正交試驗(yàn)分析不同摻合料對混凝土強(qiáng)度的影響

孫志彬，張思雨

（河北建設(shè)集團(tuán)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(yè)最廣泛的建筑材料，其原材日益緊張，不僅砂、石品質(zhì)不穩(wěn)定，水泥、粉煤灰、高爐?；V渣粉等膠凝材料也出現(xiàn)價(jià)格上升、性能參差不齊等現(xiàn)象，因此亟需探尋性價(jià)比高的摻合料。

選礦廢棄物鐵尾礦近年來備受關(guān)注，將鐵尾礦作為骨料進(jìn)行的試驗(yàn)研究更是不計(jì)其數(shù)，本文以鐵尾礦粉作為摻合料進(jìn)行試驗(yàn)，探尋鐵尾礦摻合料的可用性及其對強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

首先對所用原料進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)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(yàn)法設(shè)計(jì) C30 混凝土配合比。用極差法分析各因素對混凝土強(qiáng)度的影響，根據(jù)極差法分析結(jié)果，結(jié)合控制變量法，用鐵尾礦粉進(jìn)行試驗(yàn)，以混凝土工作性能與強(qiáng)度為指標(biāo)，驗(yàn)證鐵尾礦粉摻合料的可用性，研究出符合各項(xiàng)性能指標(biāo)的鐵尾礦粉摻合料混凝土，實(shí)現(xiàn)鐵尾礦粉的綜合利用。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）正交試驗(yàn)法

正交試驗(yàn)法就是利用正交表來對試驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合比較、統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)通過較少的試驗(yàn)次數(shù)找到較好的配合比，以達(dá)到最好效果，這種試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是從大量的試驗(yàn)點(diǎn)中挑選適量的具有代表性的點(diǎn)，利用已經(jīng)造好的正交表來安排試驗(yàn)并采用數(shù)據(jù)分析的方法。正交表能夠在因素變化范圍內(nèi)均衡抽樣，使每次試驗(yàn)都具有較強(qiáng)的代表性，由于正交表具備均衡分散的特點(diǎn)，保證了全面試驗(yàn)的某些要求，這些試驗(yàn)往往能夠較好或更好的達(dá)到試驗(yàn)的目的。

（2）混凝土拌合方法

混凝土選用 HJW-60 型單軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)拌合。拌合前先沖洗攪拌機(jī)，且預(yù)拌少量同水膠比的砂漿或配合比相同的混凝土拌合物，當(dāng)攪拌機(jī)內(nèi)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(kuò)展度以及倒排空時(shí)間。在試驗(yàn)過程中結(jié)合混凝土和易性綜合評定其工作性能。具體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

（4）混凝土抗壓強(qiáng)度評定方法

混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測定。

2 試驗(yàn)過程及結(jié)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(xiàng)性能指標(biāo)均符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定要求，主要性能指標(biāo)見表 1。

表 1 水泥的物理性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：選用保定雄華商貿(mào)Ⅱ級粉煤灰，主要性能指標(biāo)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(biāo)見表 3。

表 3 礦渣粉性能指標(biāo)

（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(biāo)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(biāo)

（5）外加劑：選用保定慕湖恒源新型建材有限公司生產(chǎn)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(xù)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(shí)將鐵尾礦粉作為摻合料取代粉煤灰進(jìn)行復(fù)摻，水膠比為 0.5 進(jìn)行試配。利用正交試驗(yàn)對其進(jìn)行探究，記錄混凝土工作性能。正交試驗(yàn)配合比及坍落度、擴(kuò)展度、倒排空時(shí)間和拌合物狀態(tài)見表 6。

當(dāng)用鐵尾礦粉作為摻合料取代粉煤灰時(shí)，混凝土拌合物性能較不穩(wěn)定，在礦粉摻量較低時(shí)，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(tài)需調(diào)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(qiáng)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(qiáng)度，利用極差法分析摻合料對試體強(qiáng)度影響顯著程度。

鐵尾礦粉取代粉煤灰配合比及抗壓強(qiáng)度見表 7。

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

表 7 鐵尾礦粉取代粉煤灰配合比及抗壓強(qiáng)度

表 8 試體強(qiáng)度極差分析

級差分析結(jié)果顯示，用鐵尾礦作為摻合料部分取代粉煤灰時(shí)，對混凝土強(qiáng)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(jié)合混凝土強(qiáng)度分析，混凝土強(qiáng)度均能達(dá)到C30，但混凝土拌合物性能不夠穩(wěn)定，狀態(tài)不好控制，因此將進(jìn)一步驗(yàn)證材料可用性。

2.4 鐵尾礦粉摻合料可用性試驗(yàn)

為驗(yàn)證鐵尾礦粉摻合料可用性，選取試驗(yàn)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(shí)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(jìn)行試配。

表 9 不同比例鐵尾礦粉摻合料混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試配過程中混凝土拌合物性能不穩(wěn)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(shù)據(jù)，并測定試體抗壓強(qiáng)度，本次以 7d和 28d 強(qiáng)度作為參考數(shù)據(jù)。具體配合比及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表9。

粉煤灰摻量為 20%，礦粉摻量為 30% 時(shí)，混凝土7d、28d 抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的影響

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

3 結(jié)論

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

（2）當(dāng)以鐵尾礦粉作為摻合料部分取代粉煤灰時(shí)，鐵尾礦粉摻量對混凝土強(qiáng)度影響最顯著，水膠比0.5 時(shí)，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(qiáng)度可達(dá) 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。