復合硅酸鹽水泥的正交優化試驗研究

張 鵬 飛

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

1 概述

生產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。隨著國家對環境保護的力度持續加大，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生態環境的破壞非常嚴重。所以，高品質綜合利用含硅鋁鈣等工業固體廢棄物資源可以減緩對生態環境的破壞。由于過火煤矸石、礦渣微粉和粉煤灰等工業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復合硅酸鹽水泥可極大地提高固廢資源的利用率。由于復合硅酸鹽水泥具有其他通用硅酸鹽水泥不可比擬的優越性能，可以直接用于商品混凝土生產企業，解決了商品混凝土公司添加不同摻合料帶來的一系列質量隱患。本研究針對通過前期大量的試驗數據優化組合出各組分的添加比例，采用四個因素和三個水平進行正交設計試驗法來研究復合硅酸鹽水泥的優化組合，優化組合出的復合硅酸鹽水泥對固廢資源綜合利用具有指導意義，為社會可持續發展和節能降耗提供技術支撐。

2 試驗材料、方法和方案

2.1 試驗研究用原材料

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，超細礦粉(K)由太鋼集團生產，粉煤灰(F)由太原一電廠生產，其中粉煤灰(F)與超細礦粉(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)。激發助磨劑(因素C)和激發劑(因素D)均由山西大學研制，其主要化學成分為鋁、硅酸鹽類、有機醇等助磨激發組分。

2.2 試驗方法

1)采用水泥GB175中規定的標準進行實驗。

2)研究方法采用正交試驗方法。

2.3 正交試驗方案

本次試驗涉及到四因素三水平，故采用L9(34)正交設計表。正交設計因素與水平如表1所示，正交設計方案如表2所示。

表1 因素與水平的確定

3 四因素三水平試驗結果及分析

3.1 四因素三水平試驗結果

表2 正交方案

該試驗根據L9(34)正交試驗方案設計了9組復合硅酸鹽水泥配方，F/K復合摻合料、石膏的總摻量為18%，激發劑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%，其試驗結果見表3。

表3 復合硅酸鹽水泥正交試驗結果

3.2 復合水泥正交試驗結果和分析

3.2.1復合水泥初凝時間試驗結果極差分析

四個因素A(F/K)，B，C，D對初凝時間影響的試驗結果進行了極差分析，其分析結果如表4所示。

表4 初凝時間極差分析

從表4的數據可以觀察出，A(F/K),B,C和D四個因素對復合硅酸鹽水泥的初凝時間影響的主次順序為：B>C>D>A，說明因素B對該水泥的初凝時間影響最大，因素A對水泥的初凝時間影響最小，在實際配制過程應引起注意。

3.2.2復合水泥終凝時間試驗結果極差分析

四個因素A(F/K),B,C,D對終凝時間影響的試驗結果進行極差分析，其分析研究結果如表5所示。

表5 終凝時間極差分析

從表5的數據可以觀察出，A(F/K)，B，C和D四個因素對復合硅酸鹽水泥終凝時間影響的主次順序為：B>D>A>C，說明因素B對該水泥的終凝時間影響最大，因素C對水泥的終凝時間影響最小。

3.2.3復合水泥3 d抗折強度試驗結果極差分析

四個因素A(F/K),B,C,D對3 d抗折強度影響的試驗結果進行了極差分析，其分析研究結果如表6所示。

表6 3 d抗折強度極差分析

從表6的數據可以觀察出，A(F/K),B,C和D四個因素對復合硅酸鹽水泥3 d抗折強度影響的主次順序為：C>B>D>A，說明因素C對該水泥的3 d抗折強度影響最大，因素A對水泥的3 d抗折強度影響最小。

3.2.4復合水泥3 d抗壓強度試驗結果極差分析

因素A(F/K),B,C,D對3 d抗壓強度影響的試驗結果進行了極差分析，其分析研究結果如表7所示。

表7 3 d抗壓強度極差分析

從表7的數據可以觀察出，A(F/K),B,C和D四個因素對復合硅酸鹽水泥3 d抗壓強度影響的主次順序為：D>C>A>B，說明因素D對該水泥的3 d抗壓強度影響最大，因素B對水泥的3 d 抗壓強度影響最小。

3.2.5復合水泥28 d抗折強度試驗結果極差分析

四個因素A(F/K),B,C,D對28 d抗折強度影響的試驗結果進行了極差分析，其分析研究結果如表8所示。

從表8的數據可以以觀察出，A(F/K),B,C和D四個因素對復合硅酸鹽水泥28 d抗折強度影響的主次順序為：C>A>B>D，說明因素C對該水泥的28 d抗折強度影響最大，因素D對水泥的28 d抗折強度影響最小。

表8 28 d抗折強度極差分析

3.2.6復合水泥28 d抗壓強度試驗結果極差分析

因素A(F/K),B,C,D對28 d抗壓強度影響的試驗結果進行了極差分析，其分析研究結果如表9所示。

從表9的數據可以觀察出，A(F/K),B,C和D四個因素對復合硅酸鹽水泥28 d抗壓強度影響的主次順序為：C>B>D>A，說明因素C對該水泥的28 d抗壓強度影響最大，因素A對水泥的28 d抗壓強度影響最小。

依據上述四因素三水平分析研究得出，對該復合硅酸鹽水泥初凝時間和終凝時間影響的最優組合為A2B1C2D3；3 d抗折強度和抗壓強度為A3B1C3D2；28 d抗折強度和抗壓強度為A2B2C3D1和A2B1C2D3；綜合優化組合為A2B1C2D3。

4 結論和建議

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

2)根據不同地區的固廢資源在使用過程中要進行試驗確定，不要簡單地拿來主義，以免造成質量事故；固廢綜合利用研究任重而道遠，還需要進一步深入研究其微觀機理及適用范圍。