复合硅酸盐水泥的正交优化试验研究

张 鹏 飞

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

1 概述

生产水泥需要使用大量的自然不可再生资源，而这些不可再生资源日趋匮乏。随着国家对环境保护的力度持续加大，开采自然资源也受到很大的制约，而且在开采资源的过程中对生态环境的破坏非常严重。所以，高品质综合利用含硅铝钙等工业固体废弃物资源可以减缓对生态环境的破坏。由于过火煤矸石、矿渣微粉和粉煤灰等工业固体废弃物均具有一定的潜在活性，这些固废资源也是生产不同品种水泥的活性混合材料，而山西这类固废资源非常丰富，如果使用这些固废资源来生产复合硅酸盐水泥可极大地提高固废资源的利用率。由于复合硅酸盐水泥具有其他通用硅酸盐水泥不可比拟的优越性能，可以直接用于商品混凝土生产企业，解决了商品混凝土公司添加不同掺合料带来的一系列质量隐患。本研究针对通过前期大量的试验数据优化组合出各组分的添加比例，采用四个因素和三个水平进行正交设计试验法来研究复合硅酸盐水泥的优化组合，优化组合出的复合硅酸盐水泥对固废资源综合利用具有指导意义，为社会可持续发展和节能降耗提供技术支撑。

2 试验材料、方法和方案

2.1 试验研究用原材料

采用的硅酸盐水泥熟料由山西金源水泥厂提供，过火煤矸石由西山煤电有限公司提供，超细矿粉(K)由太钢集团生产，粉煤灰(F)由太原一电厂生产，其中粉煤灰(F)与超细矿粉(K)的比例为因素A，二水石膏采用太原二电厂排出的二水脱硫石膏(因素B)。激发助磨剂(因素C)和激发剂(因素D)均由山西大学研制，其主要化学成分为铝、硅酸盐类、有机醇等助磨激发组分。

2.2 试验方法

1)采用水泥GB175中规定的标准进行实验。

2)研究方法采用正交试验方法。

2.3 正交试验方案

本次试验涉及到四因素三水平，故采用L9(34)正交设计表。正交设计因素与水平如表1所示，正交设计方案如表2所示。

表1 因素与水平的确定

3 四因素三水平试验结果及分析

3.1 四因素三水平试验结果

表2 正交方案

该试验根据L9(34)正交试验方案设计了9组复合硅酸盐水泥配方，F/K复合掺合料、石膏的总掺量为18%，激发剂C和D按照所有胶凝材料的百分率来添加，熟料的掺量为32%，煤矸石粉的掺量为50%，其试验结果见表3。

表3 复合硅酸盐水泥正交试验结果

3.2 复合水泥正交试验结果和分析

3.2.1复合水泥初凝时间试验结果极差分析

四个因素A(F/K)，B，C，D对初凝时间影响的试验结果进行了极差分析，其分析结果如表4所示。

表4 初凝时间极差分析

从表4的数据可以观察出，A(F/K),B,C和D四个因素对复合硅酸盐水泥的初凝时间影响的主次顺序为：B>C>D>A，说明因素B对该水泥的初凝时间影响最大，因素A对水泥的初凝时间影响最小，在实际配制过程应引起注意。

3.2.2复合水泥终凝时间试验结果极差分析

四个因素A(F/K),B,C,D对终凝时间影响的试验结果进行极差分析，其分析研究结果如表5所示。

表5 终凝时间极差分析

从表5的数据可以观察出，A(F/K)，B，C和D四个因素对复合硅酸盐水泥终凝时间影响的主次顺序为：B>D>A>C，说明因素B对该水泥的终凝时间影响最大，因素C对水泥的终凝时间影响最小。

3.2.3复合水泥3 d抗折强度试验结果极差分析

四个因素A(F/K),B,C,D对3 d抗折强度影响的试验结果进行了极差分析，其分析研究结果如表6所示。

表6 3 d抗折强度极差分析

从表6的数据可以观察出，A(F/K),B,C和D四个因素对复合硅酸盐水泥3 d抗折强度影响的主次顺序为：C>B>D>A，说明因素C对该水泥的3 d抗折强度影响最大，因素A对水泥的3 d抗折强度影响最小。

3.2.4复合水泥3 d抗压强度试验结果极差分析

因素A(F/K),B,C,D对3 d抗压强度影响的试验结果进行了极差分析，其分析研究结果如表7所示。

表7 3 d抗压强度极差分析

从表7的数据可以观察出，A(F/K),B,C和D四个因素对复合硅酸盐水泥3 d抗压强度影响的主次顺序为：D>C>A>B，说明因素D对该水泥的3 d抗压强度影响最大，因素B对水泥的3 d 抗压强度影响最小。

3.2.5复合水泥28 d抗折强度试验结果极差分析

四个因素A(F/K),B,C,D对28 d抗折强度影响的试验结果进行了极差分析，其分析研究结果如表8所示。

从表8的数据可以以观察出，A(F/K),B,C和D四个因素对复合硅酸盐水泥28 d抗折强度影响的主次顺序为：C>A>B>D，说明因素C对该水泥的28 d抗折强度影响最大，因素D对水泥的28 d抗折强度影响最小。

表8 28 d抗折强度极差分析

3.2.6复合水泥28 d抗压强度试验结果极差分析

因素A(F/K),B,C,D对28 d抗压强度影响的试验结果进行了极差分析，其分析研究结果如表9所示。

从表9的数据可以观察出，A(F/K),B,C和D四个因素对复合硅酸盐水泥28 d抗压强度影响的主次顺序为：C>B>D>A，说明因素C对该水泥的28 d抗压强度影响最大，因素A对水泥的28 d抗压强度影响最小。

依据上述四因素三水平分析研究得出，对该复合硅酸盐水泥初凝时间和终凝时间影响的最优组合为A2B1C2D3；3 d抗折强度和抗压强度为A3B1C3D2；28 d抗折强度和抗压强度为A2B2C3D1和A2B1C2D3；综合优化组合为A2B1C2D3。

4 结论和建议

1)对初凝时间的影响主次为B>C>D>A，终凝时间为：B>D>A>C，3 d抗折、抗压强度为：C>B>D>A,D>C>A>B，28 d抗折、抗压强度为C>A>B>D,C>B>D>A；初凝时间和终凝时间影响的最优组合为A2B1C2D3；3 d抗折强度和抗压强度为A3B1C3D2；28 d抗折强度和抗压强度为A2B2C3D1和A2B1C2D3；综合优化组合为A2B1C2D3。

2)根据不同地区的固废资源在使用过程中要进行试验确定，不要简单地拿来主义，以免造成质量事故；固废综合利用研究任重而道远，还需要进一步深入研究其微观机理及适用范围。