掺量（因素C）、减水剂掺量（因素D）和膨胀剂掺量（因素E）五个主要因素进行研究，每个因素取四个水平。试验指标是高强水泥基灌浆料的流动度、3d抗压强度和28d抗压强度。根据试验因素与水平个数，选取正交表L16（45）进行正交试验，因素水平表见表3。
表3 因素水平表
编号 | 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 试验结果及分析
正交试验方案与试验结果见表4，正交试验结果极差分析见表5。
表4 正交试验方案与试验结果
编号 | A | B | C | D | E | 试验结果 | ||
流动度/mm | 3d抗压强度/MPa | 28d抗压强度/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 正交试验结果极差分析
编 号 | 流动度/mm | 3d抗压强度/MPa | 28d抗压强度/MPa | ||||||||||||
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分别表示第i水平，每个因素的试验结果总和及平均值；R表示极差。
从表5可以看出，影响高强水泥基灌浆材料流动性的主次顺序是B→C→A→D→E，影响高强水泥基灌浆材料3d抗压强度的主次顺序是D→B→E→C→A，影响高强水泥基灌浆材料28d抗压强度的主次顺序是C→D→E→A→B。
中国知网：http://www.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbCode=cjfd&QueryID=12&CurRec=47&filename=HLTF201503047&dbname=CJFDLAST2015&v=Mjc1Mjl6OTdTbnppcFJBOGVyWT1PbG16RzdPNUhLZkVwNHRFWnU4UGZRNVd6UllTNw==