基于正交试验的钢渣、脱硫石膏、粉煤灰混凝土抗压强度研究

李锐铎，徐梓博，赵林熠，符 浩，史乐君(河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山467036)

基于正交试验的钢渣、脱硫石膏、粉煤灰混凝土抗压强度研究

李锐铎，徐梓博，赵林熠，符 浩，史乐君
(河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山467036)

以舞钢钢厂钢渣和平顶山姚孟电厂粉煤灰与脱硫石膏为主要原料，并掺入少量激发剂，采用正交试验设计方法进行钢渣、脱硫石膏、粉煤灰混凝土7 d抗压强度试验，分析各种因素及水平对混凝土抗压强度的影响，为快速合理确定混凝土配合比提供依据。

钢渣；脱硫石膏；粉煤灰；正交试验；抗压强度

随着我国工业化和城市化进程的不断发展，产生了大量的钢渣、脱硫石膏、粉煤灰等工业废渣，如何实现这些工业废渣的循环利用，变废为宝，减少对城市环境的污染是亟待解决的重要问题[1-2]。

近年来，粉煤灰作为燃煤电厂的主要固体废弃物得到了广泛的应用[3-4]。钢渣存在耐磨性差、安定性较差、早期活性低等缺陷，制约了钢渣的大规模应用。当前，脱硫石膏(主要成分为二水硫酸钙)的应用领域越来越广，其对矿渣具有改性作用而用于制备水泥材料[5]。同样，脱硫石膏和粉煤灰作为活性物质可以替代部分水泥制作脱硫石膏-粉煤灰胶凝材料[6-10]。因此，将钢渣、脱硫石膏和粉煤灰混合制备混凝土，可以达到节约能源、降低CO2排放、减少固体废弃物污染的目的。

1 试验原材料

试验中所用水泥为普通硅酸盐42.5水泥。钢渣取自平顶山舞钢钢厂，含水量为0.62%，比表面积410 m2/kg，SEM照片见图1，其主要成分见表1。脱硫石膏取自平顶山姚孟电厂烟气脱硫石膏，主要成分为二水硫酸钙，含水量为5.7%。粉煤灰同样取自平顶山姚孟电厂，粉煤灰比表面积为305 m2/kg，烧失量为1.5%，含水量为0.27%，SEM照片见图2，主要成分见表2。

图1 钢渣SEM照片 图2 粉煤灰SEM照片

表1 钢渣主要成分 %

表2 粉煤灰主要成分 %

2 正交试验设计

表3 正交表

正交试验设计是研究多因素多水平的一种高效率、快速、经济的试验设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验[11-12]。本文选取钢渣掺量、脱硫石膏粉煤灰的比例以及水泥替代量(替代正常水泥混凝土中水泥用量)这三个影响因素为试验变量。钢渣掺量以A表示，分别为5%、10%和15%；水泥替代量以B表示，分别为10%、20%和30%；脱硫石膏粉煤灰比例以C表示，分别为1 ∶1.5、1 ∶2和1 ∶2.5。上述试验的影响因素共有三个，每个影响因素又有三种变化水平、如果按照全面试验的方法，需27次试验才能将所有情况做完，而如果选择用正交试验法设计，在合理设计下，只需要做9组试验就能找到最优或者较优的结果。按照正交试验设计方法设计的因素水平表见表3所示。

3 正交试验结果分析

对正交试验结果的分析方法一般有两种，即极差法和方差分析法。极差法虽然简单易行、直观易懂，但不能把试验过程中的试验条件改变(因素水平的改变)所引起的数据波动与试验误差所引起的数据波动区分开来，也无法对因素影响的重要程度(显著性)给出精确的定量估计。方差分析法就可以弥补直观法的不足，采用方差分析法得到的主体间效应的检验和因素B的多个比较结果如表4和表5所示。

表4 主体间效应检验

a. R 方 = 0.998(调整 R 方 =0.992)。

表5 因素B的多个比较

注：基于观测到的均值；误差项为均值方 (错误) =0.031；*. 均值差值在0.05 级别上较显著。

由表4可以看出：因素A和因素B差异性显著的检验值(Sig.值)分别为0.010和0.003，均小于0.05，说明这两个因素对试验结果的影响显著。因素C差异性显著的检验值为0.085，大于0.05，说明因素C不显著。由表5可以看出，因素B的10%～20%、20%～30%和10%～30%三个水平之间的差异性显著的检验值分别为0.004、0.009和0.001。综上所述，并通过各因素对应强度均值计算可知，最优组合为A1B3C1。

4 结论

利用正交试验法分析钢渣掺量、脱硫石膏粉煤灰替代水泥量、脱硫石膏粉煤灰比例等因素对混凝土7 d抗压强度的影响，得出以下结论：(1)影响钢渣、脱硫石膏、粉煤灰混凝土强度的重要性因素依次是水泥替代量、钢渣掺量和脱硫石膏粉煤灰比例；

(2)基于本试验各因素水平，制备钢渣、脱硫石膏、粉煤灰混凝土的最优组合为A1B3C1。

[1] 孙可伟．固体废弃物资源化的现状和展望[J]．中国资源综合利用，2000(1)：10-14.

[2] 徐明升．基于循环经济理念的平顶山市固体废弃物资源化利用研究[J]．河南城建学院学报，2014，23(5)：58-60.

[3] 覃维祖．利用粉煤灰开发高性能混凝土若干问题的探讨[J]．建筑材料学报，1999，2(2)：153-158.

[4] 汪潇，王宇斌，杨留栓，等．高性能粉煤灰混凝土工作性能与收缩性能研究[J]．河南城建学院学报，2012， 21(5)：1-4.

[5] 施惠生，刘红岩．脱硫石膏在矿渣水泥中的资源化利用[J]．同济大学学报：自然科学版，2008，36(1)：66-70.

[6] 高英力，陈瑜，王盛铭，等．水泥-粉煤灰-脱硫石膏干混抹面砂浆制备及变形性能[J]．硅酸盐通报，2010，29(5)：1149-1153.

[7] 周娜，柏玉婷， 李国忠．脱硫石膏/粉煤灰复合胶结材性能研究[J]．非金属矿， 2008，31(2)：49-50.

[8] 彭家惠，林芳辉．二水石膏粉煤灰胶结材的研究[J]．混凝土与水泥制品，1995(6)：16-19.

[9] 位建强，刘巧玲，曹明莉．脱硫石膏-粉煤灰-矿粉复合胶结材改性研究[J]．新型建筑材料，2010，37(4)：9-12.

[10] 周瑜，刘义，喻小伟，等．烟气脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝材料活性激发的量热研究[J]．硅酸盐通报， 2016，35(10)：3345-3350.

[11] 刘瑞江，张业旺，闻崇炜，等．正交试验设计和分析方法研究[J]．实验技术与管理，2010，27(9)：52-55.

[12] 苗旺，李锐铎．正交试验在水泥钢渣稳定土抗压强度研究中的应用[J]．河南城建学院学报，2011，20(3)：14-17.

Compressive strength of steel slag, desulfurization gypsum and fly ash concrete based on methods of orthogonal experiment

LI Rui-duo, XU Zi-bo, ZHAO Lin-yi, FU Hao, SHI Le-jun
(SchoolofCivilandTransportationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

Concrete compressive strength of 7 days steel slag, desulfurization gypsum and fly ash concrete were studied based on methods of orthogonal experiment. The concrete was prepared with steel slag form Wugang Steel Plant and fly ash, desulfurization gypsum from Yaomeng Power Plant, doped with a small amount of activator, using orthogonal test design method for steel slag, desulfurization gypsum, fly ash concrete 7 d compressive strength test, and the impact of various factors on compressive strength of concrete were analyzed, which provided the basis for rapid reasonable concrete mixture ratio.

steel slag; desulfurization gypsum; fly ash; orthogonal experiment. compressive strength

2017-01-09

河南省科技攻关计划项目(14102310243)

李锐铎(1980—)，男，河南新乡人，博士，讲师。

1674-7046(2017)01-0020-03

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.004

U214.1+8

A