正交試驗分析不同摻合料對混凝土強度的影響

孫志彬，張思雨

（河北建設集團股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

0 引言

混凝土作為目前建筑業最廣泛的建筑材料，其原材日益緊張，不僅砂、石品質不穩定，水泥、粉煤灰、高爐粒化礦渣粉等膠凝材料也出現價格上升、性能參差不齊等現象，因此亟需探尋性價比高的摻合料。

選礦廢棄物鐵尾礦近年來備受關注，將鐵尾礦作為骨料進行的試驗研究更是不計其數，本文以鐵尾礦粉作為摻合料進行試驗，探尋鐵尾礦摻合料的可用性及其對強度的影響。

1 試驗內容與方法

1.1 試驗內容

首先對所用原料進行各項性能指標測試，選定用料，然后以粉煤灰摻量、礦渣粉摻量、鐵尾礦粉摻量、水膠比為因素，采用正交試驗法設計 C30 混凝土配合比。用極差法分析各因素對混凝土強度的影響，根據極差法分析結果，結合控制變量法，用鐵尾礦粉進行試驗，以混凝土工作性能與強度為指標，驗證鐵尾礦粉摻合料的可用性，研究出符合各項性能指標的鐵尾礦粉摻合料混凝土，實現鐵尾礦粉的綜合利用。

1.2 試驗方法

（1）正交試驗法

正交試驗法就是利用正交表來對試驗進行整體設計、綜合比較、統計分析，實現通過較少的試驗次數找到較好的配合比，以達到最好效果，這種試驗設計法是從大量的試驗點中挑選適量的具有代表性的點，利用已經造好的正交表來安排試驗并采用數據分析的方法。正交表能夠在因素變化范圍內均衡抽樣，使每次試驗都具有較強的代表性，由于正交表具備均衡分散的特點，保證了全面試驗的某些要求，這些試驗往往能夠較好或更好的達到試驗的目的。

（2）混凝土拌合方法

混凝土選用 HJW-60 型單軸強制式混凝土攪拌機拌合。拌合前先沖洗攪拌機，且預拌少量同水膠比的砂漿或配合比相同的混凝土拌合物，當攪拌機內壁掛漿后卸出剩余漿料。將稱量好的膠凝材料、砂、石干拌1min，加水和外加劑后攪拌 2min，卸出拌合物手拌均勻，測定混凝土工作性能。

（3）混凝土拌合物性能評定方法

混凝土拌合物工作性能主要測定其坍落度和擴展度以及倒排空時間。在試驗過程中結合混凝土和易性綜合評定其工作性能。具體試驗標準參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》。

（4）混凝土抗壓強度評定方法

混凝土不同齡期抗壓強度按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測定。

2 試驗過程及結果分析

2.1 原材料

（1）水泥：選用河北京蘭 P·O42.5 水泥，該水泥各項性能指標均符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的規定要求，主要性能指標見表 1。

表 1 水泥的物理性能指標

（2）粉煤灰：選用保定雄華商貿Ⅱ級粉煤灰，主要性能指標見表 2。

（3）礦粉：選用保定乾華建材 S95 級礦渣粉，主要性能指標見表 3。

表 3 礦渣粉性能指標

（4）鐵尾礦粉：選用淶源鐵尾礦，磨成粉體作為摻合料，主要性能指標見表 4。鐵尾礦粉粒徑分布表見表 5。

表 4 鐵尾礦粉性能指標

（5）外加劑：選用保定慕湖恒源新型建材有限公司生產的聚羧酸減水劑。

表 5 鐵尾礦粉粒徑分布表

（6）碎石：選用保定滿城 5～25mm 連續級配碎石。

（7）砂：選用滿城天然中砂，級配良好。

2.2 混凝土工作性能研究

粉煤灰與礦渣粉以不同比例取代水泥，同時將鐵尾礦粉作為摻合料取代粉煤灰進行復摻，水膠比為 0.5 進行試配。利用正交試驗對其進行探究，記錄混凝土工作性能。正交試驗配合比及坍落度、擴展度、倒排空時間和拌合物狀態見表 6。

當用鐵尾礦粉作為摻合料取代粉煤灰時，混凝土拌合物性能較不穩定，在礦粉摻量較低時，混凝土拌合物流動性差，鐵尾礦粉保水性能較差，混凝土拌合物容易泌水，拌合物狀態需調整。

表 6 鐵尾礦粉取代粉煤灰配合比及拌合物性能

2.3 混凝土強度對比及分析

將 SP1～SP25 重新整理編號，按摻合料摻量比例重新排序，測定混凝土 7d、28d 抗壓強度，利用極差法分析摻合料對試體強度影響顯著程度。

鐵尾礦粉取代粉煤灰配合比及抗壓強度見表 7。

利用極差法分析當鐵尾礦粉做為摻合料時，粉煤灰取代率、鐵尾礦粉取代率、礦渣粉摻量對試體強度影響顯著程度，極差分析結果見表 8。

表 7 鐵尾礦粉取代粉煤灰配合比及抗壓強度

表 8 試體強度極差分析

級差分析結果顯示，用鐵尾礦作為摻合料部分取代粉煤灰時，對混凝土強度影響顯著性由高到低的因素分別是：鐵尾礦粉摻量、粉煤灰摻量、礦渣粉摻量，其中影響最顯著的因素為鐵尾礦粉摻量，鐵尾礦粉摻量水平差為 5.26，粉煤灰摻量水平差為 3.67，礦渣粉摻量水平差為 2.24。結合混凝土強度分析，混凝土強度均能達到C30，但混凝土拌合物性能不夠穩定，狀態不好控制，因此將進一步驗證材料可用性。

2.4 鐵尾礦粉摻合料可用性試驗

為驗證鐵尾礦粉摻合料可用性，選取試驗中其他摻合料較高摻量，其中粉煤灰摻量為 20%，礦渣粉摻量為30%，同時鐵尾礦粉以 0、10%、20%、30%、40% 取代率部分取代粉煤灰，水膠比為 0.5，采用控制變量法進行試配。

表 9 不同比例鐵尾礦粉摻合料混凝土試驗數據

試配過程中混凝土拌合物性能不穩定，坍落度較小，流動性差，因此提高水膠比為 0.53，過程中，記錄拌合物坍落度數據，并測定試體抗壓強度，本次以 7d和 28d 強度作為參考數據。具體配合比及試驗數據見表9。

粉煤灰摻量為 20%，礦粉摻量為 30% 時，混凝土7d、28d 抗壓強度隨鐵尾礦粉取代量的變化曲線圖見圖1。

圖 1 鐵尾礦粉取代量對混凝土抗壓強度的影響

粉煤灰摻量為 20%、礦渣粉摻量為 30%時，加入鐵尾礦粉會使混凝土 7d、28d 強度降低，但混凝土 28d 強度均滿足 C30 要求，其中鐵尾礦粉取代率為 20% 時，混凝土強度最高達 38.9MPa，鐵尾礦粉取代率為 40%時，強度最低為 37.3MPa。

3 結論

（1）鐵尾礦粉對混凝土拌合物性能及強度影響較為顯著，但在可控范圍內，可以適宜配比進行利用，實現鐵尾礦粉摻合料綜合利用。

（2）當以鐵尾礦粉作為摻合料部分取代粉煤灰時，鐵尾礦粉摻量對混凝土強度影響最顯著，水膠比0.5 時，級差為 5.26。

（3）采用粉煤灰以 20% 取代率取代水泥作為摻合料，鐵尾礦粉取代率為 20% 取代粉煤灰，礦渣粉以30% 取代率取代水泥，試件 28d 強度可達 38.9MPa，最終確定配合比為：C: IIIF: Fe: K: S: G: W: A=1.00: 0.32:0.08: 0.60: 5.89: 4.56: 0.73: 0.0480。