復(fù)合硅酸鹽水泥的正交優(yōu)化試驗(yàn)研究

張 鵬 飛

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

1 概述

生產(chǎn)水泥需要使用大量的自然不可再生資源，而這些不可再生資源日趨匱乏。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的力度持續(xù)加大，開采自然資源也受到很大的制約，而且在開采資源的過程中對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞非常嚴(yán)重。所以，高品質(zhì)綜合利用含硅鋁鈣等工業(yè)固體廢棄物資源可以減緩對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。由于過火煤矸石、礦渣微粉和粉煤灰等工業(yè)固體廢棄物均具有一定的潛在活性，這些固廢資源也是生產(chǎn)不同品種水泥的活性混合材料，而山西這類固廢資源非常豐富，如果使用這些固廢資源來生產(chǎn)復(fù)合硅酸鹽水泥可極大地提高固廢資源的利用率。由于復(fù)合硅酸鹽水泥具有其他通用硅酸鹽水泥不可比擬的優(yōu)越性能，可以直接用于商品混凝土生產(chǎn)企業(yè)，解決了商品混凝土公司添加不同摻合料帶來的一系列質(zhì)量隱患。本研究針對(duì)通過前期大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化組合出各組分的添加比例，采用四個(gè)因素和三個(gè)水平進(jìn)行正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)法來研究復(fù)合硅酸鹽水泥的優(yōu)化組合，優(yōu)化組合出的復(fù)合硅酸鹽水泥對(duì)固廢資源綜合利用具有指導(dǎo)意義，為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能降耗提供技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)材料、方法和方案

2.1 試驗(yàn)研究用原材料

采用的硅酸鹽水泥熟料由山西金源水泥廠提供，過火煤矸石由西山煤電有限公司提供，超細(xì)礦粉(K)由太鋼集團(tuán)生產(chǎn)，粉煤灰(F)由太原一電廠生產(chǎn)，其中粉煤灰(F)與超細(xì)礦粉(K)的比例為因素A，二水石膏采用太原二電廠排出的二水脫硫石膏(因素B)。激發(fā)助磨劑(因素C)和激發(fā)劑(因素D)均由山西大學(xué)研制，其主要化學(xué)成分為鋁、硅酸鹽類、有機(jī)醇等助磨激發(fā)組分。

2.2 試驗(yàn)方法

1)采用水泥GB175中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2)研究方法采用正交試驗(yàn)方法。

2.3 正交試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)涉及到四因素三水平，故采用L9(34)正交設(shè)計(jì)表。正交設(shè)計(jì)因素與水平如表1所示，正交設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表1 因素與水平的確定

3 四因素三水平試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 四因素三水平試驗(yàn)結(jié)果

表2 正交方案

該試驗(yàn)根據(jù)L9(34)正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)了9組復(fù)合硅酸鹽水泥配方，F(xiàn)/K復(fù)合摻合料、石膏的總摻量為18%，激發(fā)劑C和D按照所有膠凝材料的百分率來添加，熟料的摻量為32%，煤矸石粉的摻量為50%，其試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 復(fù)合硅酸鹽水泥正交試驗(yàn)結(jié)果

3.2 復(fù)合水泥正交試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.2.1復(fù)合水泥初凝時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果極差分析

四個(gè)因素A(F/K)，B，C，D對(duì)初凝時(shí)間影響的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析，其分析結(jié)果如表4所示。

表4 初凝時(shí)間極差分析

從表4的數(shù)據(jù)可以觀察出，A(F/K),B,C和D四個(gè)因素對(duì)復(fù)合硅酸鹽水泥的初凝時(shí)間影響的主次順序?yàn)椋築>C>D>A，說明因素B對(duì)該水泥的初凝時(shí)間影響最大，因素A對(duì)水泥的初凝時(shí)間影響最小，在實(shí)際配制過程應(yīng)引起注意。

3.2.2復(fù)合水泥終凝時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果極差分析

四個(gè)因素A(F/K),B,C,D對(duì)終凝時(shí)間影響的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，其分析研究結(jié)果如表5所示。

表5 終凝時(shí)間極差分析

從表5的數(shù)據(jù)可以觀察出，A(F/K)，B，C和D四個(gè)因素對(duì)復(fù)合硅酸鹽水泥終凝時(shí)間影響的主次順序?yàn)椋築>D>A>C，說明因素B對(duì)該水泥的終凝時(shí)間影響最大，因素C對(duì)水泥的終凝時(shí)間影響最小。

3.2.3復(fù)合水泥3 d抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析

四個(gè)因素A(F/K),B,C,D對(duì)3 d抗折強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析，其分析研究結(jié)果如表6所示。

表6 3 d抗折強(qiáng)度極差分析

從表6的數(shù)據(jù)可以觀察出，A(F/K),B,C和D四個(gè)因素對(duì)復(fù)合硅酸鹽水泥3 d抗折強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋篊>B>D>A，說明因素C對(duì)該水泥的3 d抗折強(qiáng)度影響最大，因素A對(duì)水泥的3 d抗折強(qiáng)度影響最小。

3.2.4復(fù)合水泥3 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析

因素A(F/K),B,C,D對(duì)3 d抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析，其分析研究結(jié)果如表7所示。

表7 3 d抗壓強(qiáng)度極差分析

從表7的數(shù)據(jù)可以觀察出，A(F/K),B,C和D四個(gè)因素對(duì)復(fù)合硅酸鹽水泥3 d抗壓強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋篋>C>A>B，說明因素D對(duì)該水泥的3 d抗壓強(qiáng)度影響最大，因素B對(duì)水泥的3 d 抗壓強(qiáng)度影響最小。

3.2.5復(fù)合水泥28 d抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析

四個(gè)因素A(F/K),B,C,D對(duì)28 d抗折強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析，其分析研究結(jié)果如表8所示。

從表8的數(shù)據(jù)可以以觀察出，A(F/K),B,C和D四個(gè)因素對(duì)復(fù)合硅酸鹽水泥28 d抗折強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋篊>A>B>D，說明因素C對(duì)該水泥的28 d抗折強(qiáng)度影響最大，因素D對(duì)水泥的28 d抗折強(qiáng)度影響最小。

表8 28 d抗折強(qiáng)度極差分析

3.2.6復(fù)合水泥28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析

因素A(F/K),B,C,D對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析，其分析研究結(jié)果如表9所示。

從表9的數(shù)據(jù)可以觀察出，A(F/K),B,C和D四個(gè)因素對(duì)復(fù)合硅酸鹽水泥28 d抗壓強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋篊>B>D>A，說明因素C對(duì)該水泥的28 d抗壓強(qiáng)度影響最大，因素A對(duì)水泥的28 d抗壓強(qiáng)度影響最小。

依據(jù)上述四因素三水平分析研究得出，對(duì)該復(fù)合硅酸鹽水泥初凝時(shí)間和終凝時(shí)間影響的最優(yōu)組合為A2B1C2D3；3 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度為A3B1C3D2；28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度為A2B2C3D1和A2B1C2D3；綜合優(yōu)化組合為A2B1C2D3。

4 結(jié)論和建議

1)對(duì)初凝時(shí)間的影響主次為B>C>D>A，終凝時(shí)間為：B>D>A>C，3 d抗折、抗壓強(qiáng)度為：C>B>D>A,D>C>A>B，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度為C>A>B>D,C>B>D>A；初凝時(shí)間和終凝時(shí)間影響的最優(yōu)組合為A2B1C2D3；3 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度為A3B1C3D2；28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度為A2B2C3D1和A2B1C2D3；綜合優(yōu)化組合為A2B1C2D3。

2)根據(jù)不同地區(qū)的固廢資源在使用過程中要進(jìn)行試驗(yàn)確定，不要簡(jiǎn)單地拿來主義，以免造成質(zhì)量事故；固廢綜合利用研究任重而道遠(yuǎn)，還需要進(jìn)一步深入研究其微觀機(jī)理及適用范圍。