倪 明，郝 超,保守林
(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610037)
四川简阳毗河工程石钟支渠郭家沟渡槽全长260 m，包含槽身21跨，顶部设置有拉杆，槽身为U形薄壳混凝土结构，槽身净宽为1.5 m，净高1.26 m，主槽身厚度0.22 m。渡槽采用预应力装配式混凝土，混凝土设计强度等级为C40W6F100，封锚混凝土采用C40微膨胀混凝土，装配式渡槽槽段之间采用砂浆进行连接，砂浆设计强度等级为M10，设计抗渗等级为P8[1-6]，砂浆性能的好坏关系到渡槽构件连接的可靠性和渡槽的输水效率，因此必须确保砂浆具备较高的力学性能。
2.1 原材料
砂浆的主要原材料包括水泥、硅粉、偏高岭土、砂等。水泥为P·O42.5R型复合硅酸盐水泥，初凝时间和终凝时间分别为140 min和270 min，3 d 抗折和抗压强度分别为4.6 MPa和19.7 MPa，28 d 抗折和抗压强度分别为8.2 MPa和45.6 MPa；
硅粉的粒径为0.10～0.15 μm，主要化学成分为SiO2，占比达到95.8%；
偏高岭土主要成分为SiO2和Al2O3，指数为120%，石灰反应值为1250 mg Ca(OH)2/g，需水量比为110%，比表面积为22 m2/g，平均粒径为12 μm，G.E白度为80%，烧失量为0.5%；
砂为天然中砂，细度模数为2.5，平均含泥量为1.6%，堆积密度为4210 kg/m3。
2.2 试验方案
采用三因素三水平L9(34)进行砂浆配合比正交试验。三因素分别为灰砂比A(水泥与砂的用量比值)、硅粉掺量B和偏高岭土掺量C，砂浆正交试验因素水平见表1。试验共分为9组，具体正交试验配合比方案见表2。
表1 因素水平
表2 砂浆正交试验配合比方案
2.3 试验流程方法
(1)按照正交试验配合比，对所需各类原材料进行称取，然后放入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为3 min。(2)在砂浆模具四周涂抹一层黄油，然后将搅拌好的砂浆装入砂浆模具，采用机械振捣5～10 s。(3)当模具中砂浆表面水分稍干后，用刮刀对表面进行抹平。(4)每种砂浆配合比下，将砂浆制成边长为100 mm的正方体试件和70 mm×80 mm×30 mm的长方体试件。(5)在20±2 ℃的环境中养护24 h，然后取出砂浆试件放入标准养护室(温度20±2 ℃，湿度90%～95%)继续养护至对应的龄期。(6)将正方体试件用于进行抗压强度测试，将长方体试件用于进行抗渗试验，分别测试不同养护龄期下的强度和抗渗压力。
3.1 抗压强度
试验得到的不同龄期下砂浆抗压强度结果见图1。图中可知，当灰砂比从1∶3增加至1∶4时，砂浆的抗压强度均有不同程度的增大，当灰砂比继续增加至1∶5时，砂浆的抗压强度将大幅降低，由此可见灰砂比不宜过低也不宜过大，水泥掺量过少会导致砂浆强度迅速降低；
随着硅粉掺量的增大，砂浆在不同龄期下的抗压强度呈逐渐增大的变化特征，这主要是因为硅粉的粒径很小，可填充在砂浆孔隙间隙，增加砂浆的密实度，同时水泥水化反应产生的Ca(OH)2与SiO2产生二次反应，生成硬度更大的CSH凝胶，从而提升砂浆强度；
偏高岭土的掺入，也可以在一定程度上改善砂浆的抗压强度，随着偏高岭土掺量增加，砂浆抗压强度逐渐增大，这是因为偏高岭土中的SiO2和Al2O3可以与Ca(OH)2进行二次反应生成钙矾石，钙矾石具有微膨胀性，可以填充在砂浆的孔隙中，从而改善砂浆的强度特性。在9种正交配合比中，试验5组的抗压强度最大，其次为试验6组，抗压强度最小的为试验8组。
图1 抗压强度试验结果
3.2 抗渗压力
不同配合比下砂浆28 d龄期下的抗渗试验结果见图2。图中可知，水灰比对于砂浆抗渗能力的影响较大，随着水灰比的增大，砂浆的抗渗压力不断减小；
随着硅粉和偏高岭土掺量的增加，砂浆的抗渗压力逐渐增大，主要因为两者对于砂浆孔隙结构的填充作用，使得砂浆内部更加密实，因而抗渗能力增强。在9种正交配合比中，试验3组的抗压强度最大，其次为试验2组，抗压强度最小的为试验8组。
图2 抗渗性试验结果
3.3 极差与方差分析
对不同龄期抗压强度和抗渗压力进行极差分析，结果见表3。从表中可知，对于3 d抗压强度的影响，灰砂比>硅粉掺量>偏高岭土，最优水平为A2B3C3，对于7 d抗压强度的影响，灰砂比>硅粉掺量>偏高岭土，最优水平为A2B3C2，对于28 d抗压强度的影响，灰砂比>硅粉掺量>偏高岭土，最优水平为A2B3C3，对于抗渗能力的影响，灰砂比>偏高岭土>硅粉掺量，最优水平为A1B3C2。从整体上来讲，硅粉掺量为9%时，砂浆的强度和抗渗性最佳，而灰砂比和偏高岭土对砂浆强度和抗渗性的影响比较复杂，还需要做进一步分析。
表3 极差分析结果 MPa
对不同龄期抗压强度和抗渗压力进行方差分析，结果见图3。
图中可知，对于28 d抗压强度，灰砂比的F值为21.28，其值介于F0.05和F0.01之间，表明灰砂比对28 d抗压强度的影响显著，硅粉掺量和偏岭高土的F值均小于F0.1，表明对抗压强度的影响非常微小；
对于抗渗压力，灰砂比的F值达到了173.69，远大于F0.01，表明其对砂浆抗渗能力的影响极显著，偏高岭土的F值介于F0.05和F0.01之间，表明对砂浆抗渗能力的影响为比较显著，而硅粉掺量对砂浆抗渗能力的影响特别小，因此结合极差分析结果，当偏岭高土取值为3%时，为最佳掺量。方差分析结果表明：对于28 d抗压强度的影响，灰砂比>硅粉掺量>偏高岭土，对于抗渗压力的影响，灰砂比>偏高岭土>硅粉掺量，这与极差分析结果一致。
图3 方差分析结果
3.4 最优配合比确定及验证
从试验结果及极差、方差分析结果可知：灰砂比增大有利于砂浆的抗压强度，但不利于砂浆的抗渗能力，因此需要对灰砂比进行综合平衡分析。由于在渡槽装配施工过程中，会对接缝处采取防渗塑膜压底+焦油塑料胶泥填缝+沥青砂浆封面的综合防渗处理方式，因而砂浆对于强度的需求更大，故灰砂比应选择1∶4最为合适，即A2B3C2为砂浆的最佳配合比方案。
对A2B3C2配合比方案下的砂浆进行性能试验验证，结果见表4。从表中可知：在最优配合比方案下，砂浆的28 d抗压强度达到26.21 MPa，达到了M25的强度水平，远大于M10的设计要求，抗渗压力达到P10水平，也达到了设计抗渗等级P8的要求，表明在A2B3C2配合比方案下，砂浆具有高强、高抗渗的特性，对于渡槽构件连接具有重要意义。
表4 最优配合比方案下性能参数 MPa
(1)随着灰砂比的增大，砂浆的强度呈先增大后减小的变化特征，抗渗压力呈逐渐减小的变化特征，硅粉和偏高岭土对砂浆强度和抗渗能力均有一定的改善作用。
(2)对于砂浆不同龄期抗压强度的影响，均是灰砂比>硅粉掺量>偏高岭土，对于砂浆抗渗能力的影响，则为灰砂比>偏高岭土>硅粉掺量；
灰砂比对抗压强度为比较显著影响，对抗渗压力为极显著影响，硅粉掺量对抗压强度和抗渗压力均为微弱影响，偏岭高土对抗压强度为微弱影响，对抗渗压力为比较显著影响。
(3)砂浆的最佳配合比方案为A2B3C2(灰砂比1∶4，硅粉掺量9%，偏岭高土掺量3%)，在此配合比方案下，砂浆强度等级可达M25，抗渗等级可达P10。
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