装配式灌溉渠道砂浆配合比优化试验研究

关 健

(新民市农业技术推广与行政执法中心,辽宁 沈阳 110300)

装配式渠道是一种有利于农业发展的重要灌溉工程措施，具有施工工期短、防渗效果好、建设成本低、抗外力性能好等诸多优势[1]。显然，要发挥上述优势，寻找一种装配式渠道用砂浆十分重要。传统砂浆的胶凝材料为水泥，用于填充砂子的孔隙。相对于砂子这一传统的骨料，硅粉颗粒更为细小，可以有效填充水泥颗粒之间的孔隙，从而形成更为致密的结构[2]。同时，在砂浆凝固过程中，砂浆中的水泥首先水化生成氢氧化钙，然后再和硅粉的主要成分二氧化硅产生二次反应，生成CSH凝胶，从而大幅改善砂浆的性能。此外，偏高岭土中的氧化铝和二氧化硅可以和水泥水化生成的氢氧化钙反应，生成具有微膨胀性能的钙矾石，使砂浆中的孔隙率进一步减小，进而大幅改善砂浆性能[3]。基于此，本次研究在传统砂浆的基础上，加入硅粉和偏高岭土，通过试验研究的方式，寻找一种强度和抗渗等级分别为M10和P8的砂浆，以满足装配式小型输水渠道建设需求。

1 试验方案设计

1.1 试验原料

本次试验试验用水泥为铁岭市铁新水泥有限公司生产的铁新牌P·O 32.5型普通硅酸盐水泥。其初凝和终凝时间分别为140 min和270 min，3 d和28 d抗压强度分别为18.6 MPa和38.2 Mpa，3 d和28 d抗折强度分别为4.1 MPa和7.4 MPa；试验用砂为普通河沙，细度模数为2.5，密度为1400 kg/m3；研究中选用硅粉为挪威艾肯公司出品的920U的半加密硅粉，粒径为0.1～0.15 μm；试验用偏高岭土为南通征仪化工有限公司出品的高岭土，其平均粒度为12 μm；试验用减水剂为苏博特有限公司生产的PCA®(I)聚羧酸高效减水剂；本次试验用水为普通自来水。

1.2 试验方案设计

本次试验按照正交试验方法设计，其基本设计思路是按照传统砂浆的基准配合比设置固定水灰比，然后内掺硅粉和偏高岭土，并等量替代砂浆中的胶凝材料，并适当改变砂浆的灰砂比[4]。因此，试验中选取三个因素，分别是灰砂比(A)、硅粉(B)和偏高岭土(C)的掺量。结合相关研究成果，灰砂比选择1∶3(A1)、1∶4(A2)、1∶5(A3)三个因素水平；硅粉掺量选择5.0%(B1)、7.0%(B2)、9.0%(B3)三个因素水平；偏高岭土掺量选择1.0%(C1)、3.0%(C2)、5.0%(C3)三个因素水平。正交试验设计方案如表1所示。

1.3 试验过程

试件的制作以表1设定的9组正交试验方案进行，每组试验制作6个试件，共54个试件。试件制作的模具尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的长方体钢模。目前，在砂浆试件制作方面的成型方法主要有插捣、振动、压力和振压等四种常用的成型方法[5]。通过对上述四种方法的特征对比，结合本次试验的目的和要求，确定采用振动台振动成型法进行试件制作，捣振时间控制在15 s以内。脱模后的试件在标准养护条件下养护至相应的龄期，然后进行后续实验。

表1 正交试验方案

1.4 试验方法

当试件养护至3 d、7 d和28 d时进行抗压强度测试，测试采用电液压力试验机进行测试。将三个试件的测试结果均值的1.3倍作为抗压强度均值。试验中采用抗渗标号法进行试件的渗透性能测试，测试采用自动加压砂浆渗透仪[6]。试验中的上限水压和下限水压分别设置为4.0 MPa和0.2 MPa。在试验过程中，将仪器逐渐增压至0.2 MPa，然后每隔1h增加0.1 MPa的水压力，当试块顶面渗水时停止试验，并将此时的压力值作为抗渗指标等级。

2 试验结果与分析

2.1 最佳配合比的确定

按照上述试验方法，对9组试件在不同龄期的抗压强度和抗渗压力进行测试，获得如表2所示的结果。

表2 试验结果统计表

由表中的试验数据可知，试件的抗压强度值随着灰砂比的增加呈现出先增大后减小的趋势。具体而言，当试件的灰砂比由1∶3增大到1∶4时，不同龄期的试件抗压强度均有一定的增加，而灰砂比继续增大到1∶5时，各龄期试件的抗压强度值均有明显的下降。由此可见，灰砂比为1∶4时有利于提高砂浆的抗压强度。从抗渗压力来看，随着灰沙比的增加，砂浆的抗渗能力不断减小，并且减小幅度不断增大。由此可见，随着灰砂比的增加，砂浆的抗渗性明显减弱，当灰砂比为1∶3时可以获得较高的抗渗性能。综上，从抗压强度的视角来看，A2优于A1；从抗渗压力的视角来看，A1优于A2。在实际施工过程中，会采取措施进行防渗处理，以提高渠道的防渗能力，因此抗压强度的需求更为重要。所以，为了获得强度更高的砂浆，应该选择A2。

由表中的试验数据可知，砂浆的抗压强度会随着硅粉掺量的增加而增大，也就是硅粉的掺量越高，砂浆的抗压强度越强。因此，从抗压强度视角来看，硅粉的适宜掺量为9%；砂浆的抗渗压力与抗压强度类似，随着硅粉掺量的增加而增大，也就是硅粉的掺量越高，砂浆的抗渗压力越大。因此，从抗渗压力视角来看，硅粉的适宜掺量为9%。综上，硅粉的最佳因素水平应该为B3，也就是适宜掺量为9%。

由表中的试验数据可知，砂浆的抗压强度和抗渗压力的变化和偏高领土掺量的变化之间没有明显的规律性，因此研究中考虑经添性，偏高领土的掺量以3%为宜。

综合上述分析结果，本次试验的最佳配合比应该是A2B3C2，也就是灰砂比为1∶4、硅粉掺量为9%、偏高岭土的掺量为3%。

2.2 试验结果验证

为了验证试验获得的最佳配合比，研究中采用与正交试验完全相同的材料，按照最佳配合比制作6个相同的试件进行验证试验，试验结果数据如表3所示。由表中的数据可知，在试验确定的最佳配合比条件下，试件28 d的抗压强度值为26.28 MPa，抗渗压力为1.14 MPa，按照砌筑砂浆的等级划分标准，可以达到M25等级；按照混凝土抗渗标准，可以达到P10等级，完全满足试验设计要求。

表3 验证试验数据

3 结 论

针对装配式渠道对砂浆的要求，研究中设计了添加硅粉和高岭土的装配式渠道用砂浆，采用多因素正交试验的方法，对砂浆配合比展开优化试验研究，并获得如下主要结论：

(1)砂浆的抗压强度值随着灰砂比的增加呈现出先增大后减小的趋势，抗渗能力不断减小，并且减小幅度不断增大；砂浆的抗压强度和抗渗压力均随着硅粉掺量的增加而增大；砂浆的抗压强度和抗渗压力随着偏高岭土掺量的增加而增大。

(2)综合试验结果，砂浆的最佳配合比为灰砂比1∶4、硅粉掺量9%、偏高岭土掺量3%；试验验证结果显示砂浆的强度等级可以达到M25等级，抗渗等级可以达到P10等级，完全满足试验设计要求。