曲面响应法优化特细骨料砂浆配合比的研究

曲面响应法优化特细骨料砂浆配合比的研究

董世明

广东中鉴检测技术有限公司

【摘要】为探索特细骨料砂浆配合比的优化设计，以灰砂比、特细砂置换河砂作为试验变量，采用曲面响应法进行设计。试验测试了砂浆的流动度、稠度、28d抗折强度和28d抗压强度，建立了相关回归模型，分析了灰砂比和特细砂置换量对砂浆性能的影响。结果显示，灰砂比、特细砂置换量对砂浆的性能具有较大影响，以流动度、稠度、力学性能最优值为设计目标，利用曲面响应法获得配合比，该配合比下砂浆性能的预测值与实际值非常接近。

【关键词】曲面响应法；特细骨料；砂浆；配合比

0引言

混凝土作为最大宗的建筑材料，近些年来我国商品混凝土的年产量逐年增加，导致河砂大量开采使其资源短缺，因此亟需寻找河砂的替代品。有科研人员利用长江、黄河等江河岸边的特细砂置换河砂制备特细砂混凝土，研究显示特细砂混凝土配合比设计应遵循“三低一高一掺”的原则[1]，采用特细砂制备C20以上泵送混凝土时水胶比应大于0.5，砂率为30%时特细砂混凝土坍落度表现良好[2,3]。此外，有科研人员利用特细砂置换天然河砂制备特细砂砂浆，研究显示灰砂比过大时容易导致特细砂砂浆收缩大、易开裂，灰砂比过小时导致砂浆内水泥浆体体积较小，造成砂浆流动性极差，在一定范围内，砂浆的强度随灰砂比的增加而逐渐提高[4]。林忠财[5]等测试了砂浆的扩展度、V型漏斗流出时间以及黏度，通过分析测试结果，最终指出特细砂替代率不宜超过30%。

因此，利用特细砂置换河砂制备特细骨料砂浆需要考虑灰砂比、水胶比、特细砂置换量等多因素的影响，鉴于此，本文将基于响应曲面法开展灰砂比和特细砂置换量对特细骨料砂浆流动度、稠度、力学性能的影响，并进行优化配合比设计、建立相关响应面回归模型。

1试验

1.1原材料

水泥采用石井牌P·O 42.5R硅酸盐水泥，具体成分如表1所示；骨料包括河砂与特细砂，其中河砂和特细砂的细度模数分别为2.0和0.4；减水剂采用粉体聚羧酸高效减水剂；水为自来水。

表1 水泥化学组分

1.2试验方法

砂浆的流动度试验参照《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419-2005）、稠度试验参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JG/T 70-2009）、28d抗折强度和28d抗压强度试验参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》（GB/T 17671-2021）。

1.3试验设计

灰砂比的上限值、下限值分别设为0.5和0.3，特细砂置换量的上限值、下限值分别设为30和10，采用中心复合试验法进行二因素五水平配合比设计，共有13个试验点，以流动度、稠度、28d抗折强度和28d抗压强度为响应值，研究灰砂比和特细砂置换量对砂浆性能的影响。通过响应曲面分析，建立相关模型对测试结果进行分析，获取最佳配合比。表2为试验因素与水平。

表2 中心复合试验法的因素与水平

2试验结果及分析

2.1试验结果

砂浆性能的试验结果如表3所示。

表3 响应面的试验结果

2.2回归模型拟合及方差分析

将砂浆性能的试验结果与灰砂比、特细砂置换量进行回归分析，具体的回归模型如表4所示，回归模型的方差分析结果见表5。

表4中R2值表示预测值与实测值之间的差异程度，取值范围为0~1，当其值接近1时表明回归模型的拟合程度高，表4中R2值均接近1表明各个响应值的回归模型均可靠。

各因子在回归模型中是否显著主要根据P值来判断，当P值小于0.05则表示显著，反之则不显著，其中当P值小于0.01时则表示非常显著[6]，而失拟项用于评估回归模型的可靠度，当失拟项P值大于0.05时表示结果不显著，说明预测值与实测值之间具有较好的拟合度，反之则说明拟合度较差。表5中响应值的P值均小于0.0001，失拟项P值均大于0.05，以上结果表明模型回归显著且预测值与实测值具有良好的拟合度。

表4 不同响应值的回归模型及R2值

表5 回归模型方差分析

2.3结果分析

由表4、表5可知，灰砂比和超细砂置换量对特细骨料砂浆性能影响显著，而灰砂比与超细砂置换量的交互作用对砂浆性能的影响显著性低于灰砂比、特细砂置换量单因素的作用。

图1展现了砂浆性能的响应曲面图和等高线图，图中结果清晰地反映了砂浆的流动度、稠度、28d抗折强度以及28d抗压强度随灰砂比、特细骨料置换量的变化关系，同时可发现相较于特细砂置换量，灰砂比对流动度和稠度的影响更加显著，而特细砂置换量对28d抗折强度和28d抗压强度的影响则更为显著。

图1 流动度、稠度、28d抗折强度和28d抗压强度的响应曲面图

2.4最佳配合比及试验验证

通过对试验结果的分析以及回归模型的研究，以28d抗折强度与28d抗压强度最大值为设计目标，利用响应曲面法获得的砂浆配合比中为灰砂比取0.3，特细砂置换量取30%，流动度、稠度、28d抗折强度以及28d抗压强度的预测值分别为129mm、30mm、5.7MPa和28.0MPa，而实测值依次为132mm、28mm、5.7MPa和28.0MPa；另一方面，以流动度、稠度的最大值为设计目标，砂浆配合比中灰砂比取0.5，特细砂置换量取10%，此时流动度、稠度、28d抗折强度以及28d抗压强度的预测值分别为242mm、97mm、4.2MPa和21.0MPa，而实测值依次为242mm、98mm、4.2MPa和20.8MPa，试验结果与预测结果具有较高的符合程度，表明利用响应曲面法优化砂浆配合比设计并进行性能分析和预测具有可行性。

3结论

（1）特细骨料砂浆的流动度、稠度、28d抗折强度和28d抗压强度的主要影响因素为灰砂比和特细砂置换量，灰砂比与特细砂置换量的交互作用对性能也有一定的影响。

（2）以流动度和稠度以及28d抗折强度和28d抗压强度的最大值为设计目标，利用响应曲面法获得最佳配合比，其中砂浆性能的预测值与实际值结果相近，表明利用响应曲面法优化特细骨料砂浆配合比设计并进行性能分析和预测具有可行性。

参考文献

[1]薛建荣,陶杰. 用开封特细砂配制混凝土试验研究[J]. 中国建材, 2008(3):85-87.

[2]马红娜,娄宗科,王海娟. 水工特细砂泵送混凝土力学特性试验研究[J]. 混凝土, 2009(7):85-86.

[3]焦佳. 邯郸特细砂配制中等强度混凝土的试验研究[D]. 邯郸:河北工程大学, 2017.

[4]宓永宁,王振国,孙荣华,等. 特细砂砂浆性能及砌筑砂浆配合比研究[J]. 人民黄河, 2014(7):121-123+127..

[5]林忠财,许潇,Hamideh Mehdizadeh,等. 特细砂替代率对自密实砂浆流变性的影响[J]. 湖南大学学报（自然科学版）, 2022,49(1):94-101.

[6]张兰芳,刘丽娜,曹胜. 响应面方法优化碱激发矿渣-石粉水泥砂浆的研究[J]. 材料导报, 2017,31(24):15-19.