不同因素對(duì)泵送鋼渣配重混凝土性能影響及正交試驗(yàn)分析

李學(xué)進(jìn)，閆振民，張勇，謝慧東

（1. 濟(jì)南章丘市工程質(zhì)量與安全生產(chǎn)監(jiān)督站，山東 濟(jì)南 250200；2. 濟(jì)南市工程質(zhì)量與安全生產(chǎn)監(jiān)督站，山東 濟(jì)南 250014；3. 山東華森混凝土有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

不同因素對(duì)泵送鋼渣配重混凝土性能影響及正交試驗(yàn)分析

李學(xué)進(jìn)1，閆振民2，張勇3，謝慧東3

（1. 濟(jì)南章丘市工程質(zhì)量與安全生產(chǎn)監(jiān)督站，山東 濟(jì)南 250200；2. 濟(jì)南市工程質(zhì)量與安全生產(chǎn)監(jiān)督站，山東 濟(jì)南 250014；3. 山東華森混凝土有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

試驗(yàn)研究了不同膠凝材料比例、砂率、石粉砂及 5～10mm 細(xì)石石子比例對(duì)鋼渣混凝土表觀密度的影響，通過正交設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)鋼渣混凝土配合比，并進(jìn)行鋼渣混凝土的性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：膠凝材料比例是影響鋼渣混凝土性能的主要因素，其次是石粉砂摻量，再次是細(xì)石摻量，影響最小的是砂率。鋼渣混凝土總功效系數(shù)隨不同因素?cái)?shù)值的增加均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，得出最優(yōu)組合為 A2B2C3D3。

鋼渣混凝土；表觀密度；正交試驗(yàn)；功效系數(shù)

0 引言

鋼渣是煉鋼產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，約占鋼產(chǎn)量的15%～20%。我國鋼渣整體利用率很低，僅為 10% 左右，而歐洲的利用率達(dá)到 65%，日本美國的利用率則達(dá)到了100%[1,2]。大量鋼渣堆存，占用了大量的土地，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，破壞了生態(tài)環(huán)境[3]。有研究表明，鋼渣主要礦物組成為 C3S、C2S、CaCO3、Ca(OH)2、SiO2和 RO 相，其中C3S和 C2S 常溫下有一定的水硬活性，用于混凝土中有利于混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展及界面過渡區(qū)的改善，鋼渣取代粗骨料配制的混凝土強(qiáng)度優(yōu)于普通混凝土[4-6]。應(yīng)用石灰石配制的混凝土干表觀密度一般在 2400kg/m3左右，對(duì)于密度要求大于2600kg/m3的配重混凝土，需要采用較重的骨料才可以實(shí)現(xiàn)。鋼渣表觀密度一般在 3000kg/m3以上，且資源較豐富，本試驗(yàn)以鋼渣為混凝土粗骨料，以機(jī)制砂或石粉砂為細(xì)骨料，通過改善骨料級(jí)配，配制混凝土干表觀密度大于 2600kg/m3的泵送混凝土，分析膠凝材料、砂、5～10mm 細(xì)石等對(duì)混凝土表觀密度的影響，同時(shí)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)并對(duì)各因素對(duì)混凝土性能的影響做出分析。

1 試驗(yàn)原材料與測試方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：山東水泥廠 P·O42.5 水泥；粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰；石灰石機(jī)制砂，石灰石石料廠尾礦石粉砂，物理性能見表 1；鋼渣粗骨料，物理性能見表 2，粒徑分布見表 3；5～10mm 石灰石細(xì)石，物理性能見表 4；脂肪族復(fù)合外加劑，減水率 16%，摻量為 3.0%。

表 1 機(jī)制砂、石粉砂物理性能

表 2 鋼渣物理性能

表 3 鋼渣各粒徑分級(jí)篩余

表 4 5～10mm 細(xì)石物理性能

1.2 試驗(yàn)方法

配合比設(shè)計(jì)參照?qǐng)?zhí)行 JGJ55－2011 《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，鋼渣配重混凝土設(shè)計(jì)干表觀密度≥2600kg/m3，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C30。由于強(qiáng)度等級(jí)要求不是很高，首先應(yīng)考慮配制的混凝土干表觀密度滿足設(shè)計(jì)配重密度要求，同時(shí)要求混凝土出機(jī)坍落度大于 200mm，和易性良好，滿足泵送施工要求。混凝土拌合物性能試驗(yàn)參照 GB/T 50080－2002 《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測定混凝土拌合物表觀密度，出機(jī)及 40min 坍落度，觀察坍落后混凝土試體的和易性。參照 GB/T 50081－2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，成型 (100×100×100)mm 的混凝土試塊，在溫度為 (20±5)℃ 環(huán)境中靜置一天，然后編號(hào)、拆模。拆模后放入溫度為 (20±2)℃、相對(duì)濕度為 95% 以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，測試其不同齡期抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同因素對(duì)鋼渣混凝土表觀密度影響

鋼渣表觀密度較大，鋼渣混凝土中鋼渣骨料與砂、膠凝材料的密度相差較大，在泵送混凝土或大流動(dòng)性混凝土中很容易出現(xiàn)離析分層現(xiàn)象，為保證拌合物和易性，鋼渣混凝土中膠凝材料用量相對(duì)較高，對(duì)骨料級(jí)配要求會(huì)更加嚴(yán)格，本試驗(yàn)在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，配合比膠凝材料用量選用470kg/m3，試驗(yàn)中分別通過調(diào)整砂率、膠凝材料中粉煤灰比例、石粉砂占細(xì)骨料比例及細(xì)石占粗骨料比例改善混凝土級(jí)配。試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)結(jié)果見表 5 及圖 1～4。

表 5 試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)結(jié)果

圖 1 砂率對(duì)混凝土表觀密度影響曲線

圖 2 膠凝材料比例對(duì)混凝土表觀密度影響曲線

圖 3 石粉砂占細(xì)骨料比例對(duì)混凝土表觀密度影響曲線

圖 4 細(xì)石占粗骨料比例對(duì)混凝土表觀密度影響曲線

表 6 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) L16 (44)

由表 5 試驗(yàn)結(jié)果及圖 1～4 可以得出，通過調(diào)整混凝土用水量，在滿足鋼渣混凝土出機(jī)坍落度大于 200mm 要求的前提下：鋼渣混凝土表觀密度隨砂率逐漸增大而減小，但和易性隨砂率提高而改善，而且由于鋼渣表觀密度較大，砂率低于普通石灰石骨料混凝土，當(dāng)砂率達(dá)到 38% 時(shí)，鋼渣混凝土表觀密度達(dá)到 2760kg/m3，拌合物工作性良好，坍落度基本沒有損失；出機(jī)混凝土坍落度大于 200mm，鋼渣骨料表觀密度較大，較石灰石更容易下沉，為保證混凝土拌合物和易性，膠凝材料用量相對(duì)較高，鋼渣混凝土表觀密度隨粉煤灰摻量增加先增加后減小，當(dāng)水泥∶粉煤灰為 360∶110 時(shí)，拌合物表觀密度最大，和易性較好；砂率相同，鋼渣混凝土表觀密度隨石粉砂占細(xì)骨料比例的增加先增加后減小，當(dāng)取代比例為40% 時(shí)，拌合物表觀密度最大，為 2770kg/m3，混凝土工作性良好，但是由于石粉砂中石粉含量較高，當(dāng)石粉砂取代比例過高時(shí)，拌合物粘度較大；鋼渣表觀密度隨細(xì)石占粗料比例增加先增大后減小，當(dāng)細(xì)石取代比例為 9% 時(shí)，鋼渣表觀密度達(dá)到最大，且拌合物工作性良好，易于施工。

2.2 鋼渣配重混凝土正交試驗(yàn)分析

根據(jù)上述不同因素對(duì)鋼渣混凝土表觀密度的影響試驗(yàn)，正交試驗(yàn)中膠凝材料用量為 470kg/m3，骨料總重量為2100kg/m3，出機(jī)坍落度大于 200mm。砂率分別設(shè)計(jì)取 34%、36%、38%、40%，石粉砂占細(xì)骨料比例為 20%、40%、60%、80%，細(xì)石占粗骨料比例為 3%、6%、9%、12%。通過調(diào)整用水量，保證鋼渣混凝土出機(jī)坍落度在大于 200mm 的前提下，試驗(yàn)研究水泥、粉煤灰比例、砂率、石粉砂比例、細(xì)石取代鋼渣比例對(duì)鋼渣混凝土性能的影響，確定其相互之間的最佳值。結(jié)合以上試驗(yàn)，確定每一個(gè)參數(shù)取四個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，選取 L16(44) 正交表。以混凝土強(qiáng)度、工作性能、表觀密度、干密度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，換算成總功效系數(shù)，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并進(jìn)行極差分析。正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析如表 6 所示。

由表 6 可以直觀的看出：

（1）膠凝材料比例的極差為 0.048，最大；石粉砂極差為 0.018，次之；細(xì)石比例與砂率極差分別為 0.016 和 0.007。正交試驗(yàn)中極差大小表示對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，極差越大則說明該因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響越明顯，因此各因素對(duì)混凝土總體性能的影響主次順序?yàn)椋核喾勖夯冶壤臼凵氨壤炯?xì)石比例＞砂率。

（2）隨著各不同因素?cái)?shù)值的增大，均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，得出最優(yōu)方案為 A2B2C3D3，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，混凝土出機(jī)坍落度 215mm，和易性良好，濕表觀密度為2770kg/m3，干密度為 2680kg/m3，28d 抗壓強(qiáng)度為 42.6MPa。

3 試驗(yàn)結(jié)論

（1）鋼渣混凝土表觀密度隨砂率增加而降低，隨粉煤灰摻量、石粉砂比例及細(xì)石比例增加均先增大后減小。拌合物工作性能隨砂率、粉煤灰摻量和細(xì)石摻量增加而改善，流動(dòng)性能更好。

（2）正交試驗(yàn)分析表明各因素對(duì)混凝土總體性能的影響主次順序?yàn)椋核喾勖夯冶壤臼凵氨壤炯?xì)石比例＞砂率，最佳方案為 A2B2C3D3。

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［通訊地址］山東濟(jì)南高新區(qū)鳳山路山東華森混凝土有限公司 （250101）

Influence of different factors on the performance of steel concrete and orthogonal experiment analysis

Li Xuejin1, Yan Zhenmin2, Zhang Yong3, Xie Huidong3
(1. Jinan Zhangqiu Center for Quality Supervision and Safety in Production of Building Engineering, Shandong Jinan 250200; 2. Jinan Center for Quality Supervision and Safety in Production of Building Engineering,Shandong Jinan 250014; 3. Shandong Huasen Concrete Co. Ltd.,Shandong Jinan 250101)

The influences of binding material, sand ratio, power sand and 5-10mm finger stone on steel concrete bulk density was studied. Orthogonal test was carried out, results show as follows:affect the steel concrete performance of the main facts is the binding material proportion followed by power sand content, 5-10mm finger stone content and sand ratio. Total efficacy coefficient of concrete was first increased and then decreasesd as the different factors numerical increase, the best design project was A2B2C3D3.

steel concrete; bulk density; orthogonal test; efficacy coefficient

李學(xué)進(jìn)（1972－），本科，從事建筑材料檢測工作。