摻工業廢料混凝土的正交試驗研究

摘 要：用硅粉、粉煤灰和鋰渣為摻和料等量取代水泥，采用L16（43）正交表進行試驗設計，利用極差分析方法處理試驗數據。試驗結果表明：適量的硅粉可以增加混凝土流動性和后期強度，降低混凝土早期強度，硅粉過量時，混凝土流動性和強度均有所降低；粉煤灰和鋰渣可以增加混凝土流動性，對混凝土后期強度影響較小，但會降低混凝土早期強度；硅粉、粉煤灰和鋰渣對混凝土拉壓比影響較小；可以借助極差分析手段制備具有特定功能要求的混凝土。

關鍵詞：硅粉；粉煤灰；鋰渣；正交試驗；極差分析

硅粉、粉煤灰和鋰渣均為工業廢料，產生環境污染、占用土地資源、危害健康等影響，若將其作為混凝土摻和料，不僅避免了上述危害，還具有良好的經濟效益和社會效益，實現變廢為寶。[1]本文運用極差分析[2]手段，以硅粉摻量、粉煤灰摻量和鋰渣摻量為影響因素設計正交試驗，以混凝土坍落度、3d、7d、28d和56d抗壓強度、28d劈裂強度和拉壓比7項評價指標對混凝土綜合性能進行評估，以期用工業廢料制備具有特定功能的混凝土，為工程實踐提供參考。

1 試驗方案

1.1 原材料

選用P·O 42.5級水泥；砂為中砂，細度模數2.6；石子為碎石，粒徑5-15mm；硅粉由科明瑞非金屬有限公司生產；粉煤灰由平圩電廠生產；鋰渣由和生復合材料有限公司生產；材料的特征參數見表1。

1.2 配合比與試驗結果

考慮硅粉摻量（α）、粉煤灰摻量（β）和鋰渣摻量（γ）3個影響因素，每個因素4個水平（α為4%、8%、12%和16%，β為6%、12%、18%和24%，γ為8%、16%、24%和32%），按正交表L16（43）進行配合比設計，對其坍落度、3d、7d、28d和56d抗壓強度以及28d劈裂強度進行試驗，配合比見表2，試驗結果見表3。

2 分析與討論

2.1 極差分析

以坍落度（Y1）、3d、7d、28d和56d抗壓強度（Y2，Y3，Y4，Y5）、28d劈裂強度（Y6）和拉壓比（Y7）作為評價指標，yi，j表示第j組Yi的值（i=1，2…7；j=1，2…16），bi，j表示對試驗結果yi，j的滿意度，[3]其計算公式見式（1），Kk表示對某因素第k水平的滿意度（k=1，2…4），其值為某因素在第k水平下的bi，j之和，故最大的Kk值對應于最優的水平，R為Kk的極差，其值越大，說明該因素變動時對試驗結果的影響越大，從而可按照R的大小來確定影響因素的主次順序。[4]bi，j的計算結果見表4，Kk和R的計算結果見表5。

通過表5可以看出：（1）影響因素對評價指標Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6和Y7的影響順序分別為γ﹥β﹥α，β﹥γ﹥α，β﹥γ﹥α，α﹥β﹥γ，β﹥α﹥γ，α﹥β﹥γ以及β﹥α﹥γ；（2）對應于Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6和Y7的最佳因素水平組合分別為α2β4γ4，α1β1γ1，α2β1γ1，α2β2γ2，α2β3γ2，α2β2γ2和α2β3γ2。

2.2 機理分析

由表1可知，鋰渣和粉煤灰具有較低的需水率和較小的比表面積，故將其等量取代水泥后會增加混凝土的坍落度，硅粉的顆粒極細，將其摻入混凝土中可以改善水泥漿體的顆粒級配，產生所謂的“滾珠效應”，[5]從而增加混凝土坍落度，但是硅粉的需水率較大，若摻入量過大，會導致混凝土更粘稠，降低了坍落度，[6]因此，可以選擇摻入過量的粉煤灰和鋰渣以及適量的硅粉以制備大坍落度的混凝土；由于鋰渣的底活性以及硅粉在高濃度堿環境下才能激發出其火山灰活性，[7]粉煤灰、鋰渣和硅粉的摻入均會降低混凝土早期強度，若對于早期強度有要求的混凝土，不摻或者盡量少摻粉煤灰、鋰渣和硅粉為宜；對于混凝土后期抗壓強度，以適量硅粉摻量為宜，當硅粉摻量過大時，水泥水化產生的Ca（OH）2不足以將硅粉消耗完全，[8]而硅粉本身不會發生水化反應，從而導致混凝土強度有一定的降低；各因素對劈裂強度的影響與對抗壓強度的影響原理相同，不再贅述；由表5可知，拉壓比一欄的極差相對較小切相近，說明各因素對拉壓比影響均較小且差異不大。

3 結論

1）適量的硅粉可以增加混凝土流動性，硅粉過量時，混凝土流動性和強度均有所降低；

2）粉煤灰和鋰渣可以增加混凝土流動性；

3）硅粉、粉煤灰和鋰渣對混凝土拉壓比影響較小；

4）可以借助極差分析手段制備具有特定功能要求的混凝土。

參考文獻：

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作者簡介：劉真（1993-），男，江蘇徐州人，在讀碩士，研究方向：新型混凝土材料。