干混砂浆配比设计与优化研究

王骏强

摘要：干混砂浆作为一种预混合干粉形态的建筑材料，在现代建筑业中应用广泛。随着建筑工业化进程的加快，干混砂浆以其施工简便、性能稳定等优点，日益成为提升建筑工程效率和质量的关键材料。然而，市场上对干混砂浆的性能要求也随之提高，传统的经验配比设计方法已难以满足多样化和高性能化的需求。因此，本研究旨在通过科学的配比设计方法，结合现代材料测试技术，对干混砂浆的配比进行系统优化，以实现性能最优化。

关键词：干混砂浆；配比设计；优化研究

引言：干混砂浆因其预制化和标准化特点，在建筑材料领域占据越来越重要的地位。其配比设计的科学性直接关系到砂浆的质量和性能，进而影响到建筑工程的安全、耐久性以及环境友好性。随着绿色建筑和节能减排的理念深入人心，对干混砂浆的环境适应性和可持续性提出了更高的要求。在这种背景下，进行干混砂浆配比设计与优化研究，具有重大的实践意义。

一、干混砂浆配比设计方法

（一）经验法配比设计方法

经验法是一种常用的干混砂浆配比设计方法，它基于实践经验和试验数据，结合具体的技术要求和施工条件，以达到预期性能为目标进行配比设计，下面将详细介绍经验法配比设计方法。

1.确定砂浆类型和用途：首先需要确定所需砂浆的类型和用途，如墙体砂浆、地板砂浆、瓷砖粘结砂浆等，不同用途的砂浆对配比的要求不同。

2.确定砂浆强度等级：根据设计需求和工程要求，确定所需砂浆的强度等级。砂浆强度等级一般分为M5、M7.5、M10、M15等，不同等级的砂浆需要采用不同的配比设计。

3.选择合适的材料：根据使用的砂浆类型和强度等级，选择合适的砂、水泥、外加剂等材料。砂的选择应考虑颗粒大小、坚硬度和含泥量等因素，水泥的选择应符合标准要求，外加剂的选择应根据具体要求确定。

4.确定配比比例：根据经验和试验数据，确定砂、水泥、外加剂的配比比例。通常情况下，砂与水泥的比例在2:1到3:1之间，外加剂的用量在总质量的2%到5%之间。

5.混合过程控制：在实际施工过程中，需要控制好混合的时间、速度和方法，确保砂浆的均匀和稳定性。混合时间一般为3分钟以上，混合速度应适中，避免过快或过慢，混合方法可采用机械搅拌或人工搅拌。

6.配合比调整：根据实际使用情况和试验结果，对配比进行必要的调整和优化。通过试验和实践，可以进一步改进配比，提高砂浆的性能和施工效果。

在经验法配比设计过程中，可以参考以下公式计算砂浆的配比比例：

砂浆用水量（kg）= 干砂质量（kg）/ 干砂含水率（%）- 干砂质量（kg）/ 干砂湿体积（L/kg）× 干砂含水率（%）

砂浆用水量（kg）= 干砂质量（kg）/ 干砂湿体积（L/kg）× 水灰比（kg/L）

（二）理论法配比设计方法

干混砂浆配比设计是确定混凝土、砖砌体和石砌体等建筑工程中所需水泥、砂子、骨料和掺合料等成分的比例，以获得所需性能和强度的过程。理论法配比设计方法是一种常用的方式，下面将详细介绍这种方法的具体步骤和措施。

首先，理论法配比设计方法需要明确砂浆的强度等级和细度模数（Fineness Modulus，简称FM）的要求。强度等级通常通过工程设计要求给出，而细度模数可以根据骨料的粒度分析结果计算得出。之后，根据砂浆的强度等级和细度模数要求，可以通过查表或计算得出水泥的用量。这一步骤需要参考相关的规范和标准，以确保配比的准确性。接下来，需要确定砂子和骨料的配合比例。砂子的用量可以根据水泥用量和细度模数计算得出，而骨料的用量则需要根据配合比设计和实际骨料的吸水率进行调整。此外，还需要考虑骨料的粒径分布和颗粒形状对砂浆性能的影响。在配合比确定完成后，还需要选择合适的掺合料。掺合料的选择可以根据工程要求和可用的材料进行，常见的掺合料有矿粉、矿渣粉和粉煤灰等。掺合料的加入可以改善砂浆的工作性能和耐久性。最后，进行试验验证和调整。配比设计完成后，需要进行实际的试验验证，以确保砂浆的性能符合要求。试验过程中可以根据需要调整水灰比和骨料用量等参数，以优化砂浆的性能。

（三）实验法配比设计方法

实验法是一种常用的干混砂浆配比设计方法，它通过实际试验来确定砂浆中水、水泥和骨料的配比，以满足特定的工程要求。

1.确定试验目标和要求。根据工程的具体要求，确定砂浆的强度、流动性、抗裂性等指标，作为配比设计的目标和要求。

2.选择试验方法和设备。根据目标和要求，选择合适的试验方法和设备。常见的试验方法包括抗压强度试验、抗折强度试验、流动度试验等。设备可以是实验室中常用的试验机、流动度计等。

3.制备试样。根据试验方法的要求，按照确定的配比比例，将水泥、骨料和水混合制备成试样。注意控制水泥的含水量和混合均匀性，以确保试验结果的准确性。

4.进行试验。根据选定的试验方法和设备，进行相应的试验。例如，对于抗压强度试验，将试样放入试验机中，施加一定的压力，测定其抗压强度。对于流动度试验，将试样置于流动度计中，测定其流动性。

5.根据分析结果进行配比调整。根据分析结果，对砂浆配比进行调整。可以增加或减少水泥、骨料或水的用量，以达到目标要求。

6.验证调整后的配比。根据调整后的配比，制备新的试样进行试验，验证其性能是否满足工程要求。如果满足要求，则该配比可作为最终设计的配比方案。

二、干混砂浆配比优化方法

（一）基于材料性能的优化方法

基于材料性能的干混砂浆配比优化方法是通过充分了解材料的物理和化学性能，以及它们对砂浆性能的影响，来优化砂浆配比，以实现更好的性能和经济性。

首先，需要深入了解所使用的材料。砂、水泥和填料是常见的干混砂浆组成部分。可以通过实验室测试来确定这些材料的物理和化学性能，例如砂的颗粒分布、水泥的强度和活性，以及填料的粒度和形状等。通过收集和分析这些数据，可以确定每种材料的最佳使用范围和比例。例如，如果砂的颗粒分布过于不均匀，可以考虑对其进行筛分或者添加其他细度适中的填料来改善其工作性能[1]。

其次，可以利用试验设计和统计分析来确定材料比例的最佳组合。通过设计一系列试验，可以系统地改变材料比例，然后通过测量和分析砂浆的性能指标（如抗压强度、流动性和耐久性），找到最佳的配比组合。这种优化过程可以使用专业软件进行模拟和分析，以提高效率和准确性。在优化过程中，还需要考虑其他因素，如施工要求和成本。例如，如果项目对砂浆的强度要求较高，可以增加水泥的用量，但这可能会增加成本。因此，根据实际情况，需要在性能和经济之间进行权衡。

（二）基于优化算法的配比优化方法

干混砂浆配比优化通常涉及多种原材料，如水泥、细砂、石灰、外加剂等，其性能受配比中各组分比例的影响较大。为获取最优配比，可运用遗传算法（Genetic Algorithm, GA）等优化算法，以改善和提升砂浆的工作性、强度和耐久性等关键性能指标。

首先，定义砂浆性能的目标函数，如抗压强度、和易性、保水性等，并将其转化为数学表达式。例如，抗压强度可以表示为目标函数f = w1 * P1 + w2 * P2 + ... + wn * Pn，其中P1, P2, ..., Pn是砂浆的性能指标，w1, w2, ..., wn是对应的权重。

然后，根据实际生产条件和国家标准，设定各原材料的用量范围和成本，构建约束条件。例如，水泥的用量可以设置在300-500kg/m³，细砂的用量设置在600-800kg/m³，这些都作为算法的搜索边界。接下来，初始化一个随机种群，每个个体代表一种可能的砂浆配比。采用交叉、变异操作模拟自然遗传过程，不断生成新的配比方案。例如，交叉率可设为0.8，变异率可设为0.05，意味着有80%的概率进行配比基因的交换，5%的概率进行随机变异[2]。

优化过程中，通过评估目标函数值来选择优秀个体进行繁殖，淘汰性能差的配比。随着迭代次数的增加，种群将逐渐向最优解聚集。比如，经过200代的迭代后，某配比的抗压强度从初始的30MPa提升至60MPa，和易性由15秒提升至10秒。最终通过验证实验确认算法找到的最优配比，确保其在工程应用中的可靠性。例如，实验室测试该配比下砂浆的28天抗压强度达到了65MPa，远超设计要求的50MPa，和易性保持在优化目标的10秒以内，满足工程实际需要。通过这样的技术性内容与具体措施，干混砂浆配比的优化得以实现，确保了砂浆产品的质量与经济性。

（三）基于试验数据的配比优化方法

基于试验数据的砂浆配比优化方法是通过实验获取大量数据，并利用这些数据进行分析和优化，以获得更好的配比方案。

首先，为了进行配比优化，需要收集一系列与砂浆性能相关的试验数据。这些数据包括不同材料比例下的强度、流动性、收缩性等方面的测试结果。通过实验，可以获得不同配比下的性能数据，建立起一组基础数据。

接下来，需要对收集到的数据进行分析。可以采用统计方法，比如回归分析或者主成分分析等，以确定各个因素对砂浆性能的影响程度。通过分析数据，可以了解不同因素之间的关系，并找到对砂浆性能影响较大的关键因素。

除了以上的步骤，还可以采用一些具体的措施来进一步优化配比方案。例如，通过添加掺合料或化学添加剂来改善砂浆性能，或者调整材料的颗粒大小分布以达到更好的流动性和强度等。需要强调的是，在进行配比优化时，应该充分考虑实际施工条件和材料的可行性。不仅需要追求性能的最大化，还需要考虑到成本、施工性和环境等因素[3]。

结语：综上所述，优化后的干混砂浆配比能够提供更好的工作性、更高的强度以及更优的耐久性，满足现代建筑对材料性能的严格要求。本研究成果对于推动干混砂浆行业的技术进步、提升建筑工程质量、降低建筑材料成本具有重要的实际意义。同时，研究提出的配比优化理念和方法，为干混砂浆产品的研发和生产提供了科学的指导，有助于促进建筑材料行业的可持续发展。未来，随着建筑技术的不断演进，干混砂浆配比设计还将继续优化，以适应更加多样化和高标准的应用需求。

参考文献：

[1]王青发.机制砂MB值对干混砂浆性能的影响[J].江西建材,2023,(09):23-24.

[2]张鹤.焙烧尾矿渣制备抹灰砂浆试验研究[J].水利科学与寒区工程,2023,6(06):54-57.

[3]海龙,梁冰,戴宏锋等.粉煤灰普通砌筑干混砂浆合理配比研究[J].安全与环境学报,2014,14(01):157-159.