水泥基自流平砂浆的正交试验研究

□□ 舒 朗，乔欢欢

(1.德阳旌鼎建材有限责任公司，四川 德阳 618000；2.绵阳职业技术学院，四川 绵阳 621000)

引言

水泥基自流平砂浆是以水泥为胶凝材料，添加骨料、填料、矿物掺合料和化学外加剂拌合而成的水泥砂浆，以其优异的性能备受关注[1-3]，但也存在早期强度低、表面灰化、耐磨性差等缺点，使其应用在地面材料的面层时受到一定限制[4]。自流平砂浆的性能受到诸多因素的影响，拟通过试验研究P·O水泥、硫铝酸盐水泥、4115 N胶粉和P29减水剂对自流平砂浆性能影响的主次关系，并对自流平砂浆的性能进行优化。

1 试验

1.1 原材料

普通水泥：P·O 42.5R，北川中联水泥有限公司生产，市售。

硫铝酸盐水泥：贵州息烽仁都建材有限公司生产，市售。

石英砂：0.212～0.425 mm(40～70目)、0.106～0.212 mm(70～140目)，市售。

填料：市售重钙粉。

膨胀剂：硬石膏，市售。

可再分散乳胶粉：Vinnapas-4115N，德国瓦克公司生产。

缓凝剂：DL-酒石酸，江苏常茂生物化学工程股份有限公司生产。

早强剂：采用氢氧化锂，南京斯泰宝有限公司生产。

减水剂：HanriusP29聚羧酸系高性能减水剂，广东龙湖科技股份有限公司生产。

消泡剂：AGITAN-P841，德国明凌化工集团生产。

其他：MELFLUX 2651F,德国巴斯夫生产。

1.2 试样制备与性能测试

1.2.1试样制备

试验前，应将所有的试验材料在标准试验条件下放置至少24 h。每次试验需拌和至少2 kg试样。试样制备应符合JC/T 985—2017《地面用水泥基自流平砂浆》中相关要求。

1.2.2性能检测

流动度测定、拉伸粘结强度测定、尺寸变化率测定均按照JC/T 985—2017《地面用水泥基自流平砂浆》试验方法进行；强度测定按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行；由于受实验室仪器设备的限制，耐磨性仍按照JC/T 985—2005《地面用水泥基自流平砂浆》中耐磨性测试方法进行。

1.3 正交试验设计

为了研究各原料对自流平砂浆性能影响的主次顺序，以P·O水泥、硫铝酸盐水泥、4115 N胶粉和P29减水剂为四因素，每个影响因素设置三个水平，以此设计四因素三水平的正交试验，因素和水平见表1，正交试验方案见表2。

表1 因素与水平

表2 试验方案

2 结果分析与讨论

根据正交试验方案制备的水泥基自流平砂浆的流动度、强度、拉伸粘结强度、耐磨性、尺寸变形率等性能测试结果见表3。

根据表3所得的试验结果，对初始流动度、15 min流动度、抗折强度、抗压强度、拉伸粘接强度以及磨损量分别计算试验指标：Kmn表示第n列因素m水平所对应得试验指标之和；Amn表示各列平均试验指标，Amn=Kmn/3；Rn表示平均试验指标极差，Rm=maxAmn-minAmn。

表3 正交试验结果

2.1 各因素对砂浆流动度的影响

各因素对自流平砂浆流动度的影响规律见表。从表4可以看出，以自流平砂浆初始流动度为指标，各因素对其初始流动度影响的主次为：P·O水泥>减水剂>胶粉>硫铝酸盐水泥；以15 min流动度为指标，各因素对其影响的主次为：减水剂>胶粉>硫铝酸盐水泥>P·O水泥。

2.2 各因素对自流平砂浆强度的影响

各因素对自流平砂浆抗折强度的影响规律见表5。从表5可以看出，以1 d抗折强度为指标，各因素对其影响的主次为：硫铝酸盐水泥>胶粉>减水剂>P·O水泥，还可以看出：当P·O水泥用量为250 g时，砂浆1 d抗折强度最大；随着硫铝酸盐水泥用量的增加，砂浆早期抗折强度随之增加；砂浆早期抗折强度随胶粉掺量的增加而减小。各因素对自流砂浆28 d抗折强度影响的主次为：硫铝酸盐水泥>P·O水泥>胶粉>减水剂。

表5 抗折强度试验结果分析

各因素对自流平砂浆抗压强度的影响规律见表6。从表6可以看出，以1 d抗压强度为指标，各因素对其影响的主次为：硫铝酸盐水泥>P·O水泥>胶粉>减水剂；以28 d抗压强度为指标，各因素对其影响的主次为：P·O水泥>减水剂>胶粉>硫铝酸盐水泥，说明P·O水泥是影响砂浆后期抗压强度的主要因素。不论早期抗压强度还是后期抗压强度均随P·O水泥的增加而增加。

表6 抗压强度结果分析

2.3 各因素对自流平砂浆耐磨性的影响

各因素对耐磨性的影响规律见表7。从表7可知，以砂浆耐磨性为指标，各因素对其影响的主次为：硫铝酸盐水泥>P·O水泥>胶粉>减水剂。耐磨性随着硫铝酸盐水泥和胶粉用量的增加而增强。

表7 耐磨性试验结果分析

2.4 各因素对砂浆尺寸变化率的影响

以砂浆尺寸变化率为指标，各因素对其影响的主次为：减水剂>胶粉>硫铝酸盐水泥>P·O水泥，具体见表8。砂浆尺寸变化随P·O水泥用量的增加而增大，随胶粉用量的增加而减小。

表8 尺寸变化率试验结果分析

2.5 各因素对砂浆拉伸粘接强度的影响

以砂浆拉伸粘接强度为指标，各因素对其影响的主次为：减水剂>硫铝酸盐水泥>胶粉>P·O水泥，具体见表9。砂浆拉伸粘接强度随硫铝酸盐水泥、胶粉和减水剂的用量增加而增强。

表9 拉伸粘接强度试验结果分析

2.6 小结

根据各因素对各项性能影响的主次顺序，可得最佳组合见表10。

表10 最佳组合

由于自流平砂浆主要作为面层和垫层使用，作为两种用途使用的性能要求也不一样，相应配比也不一样，现根据两种用途来确定最优方案：

因素A：主要是提高砂浆的强度，但对干缩及耐磨性的影响也比较大，面层选择A2，垫层选择A3。

因素B：主要影响砂浆的早期强度，面层选择B3，垫层也选择B3。

因素C：影响自流平砂浆的韧性，提高砂浆的拉伸粘结强度和耐磨性，面层选择C3，垫层选择C1。

因素D：减水剂对流动度、强度、耐磨性都会产生不可忽略的影响，面层选择D2，垫层选择D3。

综上所述，当水泥基自流平砂浆作面层使用时最佳方案为：A2-B3-C3-D2,作垫层使用时最佳方案为：A3-B3-C1-D3。最优配比见表11及表12。

表11 面层最优配比

表12 垫层最优配比

按表11和表12所示的配合比制备水泥基自流平砂浆的各项性能测试结果见表13，且均优于相关标准要求。

表13 优化配比的水泥基自流平砂浆性能

3 结论

以P·O水泥、硫铝酸盐水泥、4115 N胶粉和P29减水剂为四因素，设计四因素三水平的正交试验研究其对水泥基自流平砂浆的流动度、强度、拉伸粘结强度、耐磨性、尺寸变形率的影响规律，获得水泥基自流平砂浆的最优配比。自流平砂浆用作面层时最优质量比为：P·O水泥(250份)、硫铝水泥(150份)、4115胶粉(15份)、P29减水剂(1份)，减水剂掺量为砂浆干粉的1.0‰，纤维素醚和消泡剂掺量均为胶凝材料总质量的0.25%；用作垫层时最优配比为：P·O水泥(300份)、硫铝水泥(150份)、4115胶粉(10份)、P29减水剂(1.3份)，减水剂掺量为砂浆干粉的1.3‰，纤维素醚和消泡剂掺量均为胶凝材料总质量的0.25%。根据最优配比制备的自流平砂浆无论是用作面层还是垫层其性能均远优于标准要求。