摻合料對沙漠砂水泥基材料性能影響的試驗研究

陳德龍，安杰

（1.中建新疆建工（集團）有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000）

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益發(fā)展，天然砂資源日漸緊缺，尋找可替代天然砂的材料極為重要。在沙漠地區(qū)，用沙漠砂替代普通砂制備混凝土、砂漿等建材逐漸成為研究的熱點。新疆境內(nèi)分布著塔克拉瑪干和古爾班通古特兩大沙漠，具有豐富的沙漠砂天然資源。新疆地區(qū)由于冬季采暖和基于燃煤電廠的火力能源，大量的粉煤灰等煤基灰渣沒有得到合理的資源化利用。

在煤基灰渣研究方面，張彭成[1]進行了以脫硫石膏-粉煤灰為基本組分的新型砌塊材料研究，得出砌塊中粉煤灰的最佳摻量為25%～30%，Ca(OH)2的最大摻量是3%，熟料的最佳摻量是4%。孔祥香[2]在免蒸壓生產(chǎn)工藝條件下，以脫硫石膏、粉煤灰、生石灰、水泥等為原材料，通過試驗研究配合比設(shè)計和水膠比、料漿溫度及養(yǎng)護條件等因素對脫硫石膏基加氣混凝土抗壓強度、體積密度和澆注穩(wěn)定性的影響，最終獲得了各因素最佳摻量。陳瑜等[3]研究了粉煤灰-脫硫石膏-水泥凈漿在復(fù)合激發(fā)劑作用下的水化過程，結(jié)果表明粉煤灰早期火山灰活性顯著提高；脫硫石膏除自身析晶、具有一定的增強效應(yīng)外，還是粉煤灰火山灰活性理想的硫酸鹽激發(fā)劑?？娯S羽等[4]設(shè)計粉煤灰、脫硫石膏、煤渣粉粒、水泥和石灰摻量5 種單因素試驗，測試了抗壓強度和表觀密度，提出了基于電廠工業(yè)灰渣利用率最大化前提下各材料的合理摻量范圍。呂開清等[5]開展了利用當?shù)毓I(yè)固廢制備輕質(zhì)陶?；炷恋挠嘘P(guān)研究，基于不同砂率、不同微硅粉摻量、不同脫硫石膏摻量和不同水膠比系列單因素試驗，分析了幾種工業(yè)廢料作為陶?；炷恋膿胶狭鲜褂玫目尚行?。夏多田等[6]以脫硫灰、沙漠砂、粉煤灰、水泥和石膏為主要原料進行了綠色砂漿配合比的正交試驗，分析論證了利用粉煤灰、脫硫灰等固廢資源和沙漠砂制備低強度等級的砌筑砂漿的可行性。陳俊杰等[7]利用正交設(shè)計方法對沙漠砂代替河砂配制混凝土進行了試驗研究，取水膠比0.4、灰砂比1:1、沙漠砂替代率40%、粉煤灰摻量10%和減水劑0.5%時，可配制出滿足混凝土強度要求的沙漠砂混凝土。李志強等[8]開展的高摻量沙漠砂混凝土力學性能的試驗研究表明當沙漠砂替代普通河砂的替代率為80%時，仍能制備出具有較好力學性能和工作性能的沙漠砂混凝土。

本文以沙漠砂為細骨料，以水泥為主要膠凝材料，以脫硫石膏、粉煤灰、石灰和硅粉為摻合料制備新型水泥基材料。基于正交試驗，研究了四種摻合料摻量對新型沙漠砂水泥基材料性能的影響。

2 原材料與方法

2.1 原材料

試驗材料為沙漠砂、水泥、粉煤灰、脫硫石膏、石灰、硅粉。水泥為P·C42.5級復(fù)合硅酸鹽水泥，技術(shù)性能符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）；沙漠砂取自新疆準格爾盆地古爾班通古特沙漠，細度模數(shù)為0.183；粉煤灰和脫硫石膏取自石河子市南區(qū)燃煤熱電廠。粉煤灰、脫硫石膏和沙漠砂的主要化學成分及含量見文獻[5-6]，試驗用水為潔凈自來水。

2.2 試驗方案與試驗方法

2.2.1 試驗設(shè)計

試驗以水泥、粉煤灰、脫硫石膏、石灰和硅粉為膠凝材料形成多元膠凝體系。試驗中，固定水泥和沙漠砂的質(zhì)量分數(shù)，取粉煤灰、脫硫石膏、石灰和硅粉為四因素，每個因素取三個水平，設(shè)計L9（34）正交試驗方案，試驗水膠比為0.36，詳細試驗方案見表1。主要研究粉煤灰等四個因素不同摻量與材料表觀密度、28d 抗壓強度以及抗折強度的關(guān)系，以找出在材料表觀密度≤19.0kN/m3情況下28d 抗折強度、抗壓強度、抗折軟化系數(shù)、抗壓軟化系數(shù)最佳的材料配合比。

表1 正交試驗因素及水平表

2.2.2 試驗儀器

本試驗主要儀器、工具有行星式水泥膠砂攪拌機、40mm×40mm×160mm水泥膠砂三聯(lián)試模、震動臺、水泥混凝土標準養(yǎng)護箱、抗折試驗機、60t壓力機。

2.2.3 試驗方法

試驗按照文獻[9]進行。試件經(jīng)行星式水泥膠砂攪拌機攪拌后在振動臺上振搗成型，室內(nèi)覆膜養(yǎng)護24h 后脫模，試件脫模后放在養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7d 后取出，然后在室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護至28d 齡期。抗折機以50±10N/s 的速率均勻施加荷載，抗壓試驗采用30t 噸壓力機，每秒0.5MPa施加荷載。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

試驗測得材料28d 的表觀密度、抗壓強度及抗折強度試驗數(shù)據(jù)，以及計算得到的抗折、抗壓軟化系數(shù)見表2。材料28d 抗折強度范圍為3.09～4.28MPa；28d 抗壓強度范圍為29.26～44.67MPa，抗壓強度變化幅度較大；材料表觀密度變化范圍為18.04～19.43kN/m3；28d 抗折軟化系數(shù)變化范圍為0.40～1.16；28d抗壓軟化系數(shù)變化范圍為0.48～0.86。

表2 試驗數(shù)據(jù)與極差分析表

3.2 試驗結(jié)果的極差分析

分別對材料的抗折強度、抗壓強度、表觀密度、抗折軟化系數(shù)以及抗壓軟化系數(shù)進行極差分析，各指標極差分析R值與K值見表2。

3.2.1 各因素對材料抗折強度的影響

材料抗折強度R 值與各因素關(guān)系圖以及抗折強度K 值與各因素水平關(guān)系曲線見圖1和圖2。

圖1 抗折強度R值與各因素關(guān)系

圖2 抗折強度K值與各因素水平關(guān)系

由圖1、表2可以看出對材料抗折強度影響顯著性順序為B>C>D>A，但B、C、D 三因素顯著性相差不大。結(jié)合圖2可知，隨因素B 摻量的增加，材料抗折強度先緩慢增加后顯著下降；隨因素C 摻量的增加，材料抗折強度先顯著提高后緩慢下降；隨因素D 硅粉摻量的增加，抗折強度先顯著下降后小幅提升；因素A的顯著性較小，隨因素A 摻量的增加，抗折強度變化較為平緩。A、B、C 三因素均在水平2 處達到最大值，D 因素在水平2 處達到最小值?；?8d 抗折強度最大化的最優(yōu)方案為A2B2C2D1。

3.2.2 各因素對材料抗壓強度的影響

材料抗壓強度R 值與各因素關(guān)系圖以及抗壓強度K 值與各因素關(guān)系曲線見圖3和圖4。

圖3 抗壓強度R值與各因素關(guān)系

圖4 抗壓強度K值與各因素水平關(guān)系

由圖3、表2可以看出對材料抗壓強度影響顯著性順序為B>C>D>A。結(jié)合圖4，隨著因素B 摻量的增加，材料抗壓強度隨之下降，在水平2 之前抗壓強度降低較為顯著，水平2 之后下降較為緩慢；對于因素A、C，隨著摻量的增加，28d抗壓強度先增加后減小，在水平2處達到最大值；隨著因素D 摻量的增加，抗壓強度緩慢增加?；?8d 抗壓強度最大化的最優(yōu)方案為A2B1C2D3。

3.2.3 各因素對材料表觀密度的影響

材料表觀密度R 值與各因素關(guān)系圖以及材料表觀密度K 值與各因素關(guān)系曲線見圖5和圖6。

圖5 表觀密度R值與各因素關(guān)系

圖6 表觀密度K值與各因素水平關(guān)系

由圖5、表2可以看出對材料表觀密度影響顯著性順序為B>A>D>C。結(jié)合圖6 可知，隨因素B 摻量的增加表觀密度在減??；隨因素A 摻量的增加，材料表觀密度先略微增加，后顯著下降；C、D為次要因素，隨因素C 摻量的增加，材料表觀密度先增加后減小，在水平2 處達到最大值；隨因素D摻量的增加，材料表觀密度呈減小趨勢。四個因素均在水平3摻量時，材料表觀密度達到最小?；诓牧媳碛^密度最小化的最優(yōu)方案為A3B3C3D3。

3.2.4 各因素對抗折軟化系數(shù)的影響

材料抗折軟化系數(shù)R 值與各因素關(guān)系圖以及材料表觀密度K 值與各因素關(guān)系曲線見圖7和圖8。

圖7 材料抗折軟化系數(shù)R值與各因素關(guān)系

圖8 材料抗折軟化系數(shù)K值與各因素水平關(guān)系

由圖7、表2可以看出對材料抗折軟化系數(shù)影響顯著性順序為D>A>B>C。結(jié)合圖8 可知，隨因素D 摻量的增加，材料抗折軟化系數(shù)先增加后顯著下降，在水平2 處達到最大值；隨因素A 摻量的增加，材料抗折軟化系數(shù)先減小后增加，在水平2 處達到最小值；B、C 為次要因素，隨因素B 摻量增加，材料抗折軟化系數(shù)呈增加趨勢；隨因素C 摻量的增加，材料軟化系數(shù)呈減小趨勢?；诓牧峡拐圮浕禂?shù)最大值的最優(yōu)方案為A1B3C1D2。

3.2.5 各因素對材料抗壓軟化系數(shù)的影響

材料抗壓軟化系數(shù)R 值與各因素關(guān)系圖以及抗壓軟化系數(shù)K 值與各因素關(guān)系曲線見圖9和圖10。

圖9 抗壓軟化系數(shù)R值與各因素關(guān)系

圖10 抗壓軟化系數(shù)K值與各因素水平關(guān)系

由圖9、表2可以看出材料抗壓軟化系數(shù)影響顯著性順序為D>A>C>B。結(jié)合圖10 可知，隨因素D 摻量的增加，抗壓軟化系數(shù)呈增加趨勢；隨因素A 摻量的增加，抗壓軟化系數(shù)先減小后顯著增加，在水平2 達到最小值；B、C 為次要因素，隨因素B 摻量的增加，抗壓軟化系數(shù)先略微減小，后顯著增加，在水平2 處達到最小值；隨因素C 摻量的增加，抗壓軟化系數(shù)先略微增加，后顯著減小，在水平2 處達到最大值?；诳箟很浕禂?shù)最大值的最優(yōu)方案為A3B3C2D3。

3.2.6 基于綜合分析的最優(yōu)配合比

因素A 對抗壓強度和抗折強度影響顯著性均排在最后一位，屬于次要因素；對材料表觀密度、抗折軟化系數(shù)和抗壓軟化系數(shù)影響顯著性排在第二，屬于主要因素。由以上分析可知，基于抗折強度、抗壓強度A2為最優(yōu)，基于材料表觀密度和抗壓軟化系數(shù)A3為最優(yōu)，基于抗折軟化系數(shù)A1為最優(yōu)。當選取A1時，抗折強度相對于選A2時降低0.80%，即（11.26-11.35）/11.26=-0.80%；抗壓強度降低 5.59%，即（99.32-104.87）/99.32=-5.59%；表觀密度降低0.07%，即（56.75-56.79）/56.75=-0.07%；抗折軟化系數(shù)增加29.45%，即（2.92-2.06）/2.92=29.45%；抗壓軟化系數(shù)增加13.50%，即（2.37-2.05）/2.37=13.50%。選取A2、A3時以相同方法進行分析，具體分析情況見表3。

表3 因素A最優(yōu)值分析比較表

由以上分析結(jié)果可知，選取A1相對于選取A2，抗折強度和抗壓強度分別下降0.80%、5.59%，降低幅度較小；材料表觀密度降低0.07%；抗折軟化系數(shù)和抗壓軟化系數(shù)分別提高29.45%、13.50%，提高幅度較大。因此選取A1優(yōu)于選取A2。同理，由表3 分析結(jié)果可得出選取A1優(yōu)于選取A3，選取A3優(yōu)于選取A2。綜合考慮選取A1為最優(yōu)。

因素B 材料抗折強度、抗壓強度和表觀密度影響的顯著性排在第一，屬于主要因素；抗折軟化系數(shù)、抗壓軟化系數(shù)分別排在第三位和第四位，屬于次要因素。由以上分析可知，基于材料抗折強度B2為最優(yōu)，基于抗壓強度B1為最優(yōu)，基于材料表觀密度、抗折軟化系數(shù)、抗壓軟化系數(shù)B3為最優(yōu)。分別選取B1、B2、B3進行分析，具體分析情況見表4。

由表4分析結(jié)果可得出選取B1優(yōu)于選取B2，選取B3優(yōu)于選取B1，選取B3優(yōu)于選取B2。綜合考慮選取B3為最優(yōu)。

因素C 對抗折強度以及抗壓強度影響顯著性均在第二位，屬于主要因素；對材料表觀密度、抗折軟化系數(shù)影響顯著性均在最后一位，對抗壓軟化系數(shù)影響顯著性在第三位，屬次要因素。基于材料抗折強度、抗壓強度，均為選取C2為最優(yōu)。

表4 因素B最優(yōu)值分析比較表

因素D 對材料抗折強度、抗壓強度、表觀密度的影響顯著性均排在第三，屬于次要因素；對抗折軟化系數(shù)、抗壓軟化系數(shù)影響顯著性排在第一，屬于主要因素。基于材料抗折強度最大應(yīng)選D1，基于抗折軟化系數(shù)最大應(yīng)選取D2，基于抗壓軟化系數(shù)最大、抗壓強度最大、材料表觀密度最小應(yīng)選取D3。分別選取D1、D2、D3進行分析，具體分析情況見表5。

表5 因素D最優(yōu)值分析比較表

由表5 分析結(jié)果可得出選取D2優(yōu)于選取D1，選取D1優(yōu)于選取D3，選取D2優(yōu)于選取D3。綜合考慮選取D2為最優(yōu)。

本次試驗的最優(yōu)組合為A1B3C2D2，即粉煤灰、脫硫石膏、石灰、硅粉的質(zhì)量份數(shù)比為0.5:2.0:0.3:0.1。

4 結(jié)束語

粉煤灰對材料抗折強度、抗壓強度的影響均為最不顯著。

脫硫石膏對材料抗折強度、抗壓強度和表觀密度三個指標的影響均為最顯著。

硅粉對材料抗折軟化系數(shù)和抗壓軟化系數(shù)兩個指標的影響均為最顯著。

材料表觀密度≤19.0kN/m3時，粉煤灰：脫硫石膏：石灰：硅粉的最優(yōu)配合比為0.5:2.0:0.3:0.1。